2022 年新能源汽车在技术上有哪些突破？

先说有没有突破，再说在哪些方面存在着突破。

不得不说，即将逝去的2022年，堪称是新能源汽车“大爆发”的一年，这种“大爆发”，不仅体现在新能源汽车的销量上，也体现在新技术上。
汽车行业是典型的技术密集型产业，这一点，相信已是共识。
进化到新能源汽车时代，这种最为基础的性质也不会有任何的改变，这也没问题。



技术密集型行业产品的更迭，总是要有技术驱动的，在已经翻篇的2021年，就有多项新技术的应用将新能源汽车特别是智能化的新能源汽车推向一个新的阶段。
那话说回来，2022年在新能源圈子里都有什么新技术的出现？
这些技术又在哪种程度上改变了汽车产品呢？
我们今天就来聊一聊！



CTC（cell to chassis）电池底盘一体化技术

CTC原本还是前两年提出的设想和纯电动汽车电池集成的趋势方向，但在2022年，这项技术已经上车并成为了现实。
所谓CTC，指的就是在动力电池集成的过程中，跳过模组和整包的阶段，直接成为底盘的一部分。
如此一来，动力电池可以省略很多结构件，减重、减成本的同时也能提升能量密度。




在今年推出的一系列如特斯拉Model Y（海外4680版）、零跑C01、比亚迪海豹（比亚迪海豹的CTP技术亦是相同原理）等车型，就以接近同级别产品的车身高度而提供了更多的车内空间，电池容量也可以在结构件被去掉的情况下有一定程度的提升。
如果换电技术成就不了未来，那么，CTC一定是各家车企都追捧的全新电池集成方案。




第三代功率半导体SiC+800V技术

SiC的出现其实要往前数很长一段时间，但其真正开始在新能源圈子里威力初显，应该要从今年算起。
所谓功率半导体，通俗点理解就是由驱动电路以PWM形式控制的开关，在新能源汽车搭载的逆变器、充电机以及DCDC中随处可见。




相比于IGBT而言，第三代功率半导体SiC最大的优势在于其更高的耐压能力，更好的高温环境适应性以及更低的开关损耗，如此可以让电驱动系统功率密度再度提升，进一步提高转化效率。
其次，SiC是800V高压上车的关键技术，可以进一步提升电池充放电功率，降低整车线束成本和热管理成本等优点。




车规级芯片算力提升+ 新E/E架构

车规级芯片算力有较大提升其实并不是行业突破，而是自主国产芯片的突破，在今年已经完成装车，可支持包括自动泊车在内的诸多辅助驾驶功能，算是完成了对英伟达等品牌AI芯片限制的突破。




而伴随芯片算力不断升级的还有全新电子电气机构的上车，其以域控制器体系、车载以太网、高度集成控制体系等为技术核心，实现在控制系统上的进一步升级。
比如各项功能的顺滑灵活控制、软件OTA后如换新车、自适应自学习等产品特征点都是这项技术带来的改变，应该有不少智能汽车用户已经有所体验。




氢燃料电池低温冷启动+寿命改善

当前氢燃料电池面对的问题除了成本和寿命之外，最难的应该就是低温冷启动技术。
原因也好理解，毕竟氢燃料电池本质上仍然是电化学反应，在太过低的温度下造成反应缓慢，输出功率太低，同时生成的水又会结冰堵塞气道，甚至刺穿隔膜。
而低温冷启动问题的结局算是去掉了其在大规模商用前的一个障碍，起码在国内的大部分地区，都有了全天候工作的底气。




与此同时，氢燃料电池的寿命也在2022年突破1万小时大关，已经可以在个别领域上车应用，同时形成一定的产业链和产品应用示范效应。
不过考虑到当前氢燃料电池使用领域多集中在商用车范畴，常规消费者对这点可能感知并没有那么强烈。




总结下来，2022年仍然可以算得上是新能源技术大步向前的年份。
虽说个别技术还处在萌芽阶段，在量产产品上应用量完全达不到普及的标准，但其为产品带来的进阶效果已经初现。
在行业和资本的大力投入之下，如上这些新技术或许很快便会完成大规模的普及，说不定，你的下一台新车就会有所应用。

本文有一定科普属性，不单是简单罗列，看完应该会有所收获吧。
我比较关注的新能源车近期的技术突破主要有三个：

• 碳化硅带来的800V电压平台
  
• CTX电池一体化技术（CTC、CTB等）
  
• 铝合金一体压铸车身
  

智能汽车ICV方面的技术突破也不少，但目前只讨论对“新能源车"可能有比较广泛影响的技术。而且很有意思，这三个都在特斯拉的Model Y上。
碳化硅

碳化硅的化学式是SiC，是地球上自然界中没有的化合物。最早发现这种物质的是一个叫莫桑的人，在亚利桑那州的那个陨石坑里。所以又叫莫桑石。



亚利桑那陨石坑（图片来源于网络）

当然了天然莫桑石几乎是不存在的，只在陨石坑里由。人工合成的莫桑石倒是不少，看上去和钻石也差不多了。但大了光之后散射出来的光的颜色比钻石丰富一些，比钻石还钻石。   



莫桑石（左）的火彩与钻石（右）的对比（图片来源于网络）

这种材料不仅有浪漫的故事，可以用来做首饰，也是制造第三代半导体的主要基材。

第一代半导体主要以硅Si为材料，也是最广为人知的材料，比如电脑CPU用的。第二代半导体多为化合物，如砷化镓GaAs，主要用在通信领域，LED上也有用；第三代半导体材料主要是碳化硅SiC和氮化镓GaN，多用于功率半导体，常见的手机快充的充电插座有的就会标出自己是氮化镓。

碳化硅在新能源汽车上的应用主要是用来生产碳化硅衬底的MOS管（MOSFET）。
MOS管可以简单地被理解为是一个开合速度非常快的开关(不是很严谨，因为二极管也像开关，MOS管更像三极管，不是一个开关，这个解释起来太复杂了)。新能源汽车用的电机都是交流电机，而电池确只能提供直流电。要让电池能够给电机供电，就需要把电池出来的电流变成交流电才行，这个过程叫逆变。通俗解释逆变的过程就是通过几个开关不断的开合，在不同线路间切换导通，就可以把原来的直流电变成交流电了。

在碳化硅出现之前，这种工作主要是由用硅为衬底的一种叫IGBT的器件来完成的。IGBT可以理解为MOS管加一个三极管。所以说碳化硅做的MOS管是替代普通MOS管也是不准确的，应该是代替了整个IGBT。

之所以碳化硅更牛逼有以下几个原因：

• 相比硅这种材料，它的禁带宽度要大得多。所谓禁带宽度可以理解为让Si或C原子周围的电子脱离的最小能量。要使一个电子脱离Si原子需要1.1eV，而要让电子脱离SiC则需要3.2eV。这样SiC的耐压就会比单纯的Si要大得多，比较不容易被高电压击穿。因为当MOS管这个"伪·开关"断开时，所有的电压相当于都加在了衬底材料上，这样能承受更大电压的SiC就能在更高压的电路中使用了。即使不需要那么高的电压，在承担同样电压时用碳化硅也可以比单纯用硅做MOS管在体积上要小很多。
  
• 不仅如此，碳化硅的导热性能也要好一些，适应的工作温度也更高一些，理论上可以到200°C，硅的话一般是150°C。而且SiC本来产生的热损耗也要小。因为同样的功率，可以用上更高的电压，而电流就会变小。电路产生的热量时电流的平方×电阻，所以产生的热也会少一些。
  
• 最后还有一点，SiC的工作频率要更高一些，大概有100kHz，比硅基的IGBT的20kHz要高了4倍。
  

	禁带宽度	耐温	工作频率
硅	1.1eV	150°C	20kHz
碳化硅	3.2eV	200°C	100kHz

以上这一切让使用SiC的系统效率比一般的IGBT要高5%，对应的续航里程也会高几十公里。
不过这么看是不是感觉提升很有限，但碳化硅比硅贵了可不是一点点啊。这主要还是800V的电压平台需要。
因为要实现所谓“超级快充”，电池材料本身时一方面，但也需要其他器件的配合。无论用什么电池材料，要提高充电速度就得提高充电功率，而功率P=电压U x 电流I。那要提高功率，要么加大电压，要么加大电流。
但提高电流的话会让充电线热的厉害，因为发热量是电流的平方乘以电阻嘛。如果要过很大的电流还要控制发热，就得用巨粗一根充电线，这显然不是很现实（特斯拉的400V也可以实现所谓超级快充，本质确实就是加大了充电的电流，但也到天花板了）。
那么剩下的一个选项就是加大电压了，这也是各个公司都在推800V电压平台的动机。

800V电压平台在实际落地时有很多种方案，有的并非时全系统都是800V，比如可能空调和电控不用800V。我们这里只讨论最完整的800V电压平台。

现在电动车多用的是400V的电压平台，可以简单理解为车上那块电池能给出400V的电压。如果改用800V，那么整个系统包括电池、电控啊，电机啊，车上用的这些要电的东西都得能承受800V才行。如果充电用800V但电池是400V行不行呢。理论上也可以，就是要通过一个"降压器"（DC/DC）来把电压降低。这相当于鸟枪换了炮但还是来打鸟，需要损失一部分能量。所以全套都用800V才能你好我好大家好。要所有系统都能耐得住这么高的电压，就需要使用碳化硅来制造功率半导体了。
综上，因为碳化硅材料的出现，使得800V平台成为可能，这不仅仅时多那么点续航，更大的价值是能提高充电速度，应该是未来的大势所趋。
但是！这一切都需要充电桩能跟上才行啊。如果充电桩给不了这么高的电压和功率，这些都是浮云。

CTX

之所以说是CTX，而不是CTC或CTB或者什么CTP或CTV，主要是其实他们的本质都差不多，就是改了一种电池的封装方式。让电池和车一体化程度更高一些。这样作为整个系统，能省掉不少多余的部件。这就好比以前的手机拆了后盖可以换电池，而现在的手机基本都把电池封在了里面了，让手机能做的更轻更薄。
但这个对消费者是不是真的友好确实不一定。以前换电池买一块自个换就是了，现在基本不可能，必须找一个小店找专业人士来换，还得担心会不会损坏数据之类的。对电动车来说也是类似的，用了CTB或CTC这种技术后，电池维修可能就得费点劲了。
做的最极致的是特斯拉的model Y，国内还没有，但国外的版本已经用上了。特斯拉极致到什么程度呢？从Munro Live的拆车视频里可以看到一些端倪：

• 地毯，中控，座椅这些都是装在电池上的，拆车的时候把电池一拆，这一大坨东西就跟着一块下来了。
  

座椅安装在电池上，能够被整体拆下（图片来源于Munro Live视频）



在特斯拉德州工厂里展示的电池包，上面已经焊好了座椅支架（图片来源于Munro Live视频）



特斯拉德州工厂里展示的一体化电池的剖切展品（图片来源于Munro Live视频）

• 电池包里面灌满了……粉色物质，可能是为了散热、保护、防震等等。
  

电池内部灌满了粉色物质（图片来源于Munro Live视频）

总之，这种方式维修起来几乎不可能了。不过其实现在智能手机也都不能拆电池换电池，这种方式也不能一棒子拍死说是反人类，总需要一个过程让市场接受，同时不断改进，找到市场和技术的平衡。
比亚迪的海豹算是国产里比较早上CTB技术的了，区别是它把座椅横梁这些还是留在了车身上，也算是在找市场和技术平衡点的一种尝试吧。也就是说特斯拉的电池拆了后，车身上是个大窟窿。比亚迪的电池拆了后，车身上还有几条杠。这也算是为电池后续的维修留了一些可能性。



比亚迪海豹的CTB技术图解

然后比亚迪自称车身的扭转刚度达到了4万牛米。但这个数据吧我保留意见，因为我倒不觉得这是这种技术带来的最大好处。只能说是最容易被消费者理解的。不好说是装了电池的数据还是没装电池的“白车身”的数据。普通车的白车身扭转刚度确实没这么高，也就两三万。但如果在普通白车身上铆接一个电池包上去，那个扭转刚度也不低应该。另外就是扭转刚度这个东西大车比较难搞。比如MPV或大SUV这种中间空空的车。
另外听说费了半天劲，最后给车内也就腾出了10mm的空间。虽然在开发的过程中，我们确实也经常为了内部的10mm争来争去，但是对消费者这10mm可能感受微乎其微。
所以我觉得CTX这种方案之所以算是技术突破并不表现在宣传的所谓刚度增加和内部空间的增加上。这种技术比较难搞的是对设计和生产方式的改变。

• 对于设计，传统意义上车身的开发任务里这个刚度的性能目标可能不太好定义了。到底是定装了电池的，还是不装电池的呢。电池又归电池供应商做，这里面要协同的事情应该不少。
  
• 另外是对于生产，电池可能就要挪到非常前面的工位去装了。甚至按特斯拉那个集成程度，可能还专门有个电池的分装线，把座椅、中控等都装好了，在合到车上去。
  

总之这种越来越集成的设计，应该是大势所趋，具体执行的方案上可能会稍有不同，但本质都是通过一体化，减少零件，简化装配最终降低成本，减轻重量。

一体压铸

另一个更极致的集成化的技术就是一体压铸了。最早用在model y的后地板上了。

坊间传闻是马斯克在看到一个合金车模的骨架的时候想到，玩具可以用压铸做出整个车身，量产车为什么不呢。

但说实话，这个概念倒不算太新鲜。传统的钢车身确实零件很多，全是冲压件焊在一起的。不过在铝合金车身上也是有很多“把多个小零件集成成一大零件”的地方的。比如门槛横梁。铝合金车身一般就是个等截面的挤出件。   



铝合金车身的大梁多为等截面的铝型材挤出件（图片来源于网络）

而传统钢车身，一般都是外板+加强版s+内板形成的腔体。



传统刚车身纵梁截面（图片来源于网络）

另外比较常用铝合金铸件的地方是前轮安装悬架的区域，比如凯迪拉克在这里就用一个中等大小的铸件取代了30多个小零件。



（图片来源于网络）

所以本身这个概念并不是多么超前。但我觉得一体压铸是个值得说的技术突破是因为....它太大了，融入到现在得生产过程中难度不小。所幸特斯拉已经打了个版了，而且用的还是中国的供应商。
一般的白车身的后地板都是用冲压成型。在整车厂的冲压车间里完成，通常是需要四-五台冲压机（日系车多为四台，其他多为5台）轮番上阵来完成。在整车厂的冲压车间里面就摆着4-5台吨位不等的冲压机。压力吨位最大的可能得有4000吨得样子。而特斯拉的压铸机的供应商力劲科技比较先进的压力的吨位达到了6000吨，据说正在搞万吨以上的。机器本身就有400来吨。为了在工厂里放下这个机器，整个工厂得做出很大的调整。



特斯拉的压铸机（图片来源于网络）



特斯拉德州工厂展示的一体压铸的模具（图片来源于Munro Live）

特斯拉压铸的这个后地板零件可以看到比刚才提到的凯迪拉克那个前轮包处的那个零件大的多得多。这么大的零件如果在供应商那做了在运过来也挺麻烦的。所以特斯拉直接在自己工厂划了一片区域来放这个压铸机。只能说特斯拉确实胆子比较大。



特斯拉model Y后地板一体铸造件（图片来源于网络）

最近发现其实在特斯拉德州工厂生产的model y的前机舱也是用一体压铸的



特斯拉德州工厂里展示的前舱一体铸造件（图片来源于Munro Live）

另外市场普遍担忧的维修问题嘛，就见仁见智了。这么做成本和重量是会降下来的，带来的好处就是车可以便宜点，续航也会高一点。同时这样的车身强度刚度都会好一些，那么碰撞的性能本身也会好一些。付出的代价就是发生比较严重的碰撞的话维修费比较贵。但其实仔细想想嘛，其实就算是一般的铝合金车身用的铝型材和铸件也不少，碰了之后也不好修。说到底还是个技术和市场平衡的问题，我个人是比较支持这种技术的推广的，带来的好处很多，维修性比一般的铝车身也差不了多少了，毕竟能吧厚底彭碰坏了这种事概率也比较小。
总结

以上就是我认为近年来针对新能源汽车比较有突破性的三项技术了。倒不是说从消费者角度这个有多炫酷，主要是从行角度看，他们的实现的难度、挑战都不小，突破后确实带来了客观的收益，或让性能更好了或让成本更低了。他们的突破在于去尝试找到了或者正在积极寻找技术和市场的平衡。任何行业做的任何产品无外乎追求差异化和成本优势，这也是工程技术人员不断努力的目标。也是工程技术突破和科研突破的区别。作为工程师，我更关注的是这些已经落了地或者正在落地的技术。和Munro Live的主持人Sandy Munro一样，I love good engineering。
另外，这三个技术都是特斯拉最先一批推进落地了，从这个角度看，确实得佩服他们的“胆大妄为”，我觉得是可以影响整个行业发展的实实在在的进步，而不是执着于用语音控制开个窗户，在车上打个游戏这种噱头。

从前两个月在北京召开的世界新能源汽车大会说起吧。


这次大会基本囊括了2022年的一些新能源汽车的一些技术进展，其中包括已经商业化的核心技术，在近两年市场上就会开始普及的创新技术；也包括了未来5-10年内，具有先导性、探索性的前沿技术。


下面是创新技术的评选，我个人感觉其中的几项技术，就是软硬件高度集成化的商用。
如比亚迪的系统深度融合的电动汽车整车平台技术，比如特斯拉的一体化压铸车身技术，比如舍弗勒的紧凑型集成化同轴式电驱动桥。


比如比亚迪的电池车身一体化CTB技术，比CTP技术更进一步，完全取消了模组的概念，直接把刀片电池融入了整车结构设计中，让电池成为了车身结构的一部分。这样的集成化能提升整车的刚度和车身结构的稳定性，还能提升车内空间。
比亚迪将正极片、负极片，先模切裁断成单片，在隔膜中按照设定的层数叠成极芯，并通过热压将极片与隔膜固定。极片长度约1000mm，条状的正负极片，需要有序地插入折叠隔膜里.



比亚迪的CTP无模组方案，电芯实际充当了模组，而取消了模组的保护壳体，由刀片电池本身来充当电池的梁，这样大幅提高了空间利用率，也提高了系统能量密度，单位体积装更多的电芯。另外电池成为车身结构的一部分，整车传力结构更完整，刚度更高。刀片电池组成的蜂窝高刚性结构给整车结构赋能，整车刚度提升76%，大幅提升碰撞能量传递和车身结构的稳定性。
此外比亚迪的八合一电驱动总成，驱动总成、电机控制器、PDU、DC-DC、OBC、VCU、BMS通过高度集成，能提高空间利用率，减轻重量。域控制架构，划分为四个高度集成的域控制器，车控域，动力域，驾驶域，座舱域，域的高度集成也能有效减少缆线的布线，减轻车身重量和线缆所需体积。


特斯拉的一体化压铸车身技术，底盘和车身结构件的一体化压铸，能减少不同零部件/组件之间的连接工序，如铆接、焊接、冲压、粘贴等。这种高度集成的技术的好处还有很多，减少了零部件数量（复杂度降低，组装人工降低），让车身变得更轻，也能有效提高架构的刚度。


举个简单的例子，特斯拉这种零部件高度集成就如同玩拼图一样，一样的完成图，100片拼图和1000片拼图的区别。首先，制造100片拼图肯定比1000篇拼图要简单，工序要少，这就能提升产出速度，减少中间环节的消耗。另外对于组装来说，100片拼起来肯定要比1000片拼图要来得简单、容易和高效。另外100片组成的完成图的结构强度一般来说也会比1000片组成的强度要强。
但一体化压铸也会带来后续的维修不便，事故维修成本的大幅上升，这估计也是特斯拉保费会持续上升的原因了。
前沿技术，有氢燃料相关、滑板平台悬架、智能电池技术、网联汽车、Sic的工艺应用等。


滑板平台，知名的如Rivian架构图里，是将动力、制动、转向等系统模块都集成在底盘之上，只留下电气和车体的通用物理接口。这就如同搭积木一样，车体是一块积木，底盘是一块积木。两边分开制造，到时候车体往底盘上一凑，两边对应的电路、物理接口接驳，就完事了。这也是将传统的“整车一体式开发”变成了“上下分体式开发”。
而车体这块积木只要电气和物理接口和底盘相适配，车体可以是多种多样的。也就是说底盘不变，车体的风格我可以千变万化，一个底盘给你搭配十几种车型出来。对于车企来说研发成本减了，研发周期短了。


然后Rivian凭借这个滑板底盘的概念,，2021年上市的时候虽然才交付了几十辆车，但并不妨碍它当时迅速的成为全球十大车企之一（市值），并创下了汽车行业有史以来的股票涨幅之最。


而这次获奖的摩比斯E-corner Module则是在此基础上，除了底盘集成了线控制动、线控转向之外，彻底打破了车辆的运行方式，能让车轮进行180度转动，实现原地转弯/平行泊车/横向行驶。


而SIC（碳化硅）技术则是替换IGBT的主流发展方向，能够支持更高压/高温快充。如800V的高压平台快充等。

碳化硅（Silicon Carbide）是C元素和Si元素形成的化合物，目前已发现的碳化硅同质异型晶体结构有200多种，其中六方结构的4H型SiC（4H-SiC）具有高临界击穿电场、高电子迁移率的优势，是制造高压、高温、抗辐照功率半导体器件的优良半导体材料，也是目前综合性能最好、商品化程度最高、技术最成熟的第三代半导体材料。

IGBT的下一代的SIC（碳化硅）技术（研发出的成熟SIC耐高温可达200摄氏度，工作频率在100KHZ以上，耐高压可达20KV，种种参数远优于IGBT）也在美国、欧洲、日本开始全面普及。
综合起来，无论是前沿技术、创新技术的不断推出，都意味着新能源汽车的技术在不断进步，随着量变的不断发生，在未来是5年到10年，新能源汽车技术将会大概率发生质变，而彻底取代传统的燃油车。
（部分图片来源网络，侵删！）

1、钠离子电池初步形成产业链，2023年有望开启规模化应用

2021年7月29日，宁德时代发布了其第一代钠离子电池，电池电芯单体能量密度达到160Wh/kg；常温下充电15分钟，电量可达80%以上；在-20°C低温环境中，也拥有90%以上的放电保持率；系统集成效率可达80%以上。而钠离子电池的价格却比锂电池要低很多，目前看，成本相比于锂电池将降低30-40%。



图1：钠离子电池与锂离子电池的成本比较

近日，宁德时代在互动平台上回答投资者提问时称，正致力推进钠离子电池在2023年实现产业化，这不仅包括电池的量产，还包括上游产业链的建成。预计于明年投产的钠离子电池中，既有用于电动汽车的钠离子动力电池，也有用于储能电站的钠离子储能电池。
钠离子电池的突出优势更表现在原料成本方面。钠元素在地壳元素含量中排名第六，相对于稀缺的锂资源，可谓丰富。国内电池用碳酸锂平均价格从2020年的约4万元/吨涨至目前的约50万元/吨，而工业碳酸钠的平均价格常年处于3000元/吨以内的水平。此外，钠离子电池正负极集流体可用铝箔，而由于铝制集流体在低电位下易与锂发生合金反应，因此锂离子电池的负极只能用价格更昂贵的铜箔。



图2：钠离子初步产业化，明年投产

2、发表在《Nature》的固态电池技术，一篇论文拿了3500万融资

哈佛大学博士生叶露涵在《Nature》杂志上发表的论文《A dynamic stability design strategy for lithium metal solid state batteries》引起轰动，是近年来少有的可信固态电池突破。



图3：近年来少有的可信固态电池突破

与传统的锂离子电池相比，固态锂金属电池由于具有高容量、高能量密度和高安全性，在相同的体积内可容纳更多的能量，并且充电时间仅占一小部分。然而，由于高电流密度下锂枝晶的形成和穿透，固态锂金属电池的稳定性一直很差。
为了克服这一挑战，哈佛大学李鑫教授指导下，博士生叶露涵及团队创新地设计了一种具有分级界面稳定性（对锂金属响应）层次结构的固态锂金属电池，以实现超高电流密度并防止锂枝晶的渗透。
论文提出了一种类似于膨胀螺丝效应的机制，即任何裂纹都由动态产生且受到良好约束的的分解产生，且该约束由分解引起的“锚定”效应所产生。



图4：论文提出了一种类似于膨胀螺丝效应的机制

该电池可以在高电流密度（20℃）下充放电循环至少10000次，只需10-20分钟便可以充满电。这种电池技术可以将电动汽车的使用寿命延长到汽油汽车的使用寿命（10-15年），而无需更换电池。
叶露涵创立的Adden Energy公司获得515万美元，折合人民币约为3500万元的种子轮融资，堪称一篇论文拿了3500万融资[1]。



图5：叶露涵（左）及其导师李鑫教授

3、新型分布式驱动液氢燃料电池重型商用车原型车验证突破，加速氢燃料电池商用车应用

清华大学车辆与运载学院新能源动力系统团队研究成果：《新型分布式驱动液氢燃料电池重型商用车设计、分析与验证 》入选2022“全球新能源汽车前沿及创新技术”。
该研究针对城市重型、长途货运重型商用车的电动化需求，论文提出了分布式驱动液氢燃料电池重型商用车技术方案，探索了大功率燃料电池系统、大容量液氢系统和大功率轮毂电机等前沿技术的设计与开发，完成了35t级液氢燃料电池载货车和49t级液氢燃料电池牵引车的设计、集成、制造和测试。



图6：35t级液氢燃料电池载货车



图7：49t级牵引车实物图

该研究设计并验证了，高转矩密度轮毂电机，创新性地提出了弯扭解耦的电动轮构型，开发了双轮并装的轮边驱动电动轮的驱动桥方案。完成了液氢储罐结构设计、优化与安全方案设计，将车载储氢质量密度提升到10%以上。两款车型试验结果均超过既定目标，已经具备较大的商业价值。



图8：35t级载货车实车道路试验结果



图9：49t级牵引车实车道路试验结果

结论先行：在2022年新能源汽车的技术突破为：系统深度融合的安全高效电动汽车整车平台技术、石墨极板燃料电池强耐低温快速自启动技术、100TOPS以上车规级计算芯片即将实现量产装车、第三代半导体电机控制器将实现多车企量产应用、安全性技术提升推动300Wh/kg高比能动力电池实现装车应用、国产高性能纯电动乘用车将更多运用800V电压平台、域控制器将实现由单域控制向跨域融合形态过渡技术突破。


由于最近在研究域控制器，则针对域控制器将实现由单域控制向跨域融合形态过渡技术突破进行讲解。其中域控制器是达到整车智能化和网联化的关键载体。域控制器产品在2022年将由单域控制朝着跨域融合形态进行转变，深入减少硬件/软件/功能间的耦合度与电子架构的结构连接复杂度，推动智能网联汽车产业链生态的发展。下面以底盘域控制器进行展开。
传统的汽车底盘组成为行驶、传动、制动、转向系统，其责任是传递发动机的动力、支撑汽车各零件的安装、确保汽车的正常行驶。伴随车辆电动化的速度，车辆传动系统将发动机取消，且增加电池与电机，这给传统汽车底盘制动与转向系统带来大的改变。因为电动车无法把电机作为真空源，但是电动真空泵作为助力源的弊端为寿命短、体积大、布置困难。但是转向系统也慢慢由传统的液压助力转向转到电动助力转向系统EPS，它的功能为选取驾驶模式、主动进行转向、反馈路感。但是智能化又让汽车底盘具备了线控化，并形成以线控制动、线控驱动、线控悬架、线控转向为关键的智能底盘，与此同时，底盘的通讯控制系统、电子电气系统也发生大的变化。总而言之，电动化智能化技术的发展让汽车底盘系统迎来从传统底盘、电动底盘到智能底盘的技术革新。


智能底盘依旧保留底盘系统的基本功能，那就是承载和行驶。但是它的承载对象和行驶的方式发生改变。智能汽车的自动驾驶和智能座舱系统作为智能底盘承载对象，但智能底盘行驶的方法是具备认知自身车轮和地面间的相互作用以及管理运行状态的能力，最终达到车辆运动控制的效果。在底盘进行智能化后，针对车辆底盘系统提出更高的安全要求，其一是要提升车辆的主动安全，其二是要保证一定的失效运行安全。这也是智能底盘技术未来的发展趋势。


乘用车智能底盘技术路线图框架如下，其中表述了乘用车底盘技术的发展历史：针对底盘构型，智能底盘慢慢走向线控化、模块化和集成化；针对底盘控制技术，智能底盘将慢慢普及高带宽和低延时的车载总线技术，慢慢达到底盘一体化域控的效果，实现软件和硬件的解耦，且支持空中下载技术OTA的升级，并由系统的冗余备份以提升底盘系统的功能安全性。


如今的汽车电动化智能化背景前提下，由硬件定义的传统分布式 E/E 架构具有的问题是底盘系统ECU之间的信息资源无法共享、硬件的成本增加、系统逐渐耦合的冲突。为解决这些问题，整车 E/E 架构由分布式架构慢慢向域集中式架构和中央集中式架构进行演变，底盘域控制自此被提出。


为达到底盘信息资源之间的共享，并且处理系统耦合的冲突，博世和大陆按照功能把整车划分为五个域：车身、信息娱乐、底盘、动力总成、辅助/自动驾驶。底盘域涵盖行驶、传动、制动、转向系统，具体到智能汽车底盘，它所指的是控制动、线控驱动、线线控转向、线控悬架，其中前面三个是担任汽车的横纵向运动的控制，且线控转向和线控制动是自动驾驶执行端紧急的技术调整，与此同时智能底盘 1.0中底盘域控制技术的核心在于制动、驱动、转向的协调控制。


AUTOSAR 4.0 标准中引出3层底盘域控制系统架构，汽车引导层担任自动驾驶系统、车辆控制功能的协调，车辆稳定性层负责车辆的动态控制，但是执行层担任执行器相关控制功能。英飞凌引出的底盘域控制系统能够统一收集传感器信息，达到传感器信息融合与动态车辆模型解算的效果，采埃孚在 2020 年发布cubiX组件，其担任收集整车传感器信息，协调控制底盘的制动、转向、传动的系统，达到底盘控制功能的互联效果。 调底盘各个执行器以实现车辆运动控制功能。


在智能化电动化环境之中，业内专家在底盘域控制系统上在最近2022年取得了研究成果。北汽新能源公司为提高整车控制的效率与安全性，将底盘域控制系统架构提出，能够达到底盘集成化、标准化、平台化的横纵向耦合控制效果。中汽创智发布智能底盘域控制系统架构，涵盖底盘域控制器、各个驱动控制器和执行器，能够实现自动驾驶软硬件解耦、高算力、OTA 升级的需求。2021年拿森推出支持 L3/L4 的线控底盘解决方案，那就是底盘域控制器 NXU，这个产品具由执行器的软硬件解耦、集成控制、控制指令的仲裁的功能，且硬件达到 ISO26262 ASIL D 功能安全要求。


业内对底盘域控制系统的理解，其实是在域集中式电子电气架构的基础上协调控制底盘各个执行器，最终达到车辆运动控制的系统效果。但对于不一样的底盘执行器硬件配置和控制系统架构，底盘域控制系统的功能和对应的底盘域控制策略会有一定差异。


根据智能汽车 E/E 架构需求的分析，智能汽车将运用域集中式 E/E 架构，将汽车按照功能划分为多个域，其中底盘域和汽车底盘控制功能相关。智能汽车的控制执行技术依靠底盘控制，关键在控制车辆的横纵向运动，让汽车能够跟随它的期望轨迹。如果智能汽车底盘域以期望轨迹的跟随为关键控制目标，侧重车辆的横向与纵向运动控制，那么能够忽略垂向运动控制，即忽略悬架系统的功能。按照分析以四轮独立驱动/制动、前轮转向电动汽车为出发点，智能汽车底盘域组成为制动、驱动、转向系统，涵盖与底盘运动控制对应的ECU、传感器、线束、执行器、电子连接方面。


结合智能汽车 E/E 架构需求中软硬件冗余的要求，智能汽车底盘域系统架构，它的硬件部分涵盖线控制动系统、线控驱动系统、线控转向系统、电源。线控驱动系统涵盖电机控制器、驱动电机；线控制动系统涵盖集成式电控制动系统IPB、冗余制动单元RBU；线控转向系统具备转向系统 ECU 、双助力电机、方向盘转矩转角传感器；电源的两路为主电源和备份辅电源；底盘域系统通过 CAN 总线通讯。其他比如制动踏板行程、加速踏板位置、主缸压力传感器等运用硬件冗余方式。底盘域系统硬件配置如下所示。


最后，再来说说面向智能汽车运动控制的底盘域控制系统概念，那就是底盘域控制系统作为智能汽车智驾系统和底盘执行层间的桥梁，其中涵盖自动驾驶系统感知层与决策规划层，协调所有底盘执行器达到汽车的运动控制效果，它的具体功能涵盖底盘各个传感器信号的统一获取，传感器信号的解析冗余，智驾系统和驾驶员命令的解析，车辆的横纵向运动控制的方面，最终达到目标轨迹的跟随效果，提升新能源车的安全性和稳定性的动态驾驶性能。


<hr/>关于无线充电缓解里程焦虑：
日本无线充电技术已进行测试，该技术有望解除电动汽车里程问题吗？关于燃料电池汽车作为出行工具：
在未来你会选择燃料电池汽车作为出行工具吗？关于自动驾驶激光雷达的干扰性：
自动驾驶都用激光雷达等以后自动驾驶车多起来了，路上的激光雷达会不会相互干扰？关于电动车续航800KM，无法消除续航焦虑：
为什么电动车都突破 800 km 续航了，还是无法消除里程焦虑？关于什么是智慧交通？
什么是智慧交通？我是 @小杰仔，一名汽车研发工程师，一名手机科技爱好者，如有帮助，请点赞/关注支持