高端对话：汽车动力系统技术的全球市场前景

  在这场前所未有的变革中，创新成为推动汽车动力系统技术发展的核心驱动力。企业间的合作与竞争并存，跨界融合成为常态，一同推动着整个汽车行业向更加绿色、智能、高效的方向迈进。面对全球市场的多元化需求，汽车动力系统技术的未来发展将更看重可持续性、灵活性和使用者真实的体验，开启一个全新的出行时代。

  2024年10月25日，2024第十二届汽车与环境创新论坛围绕“汽车动力系统技术的全球未来市场发展的潜力”展开了精彩的高端对话。华涧新能源联合创始人、国际汽车工程学会会士辛军担任主持，赛力斯汽车科技公司副总裁段伟，上汽集团创新研究开发总院总监徐政，中国第一汽车集团有限公司研发总院红旗·鸿鹄混动平台总架构师宫艳峰，哈尔滨理工大学博导教授和终身荣誉教授/精进电动创始人、俄罗斯工程院外籍院士、国际汽车工程师学会会士蔡蔚，瑞浦兰钧能源股份有限公司电芯研发总监刘微参与讨论。

  ：因为蔡教授要去浦东机场赶今晚回哈尔滨的航班，那么我们的圆桌讨论就从蔡教授开始。您在报告中提到，采用多档位策略后，驱动电机的转速并不是特别需要不断提升。那么针对某些特定产品，若采用单档位设计，在考虑轻量化与体积限制的前提下，驱动电机的转速是否呈现上升趋势？另外，关于制约电机转速提升，还有哪些急待突破的技术障碍？

  提升电机转速面临的首要挑战源自电机自身的局限性，提高转速需妥善解决材料的机械强度、振动噪音以及发热三大问题。鉴于电驱动系统的复杂性，其不仅限于电机本身，任何电驱动系统均离不开减速器或变速器的配合。如果电机的转速大幅提升或转速变化范围特别宽，就出现了另外一个问题，即要求齿轮的速比特别大，以解决电驱动系统面临的低速大转矩与高速高功率之间的矛盾。对于最高车速较低的电动车这个矛盾不突出，事情就没那么难解决。在需求功率一定的条件下，降低扭矩可使电机变小，电驱动的低速大转矩需求就得通过提高减速器速比来实现；速比大了，电驱动在最高车速下对驱动电机的转速也就变高了。对于超级跑车，低速大转矩与高速大功率需求矛盾更为突出，即对齿轮的转速和速比需求更大，减速器除了变大，还产生效率低和振噪高等问题。故靠一维降低电机转矩和提高转速尽管可以减小电机尺寸，但却不一定能提高电驱动的功率密度，因其减速器随着速比变大而变大。目前搭载减速器电驱动的电动车最高车速一般在220km/h以下，对于最高车速220km/h以上的高速车型，变速装置对能耗和舒适性更有益。总之，如果仅仅采用减速器，因低速大转矩需大速比，会使齿轮箱的体积增大，使动力系统整体上不一定能达到轻量化、小型化的目标。此外，高速齿轮自身的振动噪音以及齿轮系统的整体效率也因此受到了下降的挑战。这些因素都影响电驱动系统的整体性能表现。

  因此，仅仅通过提高电机转速，并不能有效解决电驱动系统对于高功率密度、高效率以及舒适性的多维追求。将这些问题综合考虑，我们发现，即使电机转速的提升是可行的，但同时齿轮升速也有挑战。除此之外，控制系统同样需要面对并解决类似的问题。尽管当前采用碳化硅等先进化合物半导体材料在一定程度上缓解了部分问题，但高速运行所带来的挑战依然不容忽视。

  此外，还存在另外一个问题，即不仅电机存在发热问题挑战，齿轮在高速运转时同样会产生显著的发热现象。随着转速的提升，发热问题更加严重，因此也需要解决发热问题。

  ：轴向磁通电机有功率密度、扭矩密度高，重量轻、体积小，非常适用于未来的飞行汽车和电动汽车。您如何看待轴向磁通电机？您认为什么时候能够在飞行汽车和电动汽车上应用？

  轴向磁通电机，基于电机学的基本原理，有助于功率密度提高。该电机结构通常包含左右两个气隙（Airgap），其磁场储能较大。当磁场储能增加时，单位时间内磁场储能（实际上是磁共能）变化所产生的功率也会相应增大，从而提升功率密度。但是，轴向磁通电机也面临着一些挑战。首先，如果左右两个气隙的大小存在差异，将会导致它们产生的磁拉力左右不对称，进而可能引发震动和噪音问题。另外，如果轴的加工产生公差，这种公差会导致外圆处尺寸差异被放大，而这种尺寸变化在实际制造过程中是难以避免的。

  此外，关于轴向磁通电机转矩的提升，一个直接且有效的方法是增大电机的直径。但是在汽车电机应用中，车辆内部空间有限，所有组件都力求小型化以节省空间。这也是其中一个难题，如果需要大转矩，就要增大直径。当无法增大直径以提升转矩时，一种常见的解决方案是采用轴向串联的方式，将多个轴向磁通电机沿着轴线方向串联起来，但这种做法给散热带来了极大的挑战。

  除了上述难点外，轴向磁通电机还存在一个公认的问题，就是它的结构限制了传动系统的集成。相较于径向气隙电机可以将功率电子控制器或行星齿轮等传动系统内置于电机内部，从而实现整个系统的紧凑集成，轴向磁通电机则难以做到这一点。因为它独特的绕组排布，使得传动系统的安装和拆卸变得困难，从而限制了轴向磁通电机在车辆上的广泛应用。

  近年来有一些公司尝试在轴向磁通电机领域进行投入，比如奔驰收购YASA并开发了轮毂电机样车，但至今仍未看到商业化产品的推出。有企业尝试利用轴向磁通电机申报轮毂电机国家重点专项，但最终因技术挑战过大而取消。科学家在理论层面上的机理验证与工程师在实际工程中的实现之间存在差距。要将轴向磁通电机等先进技术真正应用于车辆上，还要一直攻克工程技术难关，解决实际应用中遇到的问题。我们期待这一天的到来。

  当前中国汽车企业正积极出海。针对海外市场，尤其是欧洲市场，中国汽车公司动力系统需要有针对性的配置吗？

  我先就前面两个电机的话题，谈点我的观点。我们在轴向磁通电机研究做过一些实验，揭示了该技术在应用上面临的两个核心难题。一是噪声、振动与声振粗糙度（NVH）问题，相较于传统电机，其NVH水平高出8-15分贝，这在车辆应用中十分明显；二是过热与退磁问题，实验显示在连续运行两小时后就会出现退磁现象。我个人的观点是，尽管这些技术路线在原理上具有其合理性，但每种技术路线都伴随着必须克服的挑战，在不同的技术路径上进行探索是有价值和意义的。关于电机的高速化，我认为应设定合理的界限，并非速度越高越好。从当前电机技术的发展来看，适度提高转速有利于减小体积，但这也要求我们必须解决齿轮NVH问题和提升传动效率。目前齿轮加工技术也取得了一些突破，这为适度高速化提供了技术支持。所以我赞同蔡教授“不是越高越好”的观点。

  就出海而言，对于不同的客户需求，肯定是需要有不同的技术路线去满足的，适合中国的车不一定适合欧洲和美国。无论是进军欧洲还是美国市场，进行当地化的适应性开发是不可或缺的。因为各国的认证体系需遵循当地法规，并非所有中国车辆都能直接满足其他国家或地区的认证标准。

  另外还需要深入考虑当地用户的驾驶习惯。在中国、欧洲和美国，整车设计的边界条件存在显著差异。例如最高车速这一指标，在中国与欧洲、美国的标准就不尽相同，模态分析等其他方面也各有特色。

  用户的驾驶习惯在欧洲和美国也与中国存在明显区别。在中国，车辆智能化被大力推广，车机内嵌丰富多样的功能。然而在欧洲，高端车型的主要用户群体为中老年人，他们往往对智能化功能并不热衷。因此，应该针对当地市场应进行适应性开发和认证。

  关于出海，当前全球各市场对主销车型分布的差异显著，反映了各地市场需求的不同。从正向开发的角度来看，如果计划开发一款面向出口海外的汽车，主体开发工作虽在中国进行，但还是要充分考虑不同市场的具体需求，包括法律法规、环境、用户习惯、基础设施等市场需求差异。以欧洲市场为例，德国的高速公路不限速，车辆常行驶于150-160km/h的速度区间，而在中国市场，车辆大多行驶在120km/h左右的速度。基础设施也不太一样，欧洲的充电设施普及程度尚不及中国。所以我们在开发插电式混合动力和增程式车型时，虽然是以电驱动为主，但在欧洲市场上，还需特别关注车辆的动力性能的达成，尤其是在高速行驶和馈电状态下的表现。又比如南美市场存在多种燃料类型，油品差异也较大，对于发动机尤其是混动专用发动机适应性开发也需加以考虑。另外还要考虑相关的热管理系统。比如在中东等炎热地区，除了空调系统的热管理外，还需关注电驱动系统和电池的工作温度，特别是在长坡和频繁坡起的驾驶条件下，需评估这一些因素对电机温度的影响。

  我们可以将出海战略中的适应性调整分为三个主要方向：一是社会环境，二是国家法规，三是用户的使用习惯。以欧洲为例，社会环境方面，进入新市场需要重新进行油品实验。认证方面，总成认证涉及六十多项标准，每一项都必须达标，这无疑要求我们对产品进行适应性改变以满足当地要求。用户驾驶习惯方面，经统计分析发现，欧洲用户在某些方面与我们存在显著差异。欧洲城市道路狭窄，部分路段宽度可能不足三米。欧洲驾驶者在转弯时更倾向于提前减速，对低速大扭矩的需求高。此外，欧洲的换车周期相较于我们更长，超过十年，这要求我们的车辆在设计时更加注重整体可靠性。另外，欧洲市场对安全性的要求也极为严格。对这些方面，我估计每家车企都在进行适应性的调整。

  心十佳发动机和混动系统评选的实车驾驶测评环节，有两款来自外资品牌的车型，这两款车型的车重比中国自主品牌同类的参评汽车质量还轻，却配备了更大的电机，而且都是2.0T增压直喷发动机。相比之下，中国自主品牌许多车型采用1.5T甚至1.5自然吸气发动机。中国市场青睐1.5T，也许是兼顾经济性和动力性的最佳方案。针对欧洲市场，考虑到中国存在消费税等因素的影响，发动机开发主要集中在1.5升和2.0升排量的发动机。但是当有更加大的车型出口到欧洲时，当前开发的1.5T或2.0T发动机是否足够满足需求？需不需要有更大排量的发动机，例如2.5L或3L排量呢？

  一汽目前拥有V6 3.0升、V8 4.0升以及最大排量的V12 6.0升发动机。如果市场对动力性能有更高要求，我们可以进行相应的产品升级与开发。我们也在积极研发高性能的2.0T发动机，其功率大、扭矩高的特点不仅提升了车辆的动力性能，还带来了更好的NVH表现。

  福特所采用的2.0TEcoBoost发动机，动力强劲，功率密度和扭矩密度偏传统。中国品牌在增程式发动机、插电式混合动力以及混合动力发动机的研发上，更加聚焦于混动专用化，以热效率或系统整体效率的提升为核心考量。大家愿意在中国市场提供更多电驱，但海外市场对动力需求的要求更高，需要考虑差异化。此外，海外市场消费者更加注重驾驶体验的一致性，即在馈电和非馈电状态下，驾驶者对于动力输出的感受应尽量保持一致，这就要求发动机具备一定的功率和扭矩冗余和储备。采用多档位的并联模式可以在一定程度上弥补动力性能的不足。

  ，一是通过材料的迭代创新，二是电芯结构的创新。你认为在过去五年的时间里，对能量密度提升和安全性提升，是材料创新起主导还是结构创新起主导？

  五年以内我觉得这两方面都有贡献。刚开始做动力电池的时候，磷酸铁锂能量密度在170左右，经过几年时间发展，不借助任何结构变化，不采用刀片电池，问顶结构设计也可以做到接近190了，这几年磷酸铁锂材料本身压实密度和容量都有变化。结合你说的结构创新，不仅在电芯层面，而且在系统层级亦有所体现，诸如电芯倒置、热电分离等技术手段，都能提升系统的空间利用率。刀片电池和问顶电池等，有的在电芯结构设计上实现了空间利用率的提升，同时系统层级的优化也对空间利用率的提高做出了贡献。从能量密度的角度来看，这两方面的贡献均不可忽视。在三元材料领域，从五系、六系到八系的演进过程中，能量密度的提升主要以材料创新为主导。相较于结构变化，材料体系的变化在此方面表现得更为显著。

  从安全角度来看，我认为材料创新贡献更多，尽管结构创新在一定程度上提高了空间利用率，但在提升安全性方面的优势并不特别显著。在2020年至2021年期间，三元材料领域普遍向八系发展，但实践发现，八系材料的安全性问题仍未得到妥善解决。因此，主机厂在三元材料的选择上又退回到了六系。安全性一直是车企和动力电池企业共同追求的目标，大家都在不断审视与反思，力求找到最优的解决方案。

  CEO公开呼吁推迟电动化转型的步伐，众多跨国企业正致力于开发低碳乃至零碳燃油技术。中国今年PHEV的同比增长率是84%，这一增速显著超越了BEV。鉴于这一现状，各位认为内燃机未来的技术发展主要趋势是什么？特别是在考虑到混合动力系统的需求时，内燃机的技术发展方向又该如何定位？

  我们是走增程路线，内燃机在我们接下来的产品规划中占据了重要的位置。就内燃机来说，我认为其未来的发展趋势是专用化，并逐步向混合动力系统过渡，其中增程式也可视为混合动力的一种形式。高效化是内燃机发展的核心方向。对于整车及混合动力系统而言，提高内燃机效率仍是实现节能的主要途径之一。随着混合动力技术路线的不断深入探索，内燃机的发展空间反而得到了进一步的拓展，其使用寿命也有望延长。至于燃料多元化，包括甲醇、氢气等在内的替代燃料或多燃料使用是一大趋势，这也是我们研究工作的一个重点。

  尽管当前中国市场的新能源渗透率已达到较高水平，但带内燃机动力系统同样呈现出显著的增长态势。从这一角度看，尽管欧洲等地在2023年通过立法，计划至2035年基本实现禁燃，其步伐显得相对激进，旨在一步到位地转向纯电动技术，并辅以相关政策与全方位支持。然而，经过几年的实践，当前市场表现显示这一转型面临诸多挑战，部分主机厂已开始反思。这引发了一个问题，发动机技术的研发仍需继续。当然，电动化的大趋势是不可逆转的。我个人认为，发动机的开发应当融入整个电动化系统的范畴之中。市场竞争日益激烈，对产品的成本控制提出了极高的要求。尽管我们拥有众多先进的发动机技术方案，但这些都必须在一定的成本框架或系统框架下实现量产。

  ：在进行混动专用化内燃机的研发时，您是否会考虑将未来低碳和零碳燃料的应用纳入平台设计考量之中？

  关于零碳燃料的应用，从燃烧系统和发动机结构的角度来看，并不会带来本质上的变化。主要是局部零件的材料要求可能会有所不同，但主体结构基本保持不变。在成本框架的约束下，我们会尽量在不引起成本大幅变动的前提下，对结构进行优化。对于已实现量产中的EGR系统，我们会考虑其成本，并致力于提升其性能，以实现更高的功率输出。这需要我们突破一些技术难关。效率层面，增压器仍有一定的优化空间。超长冲程、热管理、燃油系统等方面的改进也不会产生额外的成本，因此我们应优先进行这些方面的改进。但在追求进一步的技术突破时，包括稀薄燃烧技术的应用，我们可能会面临成本和复杂度的显著增加，如高能点火系统、预燃室技术、排放后处理技术等。这些改进虽然能带来技术上的显著提升，但也需要权衡其成本与效益。从总体上看，这些方向在行业内已达成一定的共识，未来还需要根据产品演变和市场接受度情况，判断如何落实。

  在国内，混动化已成为一个不可逆转的大趋势。混动技术的未来发展有两个较为明确的方向。一是减配以实现高效化，以往我们采用直喷技术、双VVT等配置，但随着混动技术的普及，发动机的运行区域逐渐收窄，在相对有限的运行范围内实现高效化成为可能。此外，我们也在探索一些更为前瞻的技术路径，旨在实现复杂系统下的超高效率，将内燃机的热效率提升至接近50%的水平，但整个系统复杂，成本高，需要进一步研究。

  针对欧洲和国内正在进行的零碳研究，近年来随着电动车的兴起，油耗法规和碳排放法规的关注度似乎有所降低。然而，未来纯电动车也将按照能量消耗来计算碳排放。因此，无论是电动车还是混动车，都需要考虑燃料的选择问题。如果采用现有技术更换燃料，例如将直喷系统更换为适用于气态或液态燃料的系统，现有的供应系统可能难以满足要求，可靠性也难以保证。此外，碳中性燃料的生产依赖于绿电，其产量有限，无法像石油那样大量生产。因此，我们需要考虑如何将有限的碳中性燃料与混动技术充分结合，既发挥发动机的高效率，又充分利用电能，以此来实现整体碳排放的降低。

  里的电解质来看，可以分为液态、半固态和全固态，如果这三个技术都成熟了，你认为是完全替代的关系吗？

  目前半固态电池已经开始被部分主机厂采用，其中仍包含部分液态电解液。从行业发展趋势来看，全固态电池的成熟度相对较低，不少企业也已推迟了全固态电池的量产计划。因此，在短时间内，全固态电池实现量产的可能性仍然较低。液态电池目前仍是主流方向。对于固态、半固态电池技术而言，其未来发展路径尚不明朗。如果全固态电池技术成熟，半固态电池有可能会被替代，但液态电池在相当长的一段时间内仍将继续存在。

  全固态电池面临诸多挑战，其技术突破的时间可能比预期更长。半固态或全固态并不容易，成本问题是当前的主要障碍。全固态电池中的含锂电解质相较于液态磷酸锂成本更高，主要是因为其中的锆、钛等元素价格昂贵。在成本意识日益增强的情况下，全固态电池完全替代其他类型电池的可能性不大。

  前面提到，电池很关键的创新路线就是材料创新，你们有没有用AI技术帮助寻找最优材料配方，在产品开发过程中有使用这样的技术吗？

  现在设计方面没有做得那么完善，在设备开发方面，由于设备开发涉及电子和机械，利用仿真手段进行模拟的效率相对较高。但化学仿真需要积累大量的数据库，我们有一些仿真软件可以做一些简单的，但像互联网和整个工业系统这种AI程度，化学方面还做不到那么完美，相对而言在设备开发和工艺开发上会走得更快一点。

  显示，与丰田THS比，中国PHEV效率还高出3个点。展望未来混动系统，你们认为中国串并联混动技术会成为主流路线吗？

  2018年以前，丰田是行业内的权威。第一，丰田拥有深厚的技术积累，自1997年推出普锐斯以来，丰田在混合动力技术上持续深耕，技术成熟度极高。第二，丰田在全产业链上的成本控制能力出色。第三，丰田凭借广泛的市场积累，形成了强大的品牌效应。2018年以来，中国混合动力汽车市场出现了显著变化。中国在成本控制方面也取得了显著进步。无论是零部件供应商还是整车制造商，在成本控制方面都比以往更为出色。这使得中国混合动力系统的整体成本大幅降低，为中国混动汽车的普及奠定了坚实基础。

  未来向PHEV方向发展的可能性更大。成本方面，HEV电池的成本很难降到很低，小电量PHEV电池相对更合适。从用户接受度看，大家一旦习惯这种电池的感觉，可能就回不去了。

  从原理上看功率分流这个事情本身，如果以同类车型进行对比，在HEV与HEV之间，或PHEV与PHEV之间，特别是在馈电状态下对比，循环工况下的功率分流效率总体上更优。根本原理在于，采用功率分流，其中约70%的发动机功率直接通过机械路径输出，驱动车辆前进，这一部分的机械效率相对较高。相比之下，在低车速下，由于档位和速比限制，我们的系统可能会选择串联模式运行，机械效率就会有所损失。从整体来看，当系统始终保持在功率分流的状态下工作，效率会相对较高。

  我觉得中国品牌之所以把混动做得这么好，关键在于我们充分利用了电驱动的优势，为用户提供了更多以电驱动为主的驾驶体验。而丰田的设计理念则更多地以发动机驱动为核心，旨在通过各种技术方法提高系统的整体效率。虽然丰田的发动机并未与车速完全解耦，但由于其采用了无极变速技术，并通过P1电机进行调节，使得发动机始终能够保持在较为理想的转速区间内工作，从而实现了较高的效率。

  而当我们的系统进入串联模式时，发动机同样实现了与车速的解耦，其工作效率在正常工作期间并无明显问题。我们的优势在于，通过匹配更大的电机，整个驱动系统以电驱动为主，在电量充足时，我们的系统表现出色；即使在馈电状态下，发动机也能满足功率需求，动力表现依然优于丰田功率分流。考虑到大多数乘客的驾驶习惯和用车场景，我们的系统能提供令人满意的驾驶体验。

  从HEV的角度来看，其整体设计是以发动机为主要驱动力的系统，要优化发动机在各种工况下的最佳工作状态。而在中国市场中，PHEV的设计理念则有所不同，更加侧重于电力驱动，并考虑如何有效补充发动机的使用。关于效率问题，如果仅从某一特定工况来比较，可能并不具有全面性和代表性。在中国市场，PHEV车型在大多数情况下都依赖电力驱动。根据我们的数据统计，问界用户在75%的用车情况下选择使用电力，只有25%的情况下使用燃油。从大的方面来看，我们的使用成本更低。

  在日本和其他一些地区，丰田年销量有300多万辆。说明其他地区用户可能充电不方便，没有办法用电，我们的大电池车去了以后也是用油。所以总体来说，不能用一点来定义这个技术好不好。

  原来在美国市场都是大排量的车型，2.0、3.0、4.0，而在日本市场都是0.6，0.8，1.0。这就不能单一判断说大排量或小排量不好，这是使用习惯的不同。我觉得在选择技术路线的时候，肯定还是要选择最适合当地市场和用户的技术路线。

  数字孪生在生产线上的应用较多，根本原理在于构建一个仿真体，虚拟模拟真实体的运行状态，进行监控。这种监控可以从设备或其他相关角度出发，观察并评估运行状态。其中的关键点在于，必须利用虚拟手段充分反映观察对象的运行状态。它可以应用在研发上，我们要跑很多实验，包括电机测试、动力总成测试、发动机测试等等。数字孪生能够看到许多没有放传感器的区域的状态，这也是大家想做的事情。里面有一个难点，要怎么把物理体真实且实时地运行起来。通常三维仿真技术能够把里面的物理场分析出来，但在实现实时性方面却面临较大挑战。现在通过AI技术给降阶做出来，在这个基础上，数字孪生才可以比较好地应用在研发中。

  数字孪生在研发上有一个应用，比如已有发动机仿真分析模型，我在发动机台架上布置一个传感器，它实测温度或者某个物理量，再及时反馈到我的模型里。模型建得很全，你可以无所不知，根据台架测量的某一点参数，可以判断发动机是处于正常状态还是即将出现失效模式。这样的应用对缩短研发周期、提高研发的成功率是很有帮助的。这是数字孪生在研发过程中的可能应用场景。

  我个人认为，数字孪生与AI在设计开发中的应用无疑是未来的发展的新趋势。现在特斯拉很多实验已经模拟了。仿真以后就不需要大量跑实体的实验，节约开发费用和开发周期。重点和难点在于怎么让结果变得准确，边界条件的设定至关重要。不管数据有多少，如果不准确那都是没有意义的。