【微课堂】笛卡尔李科:新能源汽车四大技术进化方向前瞻

演讲嘉宾:李科  0 2017-03-15
​3月14日晚,电动汽车资源网邀请笛卡尔首席知识官李科老师作为微课堂的首个开讲嘉宾,分享新能源汽车知识,增进群友的交流。李科老师带来了“应用TRIZ理论探究电动汽车技术进化趋势)”的分享。

【微课堂】笛卡尔李科:新能源汽车四大技术进化方向前瞻

3月14日晚,电动汽车资源网邀请笛卡尔首席知识官李科老师作为微课堂的首个开讲嘉宾,分享新能源汽车知识,增进群友的交流。在昨晚的微课堂上,李科老师带来了“应用TRIZ理论探究电动汽车技术进化趋势(新能源汽车四大技术进化方向前瞻)”的主题分享,他认为新能源汽车续驶里程会成为发展的关键、三电系统将朝着集成化方向发展、轮毂电机也会成为一大趋势等。

【微课堂】笛卡尔李科:新能源汽车四大技术进化方向前瞻

笛卡尔首席知识官李科

内容主要分为四个部分:无损能量传递与结构动态化进化方向、功能完备性与技术理想度进化方向、子系统协调化与均衡化进化方向以及超系统与微观级进化方向。 

一、关于TRIZ理论

什么是TRIZ理论,TRIZ理论全称为Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch,即发明问题解决理论,是阿奇舒勒(G. S. Altshuller)在1946年创立的, Altshuller也被尊称为TRIZ之父 。

Altshuller发现任何领域的产品改进、技术的变革、创新和生物系统一样,都存在产生、生长、成熟、衰老、灭亡,是有规律可循的。人们如果掌握了这些规律,就能主动地进行产品设计并能预测产品的未来趋势。也由此提出了著名的技术进化的曲线理论。

TRIZ理论认为,所有的工程技术问题的核心都是因为达不到技术上更高的一个理想水平而形成的矛盾。通过对这些矛盾的化解,就能够达到发明创新的目的。 

二、TRIZ理论如何解决电动汽车充电矛盾问题

TRIZ理论把工程技术上的这些矛盾分为技术矛盾、物理矛盾以及物场矛盾。

技术矛盾:简单地说,一个技术系统存在着两个相互制约的工程参数,当提高了一个参数的水平就会导致另一个参数的水平降低。举个最简单的例子,我们既想吃饱,但是又不想长胖,这就构成了一个矛盾。

类似于这样的技术矛盾,TRIZ理论归纳了三十九种工程参数,并提出四十种的创新原理,所以类似想吃饱又不想长胖的矛盾,一种解决方法为增加局部质量即在食品里增加某一种物质的量,如喝更多的汤,其他的菜就吃得少,这叫增加局部质量;或者采用复合材料的解决方法,如食用可以膨化的食品,在增加量的同时减少对食物的吸收。

物理矛盾:物理矛盾和技术矛盾不一样,物理矛盾说的是我们希望一个产品具有相互矛盾的两种特性,比如说我们希望手机又小又大才好,手机如果小就便于携带,但是太小的手机看屏幕就不方便,我们使用的时候就很麻烦。所以我们又希望手机大,这就构成一个物理矛盾。

延伸出来看电动汽车,给电动汽车充电就是一个典型的物理矛盾,首先我们希望大电流快充能够快速的对电池进行能量补给。但同时,又希望用小电流去充这样可以起到维护电池一致性的作用,可见我们希望这个电流又大又小。常规的做法是以时间作为充电分段,我们在充电的初端和末端采用涓流充电;在中段平台区,用大电流充电。TRIZ理论把这样一种按照时间来形成控制策略的方法叫做时间分离法;第二种叫做空间分离,我们在大电流进行串联充电的同时,对每一串的电池进行并联的涓流充电,这就是把空间进行分离了。这个方式带来非常大的好处就是,在每一次充电的时候,其实就主动地完成了电池的维护。

也可以用物场分析去解决工程技术问题的物理状态,用TRIZ归纳的76种标准的解决原理启发我们的一种创造性思维,试图把发明创造形成一种格式化的模式。

工程技术系统的发展和进化总是沿着一条极有规律的路径进行的,这条路径有八个特征:

一.技术系统是沿着s型的曲线进化的。

二.技术系统的技术进化的驱动力是为了提高我们技术系统的理想度。

三.子系统的不均衡,子系统技术发展的水平不一样,这就会导致技术发展出现瓶颈,只要解决了子系统中最短、最差的那个技术水平,整个系统就会进步。

四.技术系统的动态性和可控性会不断提高,它会越来越柔性,组合越来越方便。好的技术系统,更少的是人为控制更多的是自动控制。

五.技术系统进化总是趋向比它更上一级的超系统进行技术集成,而让自身系统变得简单。

六.整个技术系统各组成部分以及与上级系统之间都是协调发展的。

七.技术系统会做的越来越小,并试图增加场的应用。

基于技术进化的八大原理,来探讨电动汽车未来的技术将可能往哪个方向进化呢? 

三、电动汽车四大技术进化方向前瞻

1.核心法则:提高理想度的进化方向

TRIZ理论认为一个技术系统的进化一般经历四个阶段,S曲线描述了一个技术系统的完整生命周期;当一个技术系统的进化完成四个阶段后,必然会出现一个新的技术系统来替代它,如此周而复始。新能源汽车运营商该选择使用什么样技术的车辆,或者市场更需要什么样的新能源汽车。

技术进化的核心法则是提高理想度,就是系统所有有用的功能除以系统所有有害的功能和它的成本。这个比值越大,说明这个技术的理想度就越高。

1886年,卡尔本茨发明了世界上第一台单缸三轮汽车,它的发动机输出功率只有0.5千瓦,而行驶速度不到每小时二十码。当时富人关心什么?富人一定是首先用新技术的,他不关心成本而只关心这个东西好不好用。但是每小时不到二十码的速度,汽车还跑不过马车,所以富人就不太喜欢用这个汽车。那在这个时候,人们发现提高速度成为了汽车首要解决的一个关键性能,后人就不断地去改进这个车辆的结构来提高动力性能。

时至今日,常规汽车能达到100~170km/h,这个阶段汽车的速度已经达到了陆地交通所能够适应的水平,整个传统的内燃机车技术也进入了一个成熟期。但按照S曲线,内燃机技术会逐渐地进入一个衰退期,所以怎么延长内燃机汽车的生命周期,让这个技术不被淘汰,成为新的课题。因此就产生了如何减缓衰退期发生的两种思路。比如当下流行的自动驾驶技术,就是通过增加系统有用的功能来提高理想度水平;第二种思路是适度的降低汽车的功能要求,使成本大幅度降低,使理想度水平进一步提高,例如低速汽车在降低时速要求的同时,换来更低的成本水平就是当前传统汽车发展的一种思路。

【微课堂】笛卡尔李科:新能源汽车四大技术进化方向前瞻

李科认为,相对于内燃机车是以速度作为整个技术发展的核心性能指标,低速电动车的发展则是以续驶里程作为它的核心性能指标,而电动汽车什么时候能够彻底的替代常规汽车,提高续驶里程是新能源汽车能不能高速发展的关键。

2.无损能量传递进化方向

技术系统能量必须能够从能量源流向技术系统的所有元件,如果某个元件接收不到能量就不能发挥作用,这将影响到整个技术性的整体功能。

技术系统的进化,要沿着使能量流动路径缩短的方向发展,能量流动的路径越短,就越能够减少能量的损失,而且最好是一种能量贯穿始终。

比如,蒸汽机车的能量利用率只有5%~15%,因为蒸汽机的能量传递要经历化学能——热能——压力能——机械能的过程。

内燃机将化学能直接转化压力能到最后的机械能,所以能量利用率可以到30%~50%。

电力机车将电能直接转换为机械能,采用些电驱动能能量传递的路径非常短,所以能量利用率达到65%~85%。

我们现在的新能源汽车输入是220v的交流,输出是300~400v直流,再通过逆变传递到电机,电机向桥芯输出扭矩,桥芯的能量通过半轴再传递到轮边;从220v传输到轮胎的时候,经历很长的路径,能量传递的路径越长,能量损失就会越大。

按照无损能量传递法则,李科认为能量传递的路径越短越简单的汽车可能越容易成活,所以电传动最终将取代机械传动。他还认为轮毂电机会取代简单的轴输出电机,因为轮毂电机最大的好处就是直接采用电驱动没有了传动轴,没有桥,这样底盘结构极简单而且操控相对灵活。

当然轮毂电机也有问题,就是很重,电制动的能力也是有限的。

另外,像一些运营公司反馈,电动汽车的掉电问题,明明刚充满电,但随便一跑就没电了。那为什么掉电快?第一个、大电流充电一定会产生浮充;第二、串联充电,因电池内阻差异而使传递到单支各串电池的能量不一致,形成电池组一致性偏差;三、当然也包括BMS采集数据不准确导致掉电。

3.结构动态化进化方向

技术系统的进化应该沿着结构的柔性、可移动性和可控性增加的方向发展。以适应环境状况或执行方式的变化。

例如,键盘的演变,从最早的刚性键盘——铰链键盘(可折叠)——柔性体——液体/气体——校场键盘。电话的进化从不可移动的固话到现在的可移动手机等。

他表示,李克强总理这一次在两会上面没有直接提新能源汽车,但是提了智能制造与中国制造2025,工业4.0里面有一个核心叫智能产品,让这个产品具有自适应环境的自我控制的能力。所以他认为技术进化会向智能制造、自动控制的方向发展。

国家对电池模组提了新国标,对电池模组的尺寸做了规定,要做电池的模组标准化。其实汽车的底盘平台化、车身模具化、电子系统模块化一直都是汽车技术进化的方向。现在的电控系统,一个很大的问题是基本都是面向项目开发的,一个项目一款产品,会产生几个问题,第一开发周期非常长;第二售后服务的可维修性非常差,坏了之后根本没法修,想换一个局部零件换不了。

所以,标准模组的发展和控制系统的智能化是新能源汽车下一步进化趋势。

4.子系统不均衡与协调性进化方向

任何技术系统中的每一个子系统都是沿着各自的s曲线进化的,不同的子系统在不同的的时间点到达自己的极限,这将导致子系统间矛盾的出现,解决矛盾将使整个系统得到突破性的进化。

一个电池包是由电芯、高压控制器、BMS等若干个子系统构成的一个整体,每个子系统的技术系统不一样就形成了技术短板。只要把短板补足,整个系统的技术水平就能得到突破性的进化。

现在的电动汽车的技术系统里边最大的短板就是续驶里程,所以要补齐这个短板。一个是需要大容量的电池,另外还要考虑省电。

另外一个是散热问题,目前采取风冷、液冷以及相变材料进行制冷。风冷的效果不好,密封是个问题。液冷是把液体灌到电池箱里,也形成了一个技术矛盾,我们希望导热物质有更大的面积,但又希望重量更轻。那么体积大重量轻东西有没有?当然有,那就是多孔材料的运用。

5.超系统与微观级进化方向

技术系统进化到极限时,实现某项功能的子系统会从系统中剥离,转移至超系统,作为超系统的一部分;在该子系统的功能得到增强改进的同时,也简化了原有的技术系统。

最典型的例子就是无人驾驶的战斗机。以前的战斗机很麻烦,战斗机要设置一个驾驶舱,而且这个驾驶舱还要具有逃生功能。所以后来就把战斗机的驾驶系统剥离出来,出现了无人战斗机。

所以他个人以为电动汽车三电系统的集成是一大趋势。电池有一个大脑是BMS、电机里的大脑叫电机控制系统、整车有一个大脑是整车控制器,三电系统的集成面临的问题是通讯和衔接的问题。

第二方向是像车联网集成,比如自动驾驶功能,要让一辆汽车采集足够的信息去驱动自动驾驶,需要快速的去识别周围环境的信息和准确地进行大量决策,这实际是非常困难的事情,自动驾驶向车辆所在的交通系统集成可能是近期可实现的方向。

另外一个是减小元件尺寸的方向发展,东西会越做越小,自动化程度会提高,像日本推崇的功率半导体芯片。

为传递新能源汽车行业信息,增强群友间的交流,电动汽车资源网特别推出微课堂,从第一讲的反馈来看,效果较好。因此,我们也希望更多的行业专家、学者、企业精英人士以及新能源汽车爱好者成为微课堂的宣讲嘉宾!

欢迎行业人士广泛参与!联系方式:刘俏美 13723780453

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