新能源電動(dòng)重型載貨汽車應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析

張俊生，牛 斌，李達(dá)峰，王文君，殷傳峰

（1.山西省交通運(yùn)輸廳，山西 太原 030001；2.山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

在“雙碳”戰(zhàn)略、深入打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)、電動(dòng)汽車換道超車等新能源汽車?yán)谜呦?，國家又出臺(tái)了相關(guān)政策，比如《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》[1]明確提出了“加快充換電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”和“鼓勵(lì)開展換電模式應(yīng)用”，為電動(dòng)重型載貨汽車的研發(fā)和應(yīng)用提供了政策支撐。車用電池技術(shù)的不斷改進(jìn)發(fā)展、創(chuàng)新的商業(yè)模式為電動(dòng)重型載貨汽車提供了技術(shù)和市場發(fā)展路徑，為探究電動(dòng)重型載貨汽車發(fā)展趨勢和方向，本文對(duì)電動(dòng)重型載貨汽車技術(shù)發(fā)展、應(yīng)用現(xiàn)狀、充換電補(bǔ)能設(shè)施發(fā)展，以及存在的問題、潛在風(fēng)險(xiǎn)及發(fā)展趨勢進(jìn)行分析，提出現(xiàn)階段應(yīng)審慎考慮電動(dòng)重型載貨汽車的大面積推廣應(yīng)用，宜先行開展特定場景的試點(diǎn)示范。

1 電動(dòng)重型載貨汽車特點(diǎn)與技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

電動(dòng)重型載貨汽車在減污降碳、操作使用及補(bǔ)能成本等方面具有一定優(yōu)勢。電力驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)使用端零排放，具有噪聲低、振動(dòng)小、換擋易等特點(diǎn)，極大改善了駕乘體驗(yàn)。在部分應(yīng)用場景中，電耗成本遠(yuǎn)低于燃油車，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

電動(dòng)重型載貨汽車的關(guān)鍵技術(shù)集中于電池、電機(jī)、電控。動(dòng)力電池的價(jià)格、續(xù)航、充電時(shí)間和安全性等關(guān)鍵要素制約著整車的推廣。電動(dòng)汽車要求動(dòng)力電池同時(shí)具備高能量密度、快速充電、深度放電能力、長壽命、高安全性、低成本、免維修、低污染和易回收等一系列技術(shù)要求。目前，電動(dòng)重型載貨汽車的車用電池以磷酸鐵鋰為主，因?yàn)樵诎踩€(wěn)定性方面，磷酸鐵鋰電池比三元鋰離子電池有優(yōu)勢，且成本更低，但磷酸鐵鋰電池的理論能量密度大概在160 W·h/kg，導(dǎo)致其技術(shù)提升空間有限。通過對(duì)磁、電、熱耦合優(yōu)化以及超導(dǎo)、非晶高導(dǎo)低損材料的應(yīng)用，可有效提高電機(jī)功率密度，電機(jī)效率目前最高可達(dá)95%，功率密度可達(dá)3.8～4.0 kW/kg[2]。電機(jī)控制器的作用是通過對(duì)輸出電流、電壓和頻率的控制，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。電控系統(tǒng)伴隨著自動(dòng)控制理論、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的深入發(fā)展而逐漸成熟，目前，電動(dòng)重型載貨汽車的電控系統(tǒng)以MOSFET和IGBT為主流算法，電控系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)已經(jīng)基本成熟。

2 電動(dòng)重型載貨汽車充電設(shè)施需求

根據(jù)電動(dòng)重型載貨汽車的使用特點(diǎn)，設(shè)計(jì)符合其載重大、功耗高要求的動(dòng)力電池模塊，才能滿足運(yùn)輸需求。充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)經(jīng)過多年的政策扶持，已成規(guī)模。但是，由于早期規(guī)劃的局限性，產(chǎn)生技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、供給和需求未能恰當(dāng)匹配的問題。對(duì)于電動(dòng)重型載貨汽車而言，一般為用戶、運(yùn)營商或第三方投資建設(shè)的專屬充電樁，多為直流快充。大功率快充設(shè)施配置不足成為制約電動(dòng)重型載貨汽車推廣的重要因素。

充電模式具有顯著的優(yōu)勢。充電樁的電力供應(yīng)穩(wěn)定且充電技術(shù)難度較低，建設(shè)投入成本低；兼容性好，一般能夠向下兼容；充電樁功率低，接入電網(wǎng)容量小，對(duì)電網(wǎng)沖擊?。蝗斯げ僮靼踩喴?，無需考慮漏電等設(shè)施問題。但其劣勢也很明顯，如充電時(shí)間長，運(yùn)營低效，無法滿足長距離運(yùn)輸要求，充電模式重型載貨汽車采購成本較同級(jí)別燃油車價(jià)格高，電池自重較高，降低了載貨量，電池快充加速壽命衰減，電池更換成本高。

由于純電動(dòng)重型載貨汽車載重大、功耗高，如采用傳統(tǒng)的充電模式，每天需多次補(bǔ)充電能，補(bǔ)充時(shí)間約為2 h，導(dǎo)致運(yùn)營效率不高。作為城際貨運(yùn)的主力，重型載貨汽車多行駛于國省干線和高速公路，然而，受動(dòng)力電池容量和車型的限制，純電動(dòng)重型載貨汽車的續(xù)航里程在200 km以內(nèi)，加之途徑路線極少建設(shè)大功率充電設(shè)施，無法實(shí)現(xiàn)中長途運(yùn)輸。國內(nèi)外品牌純電動(dòng)重卡車型及充電時(shí)間如表1所示。

表1 國內(nèi)外品牌純電動(dòng)重卡車型參數(shù)

3 電動(dòng)重型載貨汽車換電模式發(fā)展

在補(bǔ)能方面，新能源汽車換電模式和快充模式相比，快充模式在現(xiàn)階段占有了一定優(yōu)勢，但電壓提升帶來安全性、對(duì)電池性能損害的問題，使得其存在發(fā)展局限。而換電模式在短時(shí)間內(nèi)限于技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)等因素，難以成為市場主流。但從長遠(yuǎn)角度來看，部分專家學(xué)者認(rèn)為若突破技術(shù)瓶頸，換電模式相較于快充模式更具有一定的戰(zhàn)略意義。

3.1 換電模式的優(yōu)勢

3.1.1 車電分離 降低購車成本

車電分離可以實(shí)現(xiàn)用戶只購買車輛主體，不購買電池，從而大大降低消費(fèi)者的購車成本。

3.1.2 消除里程憂慮 提升運(yùn)營效率

服務(wù)于沿海港口、大型物流園、礦區(qū)等地的重卡、礦卡耗電量高，單日補(bǔ)能次數(shù)更多；同時(shí)電池容量大，充電時(shí)間較長。采用換電后可有效提升運(yùn)營時(shí)間，實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)營。重卡電池普遍容量為282 kWh，續(xù)航里程150～200 km，按單日行駛里程300～500 km計(jì)算，單日需補(bǔ)能2次，快充補(bǔ)能時(shí)間為1～1.5 h/次，換電相比快充可為司機(jī)節(jié)省出2～3 h的工作時(shí)長，提升了盈利能力。

3.1.3 延長動(dòng)力電池壽命 提升安全性

電池由運(yùn)營商進(jìn)行統(tǒng)一管理，在適合的溫度下以穩(wěn)定的電流統(tǒng)一充電，可有效提高電池的安全系數(shù)。

3.1.4 利用峰谷電價(jià)差降低充電成本

專業(yè)電池運(yùn)營公司可以利用峰谷優(yōu)惠電價(jià)時(shí)段和錯(cuò)峰時(shí)段充電，從而實(shí)現(xiàn)最大的經(jīng)濟(jì)效益和削峰填谷的社會(huì)效益。

3.1.5 催生新的服務(wù)業(yè)態(tài)

未來可能出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)預(yù)約換電業(yè)務(wù)，車主通過相關(guān)軟件提出換電需求，換電車根據(jù)需求及時(shí)抵達(dá)，提供便捷的換電服務(wù)，或可催生新業(yè)態(tài)。

3.2 換電模式存在的問題

3.2.1 電路接口的可靠性問題

電動(dòng)汽車面對(duì)的是戶外大振動(dòng)使用環(huán)境，電池組在高電壓、大電流、強(qiáng)震動(dòng)的環(huán)境下，其換電接口部件壽命、安全、可靠性是需要考慮解決的問題。

3.2.2 新技術(shù)迭代和換代風(fēng)險(xiǎn)

新能源汽車動(dòng)力電池由小到大的組裝關(guān)系為：電芯-模組-電池包。新能源汽車車身與電池結(jié)構(gòu)技術(shù)，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為大致經(jīng)歷3個(gè)時(shí)代，即第1代傳統(tǒng)階段（電芯-模組-電池包-車身）、第2代CTP階段（電芯-電池包-車身）、第3代CTC階段（電芯-車身）。目前新能源汽車基本采用第2代技術(shù)，但被視為技術(shù)變革又一風(fēng)口的CTC電池車身一體化的第3代技術(shù)，已由特斯拉在柏林工廠正式投產(chǎn)的Model Y車型上實(shí)現(xiàn)。換電技術(shù)面臨第3代技術(shù)的挑戰(zhàn)和擠壓。

3.2.3 龐大的資金壓力與資源調(diào)配問題

為了實(shí)現(xiàn)換電的優(yōu)勢，讓車主體驗(yàn)其便利性，要求換電運(yùn)營商具備以下必要條件：足夠數(shù)量的換電站；投入巨額資金，配備足夠數(shù)量的備用電池；協(xié)調(diào)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈、不同廠家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；承擔(dān)電池技術(shù)迅猛發(fā)展帶來迭代和換代技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)和不確定性。

3.2.4 安全與責(zé)任界定問題

換電模式的發(fā)展有可能徹底改變汽車企業(yè)、能源企業(yè)和消費(fèi)者的三方結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)電池制造商和充電運(yùn)營商等參與方。在新商業(yè)運(yùn)行模式中，電池的日常維護(hù)工作由誰來承擔(dān)，當(dāng)出現(xiàn)安全問題時(shí)責(zé)任如何界定等都是有待解決的難題。

4 新能源重卡推廣風(fēng)險(xiǎn)及未來發(fā)展方向

4.1 重卡換電模式推廣的潛在風(fēng)險(xiǎn)

2020年9月，中汽協(xié)、電池產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、充電聯(lián)盟、一汽、上汽、東風(fēng)等20家企業(yè)，成立了車電分離生態(tài)圈建設(shè)[3]，旨在促進(jìn)換電平臺(tái)、技術(shù)、電池包等標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定。需要對(duì)相關(guān)企業(yè)的產(chǎn)品、車身型式、尺寸進(jìn)行兼容整合，才能形成統(tǒng)一的換電標(biāo)準(zhǔn)并執(zhí)行，短時(shí)間內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)。其次，存在經(jīng)營風(fēng)險(xiǎn)。換電站的建設(shè)及運(yùn)營是換電模式的核心，面臨審批難度大、選址與配電接入難、建設(shè)耗費(fèi)投資大、換電共享化與智能化推動(dòng)難、短期投資收益預(yù)期少等問題。換電模式應(yīng)用初期主要集中在城市出租、網(wǎng)約車等公共用車領(lǐng)域，重卡換電剛剛起步，其運(yùn)營模式、盈利邏輯還未清晰。最后，技術(shù)迭代風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過電池和汽車生產(chǎn)廠家的試點(diǎn)運(yùn)營，換電站在運(yùn)營和技術(shù)方面的風(fēng)險(xiǎn)已基本掌握并在可控范圍之內(nèi)，但隨著新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用也會(huì)帶來新的風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 新能源重卡未來發(fā)展方向

新能源重卡尚處于起步階段，市場也在按照不同的場景需求不斷變化，行業(yè)現(xiàn)在還不能將純電作為重卡唯一的發(fā)展方向。對(duì)于新能源重卡，現(xiàn)在無論是純電動(dòng)技術(shù)、還是氫燃料電池技術(shù)，都存在一些技術(shù)不成熟之處。未來到底是充電的純電動(dòng)，是換電的純電動(dòng)，還是氫燃料電池，亦或是甲醇燃料電池，可能還要隨著技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步觀察和探索。根據(jù)不同的應(yīng)用場景，需要制定不同的技術(shù)方案，比如：市政環(huán)衛(wèi)與城配物流等適合純電動(dòng)商用車及換電技術(shù)路線；氫燃料電池是長途貨運(yùn)車輛重點(diǎn)技術(shù)方向；增程式技術(shù)路線適合中、長途運(yùn)輸場景。在重載領(lǐng)域，氫燃料電池有一定的優(yōu)勢，被部分業(yè)內(nèi)人士視為重型商用車的終極路線。

5 結(jié)語

山西省僅大運(yùn)汽車開展了電動(dòng)重卡的制造，但不完全掌握電池制造、電機(jī)制造、電控系統(tǒng)、充換電技術(shù)、充換電裝備制造等上下游產(chǎn)業(yè)技術(shù)，有必要進(jìn)一步深入開展技術(shù)研發(fā)和市場調(diào)研。宜采用“典型引路”方式，在局部開展試點(diǎn)應(yīng)用，山西省一些礦區(qū)、場區(qū)已開始電動(dòng)重卡應(yīng)用嘗試，例如智慧交通產(chǎn)業(yè)園已結(jié)合自身區(qū)域、場景特點(diǎn)嘗試電動(dòng)重卡換電應(yīng)用探索，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)等諸多指標(biāo)尚需一定時(shí)間觀察總結(jié)。因此，建議審慎開展電動(dòng)重卡的大面積推廣應(yīng)用，待典型示范應(yīng)用取得一定成果、相關(guān)技術(shù)成熟、盈利模式清晰后，再適時(shí)導(dǎo)入中、長距離運(yùn)輸場景，進(jìn)行全面推廣。