燃料電池重型貨車整車開發主要矛盾辨析與應對研究

白雪松，宋 琳

（1.上汽集團商用車技術中心，上海 200438；2.上汽紅巖汽車有限公司，重慶 401122）

當前，“低碳”和“環保”作為引領未來車輛技術發展的兩個重要關鍵詞，已在全球形成普遍共識。根據2019 年中國向國際社會公布的2014 年國家溫室氣體清單，交通運輸溫室氣體排放8.2 億t CO當量，占全國溫室氣體排放總量的6.7%，其中道路運輸在整個運輸領域占比高達84.1%，而中重型商用汽車又在道路運輸中占比達46.9%；在污染物排放方面，全國機動車4 項污染物排放總量為1 603.8 萬t，其中重型貨車在各類型汽車中的NO排放量占比高達74%，顆粒物（PM）排放量占比為52.4%。雖然中重型貨車在全國機動車總數中的比重極少，但卻是溫室氣體及污染物排放的主要貢獻者，且在履行《巴黎協定》承諾，展現大國擔當，建設生態文明社會的國際國內大背景下，勢必成為今后減排降污的關鍵對象。加快以柴油燃料為主的中重型貨車向電動化轉型是解決上述問題的主要途徑，純電動與燃料電池是實現電動化轉型的兩個最重要的技術路線。首先介紹了純電動路線在長途重型貨車上的應用痛點，強調長途重型貨車更適宜采用燃料電池的技術路線，并進一步分析燃料電池重型貨車在整車開發中遇到的主要問題，即過低的車載儲氫量導致的低續駛里程，并提出相應的解決方案。

1 未來重型貨車極有前途的氫燃料解決方案

得益于國家政策的推動，近十年來商用汽車在電動化進程中取得了迅猛的發展。我國商用汽車最先在公共領域啟動電動化，采用了純電動的技術路線。目前，新增的城市公交客車，純電動化率占比已高達90%以上，貨車領域電動化主要集中在環衛車和城市輕型物流配送車上，近期還出現了一些如港口牽引、城建渣土、廠區運輸等特定場景的換電式純電動貨車。總體來講，當前商用汽車電動化發展以純電動為主，且貨車領域電動化滯后于客車領域，尤其是長途（500 km以上）重型貨車，幾乎鮮有電動化車輛的蹤跡。

1.1 長途重型貨車宜采用氫燃料電池方案

回顧過往，長途重型貨車在電動化進程中長期停滯不前，在充分考慮了續駛里程，充、換電的方便性和電池附加質量后，大多數企業似乎已放棄了純電動的技術路線。目前，行業內更傾向于在長途重型貨車上采用燃料電池（本文特指氫燃料質子交換膜燃料電池）的技術方案，并且近三年在氫能上下游供應鏈、關鍵零部件與技術開發方面都有了很大的突破，投資及產業化步入了快速發展期。

和純電動路線相比，燃料電池路線在長途重型貨車上的應用具有如下優勢：一是能量補給優勢，相比較鋰電池充電，氫氣加注更快；二是續駛里程優勢，同等系統質量下，燃料電池系統比純電動系統能量密度更高，續駛里程更長，對于長途運輸場景，這兩點尤為重要。此外，氫作為理想能源，可通過適當的生產途徑最大限度地減輕對環境的影響，實現車輛上的絕對零排放，而鋰電池從最初的礦物開采到報廢處理，都會給環境帶來較大負擔。

某42 t 長途牽引汽車采用純電動路線，電池容量為400 kWh（在目前的水平以上），電池系統質量超3 t，滿載每百公里耗電量為160 kWh，考慮電池系統要保留必要的剩余電量（SOC 為20%），車輛在運行200 km 后（約2.5 h）需立刻充電。目前，面向大中型商用汽車的高功率充電樁，常用功率為150 kW，也有更大功率的充電樁（如180 kW、240 kW、360 kW 等）。使用大功率充電需考慮對電池壽命的影響，即使忽略此點，充電也需要1 h以上，不適合長途重載運輸工作場景的需求，與高效、快速的客戶需求產生了突出的矛盾。當下國家電力投資集團公司推出的換電模式方案，采用寧德時代鋰電池，適合重型貨車運輸的電池容量有282 kWh、350 kWh 等，雖然約5 min 便可完成自動換電，但是同等電量下，換電系統質量更大，且一輛車需數個電池系統配套，目前僅在固定路線場景的中短途貨車上使用，應用于長途貨車并非明智的選擇。

雖然氫氣具有負的焦耳—湯姆森效應，導致充氣時瓶內溫度升高，同時增大加注質量流率也會導致瓶內升溫速率指數增長，進而影響加注能耗與瓶內加滿度，甚至影響瓶內材料屬性，但是燃料電池汽車（Fuel Cell Vehicle，FCV）仍具有純電動汽車無法比擬的能量加注優勢，從而適用于長途重型貨車。有加注試驗顯示，對某35 MPa 的物流車輛加注，3 個車載氫瓶總容積為420 L，耗時470 s 加注氫氣8.21 kg，加滿度SOC 為88%；對某70 MPa乘用車進行加注，耗時276 s，且經過3次檢漏后加注氫氣5.08 kg。長途重型貨車對車載儲氫量要求遠大于上述兩類參照車輛，加注流量也會更大，仍以42 t 長途牽引汽車為例，為滿足500 km 的續駛里程，大約需要50 kg的儲氫量（工程可實現），在團體標準《燃料電池汽車高壓氫氣加注技術規范》意見稿中，對于儲氫量大于10 kg的車輛，要求加注流程不得超過120 g/s，依照當下水平可實現20 min內充滿，且續駛里程遠超純電動方案，基本滿足客戶對高效、快速的需求。

即便如此，一些學者對燃料電池在重型貨車上的應用前景仍持謹慎態度，其觀點主要是從燃料電池的可靠性、價格、使用經濟性以及是否真正實現節能減排的角度考慮。第一，燃料電池的可靠性（壽命）以及價格等是影響市場化應用的重要因素。隨著近幾年國家對燃料電池及其上下游產業鏈的政策扶持，行業對其研發與產業化的投入，燃料電池在可靠性與價格方面均有長足進步，有理由相信這兩方面不會成為未來大規模應用的障礙；第二，應該認清燃料電池為道路運輸提供了一個不同于傳統柴油燃料的解決方案，以解決嚴重的溫室氣體和污染物排放問題，這是其意義所在，而不是從整個生命周期的經濟性及能量消耗的角度出發，得出燃料電池汽車優于傳統柴油汽車的結論，恰恰相反，燃料電池汽車相比于柴油汽車在整個生命周期的經濟性及能量消耗上將在很長時間內處于劣勢；第三，氫燃料電池雖是絕對的零排放，但氫卻是一種工業產品，在生產過程中會帶來一定的碳排放及環境污染，從碳排放角度考慮，氫的生產及運輸途徑至關重要，它決定了車輛的整個“井到輪”（Well-to-Wheel，WTW）過程是否真正實現了節能減排，而不是自欺欺人，這為燃料電池真正實現節能減排提出了一些限定條件，為行業發展指明了正確方向。

關于第三點，眾多學者做了分析與評估。LIU Feiqi 等通過中國案例評估了未來燃料電池道路運輸車輛的部署對溫室氣體（Greenhouse Gas，GHG）排放的影響，指出如果FCV 在中國的銷量在2050年達到800萬輛，與無FCV的情況相比，整個道路車輛的GHG排放量將減少約13.9%，重型貨車在其中的貢獻率約為1/5，同時強調制氫途徑在未來將至關重要，如果使用低效的氫氣路徑，FCV可能無法真正實現減排目標，只有清潔能源才能減少GHG 的排放量。WANG Qun 等通過對WTW的分析，估算了2017-2030 年中國12 條氫路徑下FCV 的WTW 化石燃料消耗，與傳統內燃機相比，11 條路徑均能減少化石燃料消耗（減少約11%～92%），而通過國家電網的現場水電解制氫，化石燃料消耗反而增加了10%，這是因為目前電網2/3以上電力仍由火電產生。在不久的將來，考慮到氫仍將主要由化石燃料生產，充分利用工業副氫將有助于中國的低碳發展，而從長遠來看，氫氣通過可再生能源供應才是確保脫碳、清潔以及可持續的正確方向。?ABUKOGLU 等通過對瑞士全國的道路運輸重型貨車進行分析研究，考慮到每輛車的日常運行模式來評估FCV應用的可行性，指出氫燃料電池技術是一種非常有吸引力的重型汽車減排方案，但需要大量的投資來確保氫氣的綠氫屬性，同時在白天要有足夠的機會獲得氫補給。

胡浩然等指出，氫氣在制備、存儲和運輸方面面臨的挑戰遠大于燃料電池系統的技術和成本，不能滿足商用汽車的要求，而固態氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）由于具有超過60%的最高能源轉換效率和使用燃料的多元性，所以是車用動力的最佳選擇，值得持續關注。

1.2 純電動與燃料電池路線互為補充關系

在貨車電動化的路線選擇上，純電動與燃料電池不應是零和關系，而是不同應用場景與不同減碳途徑互為補充的關系。

第一，實踐證明了純電動路線在中短途運輸領域，尤其在公共領域的應用是成功的。例如，在城市環衛車輛上的廣泛應用，規模化的應用帶來了技術的進步與價格的進一步降低，純電動路線會在一段時間內比燃料電池路線更具價格優勢。隨著燃料電池技術的逐步成熟與成本的下降，預測FCV會漸進式進入純電動汽車的應用領域。由于燃料電池路線更適合應用于長途重型貨車，從而形成與純電動路線互補的覆蓋更多應用場景的格局。

第二，純電動與燃料電池汽車均能起到電力消納的作用，純電動汽車的電力主要來源于國家電網，在電力負荷低谷時（如夜間）進行充電能達到很好的收益。燃料電池的氫氣燃料來源于多種途徑，更重要的是氫氣作為一種能量載體，對解決電力消納，尤其是走出可再生能源的消納困境意義深遠，可削弱可再生能源的隨機性與間歇性的影響，減少“棄電”情況的發生，對推動以可再生能源為主體的綠色、低碳能源體系建設這一國家戰略意義重大。

第三，燃料電池系統比龐大的純電動電池系統環境更友好。從材料應用上看，燃料電池和氫瓶本身的危廢量較為有限，而質量巨大的鋰電池系統含有眾多的污染物，且當前普遍存在正規回收率低、回收處置不當、污染控制不力等問題，這極有可能使鋰電池在生產和再生過程中產生的污染物進入自然環境。隨著純電動普及化率的提高，鋰電池環境安全問題將逐漸凸顯，這可能是未來燃料電池在全領域挑戰純電動的突破口。

2 燃料電池重型貨車的發展現狀與主要矛盾

2.1 氫燃料電池重型貨車發展現狀

當前，世界主要汽車大國都把燃料電池重型貨車作為重要戰略發展方向之一，然而發展的道路并不順暢甚至充斥著一些夸大宣傳。2016年末，美國尼古拉公司展出了一款名為Nikola One 的燃料電池原型車，這款8 級、總質量36 t 的車輛宣稱一次加氫可達到近2 000 km 的續駛里程，甚至每百公里氫耗低于5 kg，所以單車儲氫量需達到100 kg 以上，并計劃2020 年投入量產。“光鮮”的數字一時牽動眾人的神經，大家對Nikola One 如何實現如此低的整車能耗與大質量的儲氫技術滿懷期待，若真能實現，無疑是行業的巨大進步，然而時至今日，尼古拉也未實現當初所謂的技術承諾，反倒是負面信息不斷被披露。

歐洲老牌商用車企業如奔馳、沃爾沃等，也在積極探索燃料電池重型貨車在不同場景中的應用，中國貨車企業也在近兩年開啟了FCV 開發的熱潮，幾乎都做出了樣車和試運營車輛，這些企業比尼古拉公司似乎走得更穩些。表1 列舉了國內外一些燃料電池貨車的開發情況。

表1 國內外燃料電池重型貨車開發情況［13-14］

國內長途重型貨車市場主要以半掛牽引車、重型載貨汽車和中置軸車為主，截止到345 批公告（2021年7 月），查詢顯示，驅動形式為4×2 與6×4 的燃料電池半掛牽引車公告數量為25 個，未查詢到燃料電池重型載貨汽車與中置軸車的車輛公告。表2 列出了部分牽引汽車公告型號，以及環保信息公開數據所公布的鋰電池容量及續駛里程數據，據了解，該續駛里程多采用40 km/h等速法進行申報，車輛在實際道路上運行時，實際續駛里程將遠低于該里程數。目前國內的普遍水平，是單次加氫的續駛里程只適合城市配送（200 km 以下）及中短途運輸（200～500 km），不能滿足更長路程（500 km以上）的運輸需求。

表2 國內燃料電池牽引車公告及參數

2.2 主要矛盾——低儲氫量帶來的低續駛里程

從整車開發角度看，當下最突出的問題是低儲氫量所帶來的低續駛里程，不解決這一主要矛盾，便不能實現燃料電池在長途重型貨車上的成功應用。車輛低儲氫量的根本原因是氫氣過低的體積儲氫密度。

在眾多燃料中，同質量下氫氣所含能量（120 MJ/kg）是最高的，為柴油所含能量（約為43 MJ/kg）的3 倍，這是氫氣的優勢。然而，從體積能量密度比較，情況則正好相反，柴油為36 MJ/L，而液態氫約為8 MJ/L，氣態氫更低，分別為4.8 MJ/L（70 MPa）和2.8 MJ/L（35 MPa），這意味著為了和柴油含有同等的能量，氫氣（35 MPa）所占體積將是柴油的12.8倍。幾種燃料的質量能量密度與體積能量密度之比，如圖1所示。

圖1 基于低熱值的幾種燃料能量密度比較［15］

為滿足高壓需求，氫瓶需要有厚厚的外殼，呈內膽加纖維纏繞層結構，分別是鋁內膽纖維纏繞瓶（Ⅲ型氫瓶）和塑料內膽纖維纏繞瓶（Ⅳ型氫瓶）；此外，柴油存儲于方形油箱內，在車輛上布置方便且空間利用率極高，高壓氫瓶為細長形膠囊狀，膠囊形狀空間利用率較低。相對于整個儲氫系統體積，這兩個因素更加劇了空間儲氫密度的大幅降低。

膠囊形氫瓶結構如圖2 所示。圖中，為氫瓶空腔半徑，mm；為氫瓶外半徑，mm；為氫瓶長度，mm；為氫瓶圓柱部分長度，mm。

圖2 膠囊形氫瓶簡圖

氫瓶所占長方體空間體積為：

式中：

膠囊形狀空間體積計算公式為：

把和代入式（3），可分別得到氫瓶的空腔部分容積（水容積）和氫瓶所占空間體積。根據斯林達某3 款典型氫瓶參數，按上述方法計算可得出體積儲氫密度，見表3，表中氫瓶存儲水容積、儲氫量通過測試已知。

表3 貨車用典型氫氣瓶體積儲氫密度對比

目前普遍使用的35 MPa 氫瓶，對比所占長方體空間，儲氫密度約為13.5 g/L，體積能量密度約為1.62 MJ/L。考慮油箱包裝空間的柴油體積能量密度約為36×90%=32.4 MJ/L，所以在相同儲能下，氫氣存儲空間需求約是柴油的20 倍，對于各類長途重型貨車，在不影響貨物空間及載貨量的情況下，這幾乎是無法實現的。基于以上分析，目前燃料電池重型貨車車載能量遠低于柴油汽車，續駛里程也遠低于柴油車。

如圖3 所示，通過簡單地增加氫瓶數量來提高續駛里程，不但影響了掛車的前回轉半徑，同時大大增加了車輛整備質量，降低了運輸效率，不能體現先進的技術發展方向。

圖3 某國產牽引汽車氫瓶布置

3 提升整車續駛里程應對研究

當前，亟待通過各種方法來提升燃料電池重型貨車的續駛里程，以滿足長途運輸場景的需求，只有這樣才能進一步推動試運營工作的展開，為實現更長期的碳減排目標走出關鍵的一步。提升對策應基于兩個前提：首先，可以在一定時期內能實現，要具有可操作性與現實意義；其次，要有一定的前瞻性，能代表先進的技術發展方向。

圖4分析總結了影響整車續駛里程的主要因素，為提升續駛里程需從以下三方面出發制定相應對策：一是車載儲氫量盡可能地大；二是降低車上能量損耗，以便能有更多的剩余能量來驅動車輛，獲得更大的續駛里程，其中包括提升電堆及燃料電池系統的效率，提升各類機械系統、電力電子系統效率，減少各種輔助系統（如空壓泵電機、轉向泵電機）的負載功率損耗等；三是降低車輛的行駛阻力（主要降低車輛的空氣阻力）。

圖4 車輛續駛里程影響因素分析

以上分析忽略了鋰電池容量、車輛輕量化，以及先進的能量管理策略對車輛續駛里程的影響。匹配更大容量的鋰電池固然能增加續駛里程，但也占用了更大的車輛布置空間，從而增加車輛的整備質量，這與“大功率燃料電池＋小容量鋰電池”能量跟隨型混合功率模式的發展趨勢相悖。輕量化技術能帶來運輸效率的提升，在相同的載貨量下，整車總質量更低，行駛里程更遠，本文不做過多敘述。有研究表明，通過考慮現實場景來驗證能量管理策略并獲得穩健的設計，同時實現氫經濟性與系統壽命的多目標優化，對于某明確的目標車輛，利用現有駕駛信息最大化氫經濟性，有助于降低車輛能耗、增加續駛里程。先進的能量管理策略是提升續駛里程的有效手段，穩健的策略會涉及到具體的車輛和道路信息，本文也不展開論述。

如圖4 所示，電堆效率及燃料電池系統效率過低是帶來能量過多浪費的關鍵，當前電堆的效率大約為50%～65%，燃料電池系統的效率更低，普遍為40%～55%。然而，要提升電堆及電池系統的整體效率水平，需依靠關鍵材料的技術突破，依靠電池系統本身的技術進步，整車企業作為應用單位，似乎無能為力。可以做到的是讓燃料電池盡可能工作在高效率區域，來提升氫經濟性與整車的續駛里程。

下文將重點在提高車載儲氫量與降低車輛行駛能耗（主要指降低空氣阻力）兩個方面進行探討，分析對整車續駛里程的影響，從整車角度出發，具有可操作性與現實意義。

3.1 提高車載儲氫量

提升車載儲氫量是最直接的增加續駛里程的方法，然而由于儲氫體積密度的影響，儲氫量并不容易增加。開發推進車載儲氫技術的發展，為車輛提供足夠的氫氣能源，使燃料電池汽車能夠滿足客戶對續駛里程、貨物空間、加注時間和車輛性能的期望，是當前一項緊迫且重要的工作，為此，美國能源部氫能和燃料電池技術辦公室（HFTO）為行業指出了兩條戰略路徑，近期側重于高壓存儲，使其能夠達到70 MPa 的壓力，遠期則向深冷高壓儲氫和基于材料的儲氫技術方向發展。

當前，國內普遍采用35 MPa Ⅲ型氫瓶，70 MPaⅢ型氫瓶也已經開發出來，由于受到加氫站加注壓力等諸多因素的限制，所以應用得還較少。而70 MPa Ⅳ型氫瓶，由于采用塑料內膽，使氫瓶重量有了顯著降低，必將替代Ⅲ型氫瓶。目前，開發70 MPa Ⅳ型瓶遇到的最大瓶頸是在儲氫瓶口與出口閥的結構部位，如何通過設計來確保閥門在高壓下不會像炮彈出膛一樣被沖出，對可靠性與安全性的要求更加突出。至2021年上半年，據報道，僅有斯林達70 MPa Ⅳ型氫瓶通過了國家安全認證。

根據表3 計算結果，采用70 MPa Ⅲ型氫瓶替代目前普遍使用的35 MPa Ⅲ型氫瓶，相對包裝空間的（長方體）體積儲氫密度將由13.5 g/L增加到18.2 g/L，儲氫量是原來的1.35 倍，低于氫氣在兩種氣壓下同等體積的質量差距（約39.9/23.8=1.67倍），這是由于Ⅲ型瓶在提升到70 MPa 后，氫瓶厚度大幅增加所致，造成腔內水容積對比氫瓶體積（膠囊型體積）密度變小。如果采用70 MPa Ⅳ型氫瓶，相對包裝空間（長方體）體積儲氫密度可達20.6 g/L，相同布置空間下，是35 MPa Ⅲ型氫瓶儲氫量的1.53 倍。如表1 所示，長城（未勢能源）6×4牽引重型貨車，采用斯林達70 MPa Ⅲ型氫瓶，并將其雙排布置在駕駛室后側，每排上下5 個，總的水容積為198 L×10，按70 MPa的密度40 g/L 計算，儲氫量近80 kg，該車驗證了同類牽引汽車的空間儲氫能力，待70 MPa Ⅳ型氫瓶的技術成熟后，車載儲氫能力可接近90 kg。現階段國內商用車用氫瓶的規格參數見表4，其中包含70 MPa Ⅲ型瓶和Ⅳ型瓶。

表4 國內氫瓶規格參數

液氫就其本身密度而言，擁有比氣態氫更大的體積儲氫密度，約為70 g/L，這里不含儲氫裝備的體積。根據對奔馳GenH2 燃料電池概念車的介紹，將兩個液氫存儲裝置布置在牽引車車架兩側，不占用駕駛室后側空間，便可達到80 kg的車載儲氫量。從2021 年中國電動汽車百人會年會高層論壇獲悉，國內福田搭載億華通電池的某8×4 載貨車樣車，采用液氫系統，可達到1 000 km 的連續行駛。然而，這種探索性方案似乎比高壓儲氫方案離客戶的距離更遠，要實現車載液氫商業化應用首先要跨過兩大障礙：一是氫氣液化消耗的能量約占氫氣初始能量的25%～40%，因此在不保證氫氣以及提供液化氫氣能量是綠色的前提下，任何車輛的提前布局都是無意義的；二是液氫存儲的安全性以及道路運輸危險化學品的屬性。

相比氣態及液態儲氫，固態儲氫具有體積儲氫密度大的優勢，對于儲氫布置空間緊張的重型貨車，提供了一種增大車載儲氫量及續駛里程的可能，而不足之處是目前普遍質量儲氫密度過低，導致整車整備質量的增加，降低運輸效率，同時需要適當的能量才能讓氫氣釋放。表5 介紹了不同儲氫形式的質量與體積儲氫密度的對比。

表5 不同儲氫形式及參數對比［17-18］

日本豐田公司等企業很早之前就提出高壓復合儲氫罐的概念，即在高壓罐內存儲一定量的氫化合物（一體式），從而實現氣-固混合儲氫。周超等介紹了NaAlH和AlH是未來極具發展潛力的高壓儲氫材料，可有效提升高壓儲氫體系的質量儲氫密度和體積儲氫密度；徐雙慶等通過建立模型進行數值分析，得出某國產70L 35MPa 氫瓶，通過填充40%的MH 固態氫化物，能獲得與70 MPa氫瓶相當的體積儲氫密度（40 g/L），目前未發現對Ⅳ型氫瓶的氣-固混合儲氫模式的研究。

隨著新材料技術的發展，如果能發現一些更高質量儲氫密度，吸/放氫焓變量更小，易活化且壽命足夠的固態氫化物，車載儲氫有可能會向固態儲氫模式或車載固-氣混合儲氫模式演進。

按照不同儲氫狀態對典型牽引車的儲氫系統進行空間布置，以此探討車載儲氫能力。選取駕駛室后側車架上端為布置空間，要求儲氫系統向不超過1.2 m，寬度為2.5 m，考慮布置高度不能超出車輛總高度4 m 的限值及駕駛室的最高點，選取布置空間向高度為2.6 m，整個布置空間長方體體積為7.8 m，可布置10 個高壓氫瓶，或2 個圓柱狀液氫罐，該評估簡化了液氫罐復雜的附件結構，假定其他附件安裝于罐體軸向而不影響液氫罐在車上的雙層布置。不同儲氫狀態車載儲氫能力評估如圖6 所示，評估顯示：液氫儲存比氣態高壓儲存在儲氫能力及系統質量上均有很大的優勢，能給車輛帶來更大的續駛里程；如果采用固態金屬氫化物儲氫，并達到和液氫相同的儲氫量，需求空間會大幅減小，考慮固態儲氫材料氫的質量密度一般在1%～4.5%左右，僅材料本身質量就可能在3.1～14 t，系統質量則＞4 t，車輛可能無法承受。固態氫化物車載儲氫技術目前仍處于探索階段，還有許多亟待解決的問題，不僅要找到適合車載的固態儲氫材料，同時還與罐體的結構有關，如需要解決罐體的體積膨脹、傳熱、氣體流動等問題，有必要加一個大容積的“蓄氣池”，這將消減其空間上的布置優勢。從實現商業應用的難度考慮，車載氣態儲氫易于液態儲氫，車載固態儲氫商品化道路更遠。

3.2 降低整車空氣阻力能耗

車輛在行駛過程中，各種運動阻力所消耗的功率共同作用來影響整車的能量消耗率，分別是滾動阻力功率，空氣阻力功率，坡度阻力功率及加速阻力功率，總的阻力功率（kW）為：

式中：為車輛總重量，N；為滾動阻力系數；u為車速，km/h；為空氣阻力系數；為車輛迎風面積，m；為道路坡度，%；為汽車旋轉質量換算系數；為車輛總質量，kg。

車輛行進時，時刻影響功率消耗且總能耗巨大的為滾動阻力與空氣阻力兩部分。滾動阻力主要的外部影響是滾動阻力系數，滾動阻力系數與輪胎及行駛路面情況相關，可改善的空間有限；而空氣阻力大小主要受車輛的空氣阻力系數與迎風面積以及車速的影響，由于我國貨車駕駛室基本都采用平頭式，且在過去很長時間對列車的氣動造型不夠重視，造成如今空氣阻力系數偏大的現實，存在巨大的優化空間。降低空氣阻力主要從兩個方面展開：一是為車輛加裝減阻附件，二是新開發更具流線型、空氣阻力系數更優的駕駛室。

表6 不同儲氫狀態車載儲氫能力評估對比

楊帆等通過對牽引車與掛車車身連接處以及貨箱尾部兩處增加減阻附件，減弱貨箱前部氣流分離和尾部渦量，實現貨車空氣阻力系數降低16.2%；王慶洋等對某款平頭重型牽引車進行了詳細的研究對比，在牽引車區域、牽引車與掛車間距區域和掛車尾部區域等3 個氣動敏感區域，分別加裝不同類型的減阻附件（圖5），得到最佳減阻附件組合，且減阻率達到27.4%；晏強等對4 種不同類型的駕駛室模型進行外流場分析，得出具有更大傾角的前圍，且A 柱采用流線型設計，整車空氣阻力系數比常規平頭車降低15.2% ，達到0.415；國內如重汽黃河X7 車型采用A 柱后傾，且前懸加長的流線型設計，通過匹配低空氣阻力掛車，使整車空氣阻力系數低至0.4以下；歐洲新一代達夫牽引車也采用大傾角流線型造型，盡可能降低空氣阻力，其造型已經不同于常規的平頭駕駛室；奔馳GenH2 概念車也采用了更具流線型的車身造型，以及電子后視鏡來降低空氣阻力（圖6），根據已有研究可知，傳統后視鏡影響空氣阻力占比約4.15%，不可忽視。

圖5 多種氣動附件的組合模型［21］

圖6 奔馳與達夫概念貨車造型

當前國內主流牽引車，前導流板、頂部導流罩、后側導流罩等都已成為標配，整車空氣阻力系數大約在0.6 左右的水平，而掛車前氣動附件、掛車尾部氣動附件、掛車底部導流裝置等少有應用，同時牽引車與掛車匹配性較差，中間間隙較大影響了中間渦流的產生，這幾點為進一步降低整車空氣阻力系數提供了很大的空間。

一直以來，中國和歐洲對不同類型貨車的總長度均有法規上的限值，因此，為實現貨物裝載及運輸效益的最大化，都不約而同地選用了平頭駕駛室造型，然而與前部大弧度、大傾角的造型風格相比，方方正正的平頭駕駛室在氣動造型上具有天然的劣勢。為了更大限度地降低燃油消耗，提升整車效率，歐盟通過（EU）2015/719法規來鼓勵引入新的空氣動力學駕駛室，可以在不減少貨箱長度的前提下，允許駕駛室適當增加一定長度，使前圍和前擋風玻璃具有更大的傾角，以此獲得更優的氣動造型，同時允許整車長度有相應的增加。歐盟法規（EU）No 1230/2012（歐盟對車輛的質量和尺寸型式批準要求的規定）在2019 年12 月對涉及到的空氣動力學駕駛室補充了型式認證要求，該要求把空氣動力學駕駛室分為兩類：一是安裝了前空氣動力學裝置的駕駛室，二是更具流線型的加長型駕駛室，并于2020 年9 月1 日起正式實施。歐盟相關法規的動向基本明確了下一代貨車的發展方向，既鼓勵引入空氣動力學駕駛室，如圖6 所示，達夫新款駕駛室造型，采用前懸加長的流線形設計，驗證了歐盟發展新動向。歐洲貨車長期以來是我們的風向標，空氣動力駕駛室也將是我們的發展方向，基于這一前提，新一代駕駛室采用更具優勢的氣動造型，還有很大的降低空氣阻力的空間。

圖7顯示了在兩種空氣阻力系數下，基于等速行駛工況，車輛的空氣阻力能耗在總行駛能耗（空氣阻力+滾動阻力）中所占的比重，以及對續駛里程的影響。該車型為42 t 高速長途牽引車，迎風面積=9.86 m，整車空氣阻力系數通過CFD 仿真得出=0.597，符合目前的普遍水平，輪胎采用315/80R22.5的同時采用ISO 28580測試法，忽略車速的影響，得到其滾動阻力系數=0.005，此時假設整車在經過優化后，空氣阻力系數達到0.4，不同類型阻力功率對應的計算公式參照式（4），其中兩車滾動阻力功率在相同車速下一致。可以看到，車輛行駛速度越大，空氣阻力能耗所占比重愈大，空氣阻力系數降得越低對整車降耗的作用愈明顯。對于高速牽引車，常用車速為70～90 km/h，通過空氣阻力系數優化可增加續駛里程約18%。

圖7 兩種空氣阻力系數下能耗與續駛情況對比

3.3 續駛里程的評估

國內牽引車整車總質量普遍在40～49 t，在公路運輸車輛中總質量最大，對于其高速公路運輸工況的實際油耗，目前有充足的實際測量數據，普遍油耗在30～36 L，由于同類別燃料電池汽車無相應的統計數據支撐，可按式（5）～（6）進行氫耗估算：

式中：為柴油車某實際工況路段下的行駛能量需求（滾動阻力、空氣阻力、加速、爬坡）；為燃料電池汽車同路段下的行駛能量需求，兩者理論相同；為燃料消耗量，kg/（100 km），燃油車油耗保守取值36 L/（100 km），約29.88 kg/（100 km）；為燃料低熱值，氫為120 MJ/kg，柴油為43 MJ/kg；為輪胎前的所有效率綜合值，柴油車取值=40%，燃料電池車輛效率高于柴油車，保守取值=45%，根據式（5）～（6）得出同類燃料電池牽引車的氫耗在該路況下約為9.5 kg/（100 km）。

因此，燃料電池長途牽引車，在當前車輛能耗狀態下，如果采用70 MPa 氫瓶，車載儲氫量達到90 kg，車輛續駛里程可達900 km 以上。隨著燃料電池技術的發展及系統效率的繼續提升，以及新一代更優氣動造型駕駛室的開發應用，整車續駛里程將會進一步提升，可超出1 000 km。根據《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》，到2030年，新能源汽車的續駛里程能夠達到800 km。

3.4 加氫站配套是關鍵

隨著技術的進步，燃料電池貨車在可預期的將來能達到不錯的續駛里程，但同時也應深刻認識到，加氫站的快速發展與合理布局才是解決氫能與燃料電池汽車產業可持續性健康發展的根本舉措，是氫能健康發展中不可或缺的關鍵環節。燃料電池汽車在我國剛剛起步，加氫站布局發展體系也未成形，在技術和經驗上與國外尚有不小差距，需要有針對性地朝著布局規模化，技術和設備自主國產化，以及操作流程安全化的方向發展。

4 結論

本文指出了燃料電池重型貨車整車開發面臨的主要矛盾、難點、結論及展望，結論如下：

（1）當前燃料電池重型貨車整車開發的主要矛盾，是低車載儲氫量所帶來的低續駛里程問題，使之無法與柴油車相比擬，不能很好地適用于長途運輸場景，根本原因是氫過低的體積存儲密度。

（2）在相同的車載能量下，H（35 MPa）存儲空間需求約是柴油的20 倍，對于各類貨車，在不影響貨物空間及載貨量的情況下，這幾乎是無法實現的目標。

（3）當前，努力提升車載儲氫量和降低車輛行駛能耗（主要指空氣阻力能耗）是提升續駛里程的兩個最有效且具有操作性的方法；應用70 MPa Ⅳ型氫瓶，在同樣包裝體積下，儲氫量是35 MPa Ⅲ型氫瓶的1.53倍，對于牽引車在駕駛室后布置雙排氫瓶，可實現90 kg的車載儲氫量。

（4）目前駕駛室和整車的普遍空氣阻力系數偏大，通過增加氣動減阻附件，以及開發新一代流線型駕駛室，來降低車輛空氣阻力能耗，估計能增加續駛里程18%。

（5） 根據《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》，燃料電池重型貨車到2030 年達到800 km 的續駛里程是能夠實現的。