雙碳目標背景下商用車能源與動力系統技術進展

劉永濤，曹瑩，劉傳攀，張德穎，劉湘安，喬潔，羅耿

（長安大學汽車學院，西安 710064）

世界氣象組織（World Meteorological Organization，WMO）、美國國家海洋和大氣局（National Oceanic and Atmospheric Administration， NOAA）等機構發布數據，截至2021 年5 月，全球CO濃度已從19 世紀50 年代1.24×10mol/L 持續增長至1.87×10mol/L，截至2021 年，全球平均氣溫已比19 世紀50 年代高出1.11 ℃。在此背景下，2020 年9 月，我國提出二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，力爭2060 年前實現“碳中和”，被稱作碳達峰、碳中和“雙碳”目標。

由國家統計局、中國海關等數據可知，近十年，我國原油、天然氣對外依存度逐年上升，2015年原油對外依存度首破60%，2018 年突破70%；2011 年天然氣對外依存度首破20%，2013 年突破30%，2017 年突破40%，如圖1～2 所示。因此，“雙碳”目標背景下發展新能源、做好碳減排已迫在眉睫。

圖1 2010-2021年中國原油對外依存度

由中國汽車工業協會統計數據，如圖3 所示，整體來看，2006-2021 年期間我國商用車銷量逐年增長，且增長幅度反復波動，其中，2020 年銷量513.3 萬輛，為近15 年來最高銷量。此現象的出現主要受政策激勵和疫情影響，具體原因如下：（1）2020 年全國各地加快了淘汰國三車的步伐，以及嚴格超載等標準；（2）按軸收費方案出臺；（3）后疫情時代下快遞等物流行業逐漸恢復活力。

圖3 2006-2021年我國商用車銷量及增長率

根據中汽信息科技有限公司（以下簡稱“中汽信科”）整理的資料可知，交通運輸業中，我國汽車全生命周期碳排放約占碳排放總量的80%，而商用車碳排放量已達到總量的56%，其中，重型貨車、客車和輕型貨車的碳排放量分別占73%、18%和9%，如圖4所示。因此，明晰“雙碳”目標背景下商用車能源與動力系統技術進展對我國“雙碳”目標的施行具有重要意義。

圖4 商用車各車型碳排放所占比例

近年來，標準升級、排放嚴格、運輸改革促成商用車電動化、輕量化以及傳統燃油高效化等多項商用車能源與動力系統技術并行推進的局面。《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》在其1.0 的基礎上補充強調：預計到2040 年傳統燃油商用車有望全部被混合動力替代。目前，新能源商用車（輕型貨車車型）主要以純電動力為技術主線，應用于公交客車和城市物流車，重型商用車主要以混合動力為技術路線，而氫燃料電池則是重型商用車短期內發展的主流方向，主要應用于公交客車，現已進入示范階段。不同技術路線具有不同技術特征，適用于不同應用場景。此外，我國各項商用車技術也取得長效進步，在輕量化技術方面，2015～2019 年間，國內重型貨車每年減重1%～1.5%，整車節油水平得以很大提升；但在柴油機、變速器等方面與國際先進水平相比仍存在很大差距，如目前市場主流柴油機熱效率在46%左右，天然氣發動機熱效率低于38%，而同時期國外部分發達國家的柴油機熱效率已達55%，歐洲天然氣發動機熱效率已達40%，且混合動力商用車產品暫未得到完全開發與全面推廣。整體來看，在國家貨運需求持續增長以及用車能效相對較低的背景下，商用車能源與動力系統技術進展不僅有待加速，還存在諸多亟需突破的關鍵技術。本文重點梳理總結傳統商用車、純電動商用車、混合動力商用車、氫燃料電池商用車的能源與動力系統技術進展以及技術發展趨勢，以期為未來商用車能源與動力系統技術方向提供一定的參考和借鑒，推動商用車產業落實“雙碳”政策。

圖2 2010-2021年中國天然氣對外依存度

1 商用車能源與動力系統技術進展

1.1 傳統商用車

隨著能源危機的不斷加劇、環保形勢的日漸嚴峻，傳統商用車大排放、高能耗的問題日益凸顯，嚴重影響了我國能源結構轉型、生態環境保護以及汽車產業進一步發展。2020年，由中華人民共和國工業和信息化部（以下簡稱“工信部”）指導、中國汽車工程學會組織編制的《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》（以下簡稱“路線圖2.0”）正式發布，路線圖2.0 提出預計到2035 年，商用車將實現氫動力轉型。在此環境下，預計未來十年內，傳統商用車升級換代（低碳化、輕量化）腳步將逐步加快。本節將從動力總成高效化、商用汽車動力總成輕量化、能源需求多樣化3 個方面系統梳理傳統商用車能源與動力系統技術。

1.1.1 動力總成高效化

（1）改進燃油噴射與供應系統

通過迅速燃燒、優化噴油時機和壓力等適度改進燃油噴射與供應系統可提高1.5%的制動熱效率，即可降低燃油消耗，達到一定的節能減排效果。此前，中國一汽已開發用于燃油噴射系統的雙壓共軌系統，該技術由雙壓共軌（內部高、低壓力）和雙位置三通電磁閥組成，允許發動機匹配3 種噴射速率，圖5 為該項技術概念示意圖，不同注油速率對應不同系統工作方式。

圖5 一汽雙壓共軌系統技術概念示意圖

（2）高壓共軌系統

高壓共軌系統是將由電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）、高壓油泵、壓力傳感器組成的閉環系統中，將噴射壓力的產生和噴射過程彼此完全分開的一種供油方式。博世（中國）投資有限公司（以下簡稱“博世（中國）”）在此領域做出了突出貢獻，博世（中國）研發的高壓共軌系統CRS1-18，適用于輕型商用車等車型，對于雙缸和三缸發動機，高壓泵作為預供油泵，對于四缸發動機，機油潤滑泵和柴油潤滑泵共同作為預供油泵，所有這些泵均使用1 個流量計量單元，并在低壓端進行流量控制以提高效率，高壓泵將燃油壓縮到1.8×10kPa并將其輸送到高壓軌，集成在高壓軌上的壓力傳感器可以實時監測壓力，在高壓泵上的流量計量單元調節下，實現軌壓閉環控制。高壓軌對壓力的精確控制可以為電磁閥噴油器提供穩定的燃油，電磁閥可在每個沖程實現5 次噴射，從而降低噪聲、減少油耗、滿足排放。循環結構的噴油器對于柴油中的顆粒具有很強的耐磨性，ECU控制高壓共軌系統中高壓泵上的流量計量單元和噴油器上的電磁閥，這不僅對精確噴油十分重要，還支持其他傳感器如氧傳感器的運轉。整體來說，此類高壓共軌系統可以實現低油耗、強動力、低排放。

（3）大排量大功率發動機

大排量、大功率發動機相比傳統發動機來說，工況適應性更好，效率更好，具有一定的節能減排效果。國內有很多企業研發大排量、大功率發動機，如中國重型汽車集團有限公司（以下簡稱“中國重汽”）研發MC13 發動機配套汕德卡C7H 牽引車。以廣西玉柴機器股份有限公司為例，該公司研發的K08、K13 發動機，具備25 000 kPa 以上的爆壓承受能力，其中K08 發動機的動力性更強，此外還有低自重K11 發動機、NVH 性能突出的Y24、Y30 發動機、低氣耗的K13N 發動機以及兼具低自重、強動力、低油耗的K05、S06 發動機，至此，公司已完成50%熱效率發動機的研發。

1.1.2 商用汽車動力總成輕量化

據相關研究分析，無其他因素影響的情況下，汽車每減重10%，即可降低油耗3.5%～6%，CO排放隨之相應減少，有害物質排放可減少5%～6%。有研究表明，我國商用車質量平均比國外同類型車輛重10%，部分關鍵零部件質量甚至超過國外平均水平30%～40%。目前，輕量化主流技術有輕材料、新結構等方法。

（1）輕材料

在選擇汽車應用材料時遵循使用性、工藝性、經濟性原則，目前一般選用高強度鋼、鋁合金、鎂合金這些材料。中國重汽、陜西汽車控股集團有限公司、東風商用車有限公司等國企均有采用鋁合金發動機、鋁合金變速器等。其中，東風商用車有限公司作為較早關注車用輕材料的車企之一，2008年開始逐步生產以鋁、鎂合金為主要原材料的商用車柴油發動機，并投入市場，由于輕型發動機使整車油耗大幅降低，所以對東風用戶群體具有較大吸引力。東風商用車鋁合金零部件應用情況，見表1。同時，制造階段使用CAE 技術可有效解決生產過程中可能出現的問題。

表1 東風商用車鋁合金零部件應用情況［6］

此外，東風商用車有限公司也開展了鎂合金熔煉、鑄造、表面防護、機械加工等研究，并應用于氣門室罩蓋（減重0.8 kg）、變速器上蓋（減重5 kg）、齒輪室等零部件（減重25%）。

（2）新結構

結構優化主要集中在車輛尺寸和形狀兩方面，如對零件厚度、梁截面等尺寸優化以減輕零件質量、增加零件強度，對燃燒室形狀優化以延長零件壽命。其中，優化燃燒室形狀可以在保證充分利用氣缸內可用空間和氧氣條件下同時降低燃燒溫度，從而有效抑制氮氧化合物的生成，達到一定的節能減排效果。

經某發動機研究院多次試驗證明，直噴活塞燃燒室形狀常見為盆形和屋脊形兩種。大眾EA211活塞采取盆形燃燒室方案，這有助于氣缸內溫度和壓力迅速提升，從而達到節能減排效果；大眾EA111 采取屋脊形燃燒室方案，此方案可控制油霧擴散，從低碳效果來說，盆形燃燒室比屋脊形燃燒室更具優勢。

圖6 常見直噴活塞燃燒室形狀

除形狀優化外，減小結構尺寸也是一種輕量化體現。例如，依維柯S-Way 牽引車搭載輕量化科索9 L 發動機，該款發動機未搭載廢氣再循環系統，可有效降低后處理重量，符合輕量化需求。

1.1.3 能源需求多樣化

為應對石油對外依存度較大等問題，以及為降低化石燃料在使用過程中造成的溫室效應，各國紛紛考慮調整汽車燃料結構，目前多考慮用液態石油天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）、壓縮天然氣（Compressed Natural Gas，CNG） 替代傳統燃料，經相關測試，與傳統商用車相比，此類燃料車能耗可降低20%，同時廢氣中的CO 和NO顯著減少，低碳節能效果顯著。但受限于加氣站等燃料資源較難合理均勻分配的情況，我國開始研究以甲醇、乙醇、生物燃料為代表的新興替代燃料技術，甲醇沸點較低且含氧元素，可以促進氣缸中混合氣生成，降低廢氣中溫室氣體含量，提高熱效率以及能源使用效率。生物柴油則是以油料作物、水生植物油脂、動物油脂作為原料，此類燃料的原料廣泛，較易獲取，且燃點高易于存儲，含氧量高易于完全燃燒。因此，采用新興可替代燃料也是商用車節能減排的重要舉措之一。

此外，從能源角度考慮，目前只搭載氫能單一體系的能源汽車，能源補給、儲氫、熱管理、車載氫系統等大規模運輸、存儲以及安全、成本方面的問題始終制約氫能源汽車市場的拓展，而對于只搭載氨能單一體系的能源汽車，如何運輸儲存具有一定毒性和腐蝕性的氨氣以及如何改善其較差的燃燒效果也成為研發氨能源汽車需要攻克的難題。因此，為解決這些難題，氨氫融合一體化已成為國內外發展汽車綠色能源的一大戰略方向。近年來，國內清華大學利用氫氣點火形成分布式燃氣射流引燃氨混合氣，并與東風商用車聯合開發車用重型發動機，采用液氨后處理技術，可有效降低商用車排放。山東賽諾凱特氫氨新能源有限公司應用氨氫能源關鍵技術研制內燃機，并應用于重型貨車、拖拉機等車輛。美國普拉格能源公司（以下簡稱“普拉格”）等已經開始布局氨氫供應鏈。目前，普拉格已為埃及提供10 萬kW 的電解設備，該設備可年產9 萬t 綠氨。此外，美國某工廠應用氫氨轉換技術，預計每年生產120 萬t 氨，終端用戶再將氨轉為氫，以減輕運輸和出口壓力，日本2021 年已發布氨能源戰略，并支持采用氨氫燃料混燒。

1.2 純電動商用車

1.2.1 電池

目前，動力電池主要包含三大類，鎳氫電池、鋰離子電池以及鉛酸電池，鉛酸電池由于能量密度較低，無法滿足純電動汽車對續駛里程、安全性能等的要求，更無法滿足國家政策法規確定的技術目標，現已面臨淘汰；鎳氫電池在體積能量密度以及比功率方面有所提高，但在低溫時電池容量明顯減小，高溫充電耐受能力降低，推廣性不高；鋰離子電池在質量比能量、循環壽命、放電率、快速充電能力、耐過充能力、記憶效應、環境污染、使用溫度等方面都具有其他電池無可比擬的優勢，現已得到廣泛推廣與應用。

鋰離子電池中常見的有鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、三元鋰電池以及磷酸鐵鋰電池，鈷酸鋰電池容量密度大，但穩定性差，錳酸鋰電池成本、價格以及能量密度等其他性能介于中等，磷酸鐵鋰電池能量密度相對較低，但由于其成本較低、價格便宜，發展至今始終得到廣泛應用，三元鋰電池能量密度最高，但其安全性是廣泛推廣的最大障礙。

在此背景下，2020 年，比亞迪股份有限公司（以下簡稱“比亞迪”）研發出“刀片電池”，并搭載在比亞迪V3 純電動貨車上。該款電池使電池包空間利用率達60%，續駛里程較原來提升50%，與高能量三元鋰電池效果相當，且由于其內部特殊結構以及采取無模組（Cell To Pack，CTP）技術，電池安全性得到很大保障。此外，寧德時代新能源科技股份有限公司（以下簡稱“寧德時代”）研發的LFP-CTP電池也逐漸推廣于歐洲商用車市場。

1.2.2 電機

目前常見的電機有直流電機、交流感應電機、永磁同步電機等。在定子銅耗方面，常用的方法有采用高導電率導線降低定子銅耗、采用變頻電磁線提高電機絕緣性能以及避免電暈產生、采用超薄型硅鋼片降低鐵心損耗。此外，比亞迪設計的發卡式扁線繞組電機，可有效降低損耗，提高散熱性能，將電機額定功率提升40%，最高效率達97.5%；在冷卻系統方面，特斯拉采用空心軸套轉子油冷技術，雖需設計復雜的油路系統以及較高的工藝水平，但散熱效果較為顯著。美國博格華納公司為國內某電動汽車品牌旗下的某款車型提供高壓發夾式電機，此款電機采用油冷方式，涵蓋內置式永磁轉子、定子絕緣增強以及HVH 定子繞組技術，可靠性較強，NVH 性能較好，峰值效率達96%以上，轉矩/功率密度可提高4%。

1.2.3 控制技術

電池管理系統（圖7）具有多項功能，在荷電狀態（State of Charge，SOC）方面，將非線性觀測器與電池模型（電化學模型、等效電路模型等）相結合，可實現SOC 動態估計。基于模型的SOC 估算方法如圖8所示。

圖7 電池管理系統［13］

圖8 基于模型的SOC估算方法框架圖［14］

圖8中，為測量端電壓，為測量端電流，為測量時間，為模型端電壓。在電池能量均衡管理方面，常采用均衡技術（含均衡電路拓撲結構及控制策略）改善電池單體間的不一致性。均衡電路拓撲結構包含被動均衡和主動均衡，被動均衡有固定分流電阻和開關分流電阻，主動均衡有基于電容/電感/變壓器/變換器的均衡。常用的實車均衡控制策略算法有電池參數法、模型預測控制、模糊控制、滑模控制等。

在動力總成控制方面，力矩分配常采用分層式、集中式、整體轉向式3種框架，包含基于穩定性控制策略、基于經濟性控制策略以及兼顧穩定性和經濟性的控制策略；制動能量回收是節能環保的主要手段之一，合理的制動能量回收策略可增加20%～30%的續駛里程，系統主要包括電制動系統和液壓制動系統。

1.3 混合動力商用車

《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》的發布強調了未來混動技術的重要性，混合動力汽車充分結合傳統燃油車與電動汽車特點，提高車輛經濟性的同時又將動力性發揮到了最佳狀態。商用車載重大，行駛里程長，是節能減排的重點對象。在環境污染日益嚴重的今天，混合動力商用車的發展將大幅降低CO的排放量，促進“雙碳”目標的成功實現?；旌蟿恿ζ嚢凑噭恿ο到y的結構不同劃分為串聯、并聯和混聯構型。

1.3.1 混合動力系統構型及商用車應用

（1）串聯式混合動力系統

圖9 串聯式混合動力系統［18］

串聯式混合動力系統由發動機帶動發電機發電，并傳輸到動力電池，再通過電機將電能轉化成機械能驅動車輪轉動。串聯式系統的發動機只用于供給電能，延長車輛行駛時間，其工作狀態與車輛行駛狀態無關，可以始終穩定在高效區域，實現零污染狀態行駛。發動機、發電機、電機三大動力總成體積較大，加上大容量電池組，布置在小型汽車上較為困難，混合動力客車應用較多。

BAE Systems 公司的HybridDrive 串聯混合動力系統通過將小型柴油機控制在低油耗區間來優化電池和電機控制，利用制動能量再生系統大大減少了尾氣排放。曼公司Lion’s City Hybrid 所采用的西門子公司混合動力系統以及奔馳公司的Citaro G Bluetec 混合動力系統，可節約30%油耗，都屬于串聯式系統結構。彭浩以插電式串聯混合動力汽車為對象，對離散發動機輸出功率進行動態規劃，實現了對SOC的約束和節油效果的提升。

（2）并聯式混合動力系統

圖10 并聯式混合動力系統［18］

并聯式混合動力系統由發動機和電機共同或單獨驅動，車輛根據不同狀況選擇不同的驅動控制策略，車輛需求轉矩較大時，電機與發動機共同驅動車輛；車輛需求轉矩較小時，發動機和電機單獨驅動車輛。根據驅動電機和離合器在混合動力系統中的位置，分為P0，P1，P2，P3 和P4 五種類型，如圖11所示。并聯混合動力系統類型及特點見表2。

圖11 并聯混合動力系統類型［18］

表2 并聯混合動力系統類型及特點［18］

DIN?MEN E 等采用極值搜索算法對并聯混合動力電動汽車設計了一種新的能量管理控制策略，通過將發動機與電機兩者能量分布比例調節至最優來提高系統的能量利用效率，減少尾氣排放。日野公司推出混合動力重型貨車“Profia Hybrid”，該車采用并聯式混合動力系統同時搭載人工智能系統，通過分析實時路況以及車輛收到的指令靈活地選擇不同的控制策略，此創新性技術大大減少了CO的排放量。此外，日野公司又推出了用于輕型貨車的Hino Dutro Hybrid 混合動力系統，其采用專用的清潔阿特金森循環柴油發動機N04C-UL，通過改變離合器的安裝位置來提高離合器的利用效率，同時該系統具備6 種工作狀態，通過在不同工況之間的切換來提高整車的燃油經濟性。戴姆勒公司推出Canter 混合動力貨車，其采用單軸并聯式混合動力系統，油耗比原車降低了23%。這套驅動系統也裝在了Atego 混合動力貨車上，同樣具有顯著的減排效果。沃爾沃公司推出裝有單軸并聯式混合動力系統Volvo FE Hybrid的貨車，車中的電源管理單元（Power Management Unit，PMU）與一體化啟動/交流電機（I-SAM）是全車的關鍵部件。PMU 根據車輛實時狀態選擇不同的變速器換擋策略，當車輛啟動或車速較低時，全車由電機驅動而柴油機不參與驅動，此時不會產生任何尾氣，同時該車還具有制動能量回收的功能，進一步提升節能減排效果。東風商用車有限公司推出的“天錦”混合動力重型貨車，將自主研發的柴油機與電機布置成并聯式系統，節油減排率達到20%以上。伊頓單軸并聯方案對傳統車改動較小，在保持原型車動力系統參數不變的情況下，加入驅動電機可以大幅改善加速性能和經濟性能，且結構簡單，電機及電池僅起輔助驅動的作用，所以可以采用容量較小、成本較低的電池和電機，純電起步，可以避開發動機的惡劣工況，達到節油的效果。

（3）混聯式混合動力系統

圖12 混聯式混合動力系統［18］

混聯式混合動力系統結合了串聯和并聯的特點，根據不同的行駛工況和駕駛員意圖切換不同的行駛模式，控制策略更加靈活，但是結構過于復雜，設計難度大幅提高?；炻撓到y有純電模式、純油模式、充電模式、混合模式4 種模式。在起步和低速路段，采用純電模式和串聯模式，此時車輛要求輸出電能較低，無需發動機工作即可完成；在經濟時段，采用純油模式，發動機直驅省略了能量轉換損失，使發動機在高效區工作；在加速、爬坡階時段，采用混合模式，通過發動機與電機配合驅動提高車輛的動力性與經濟性，減少排放?；炻撌交旌蟿恿ο到y包括串并聯混聯系統和功率分流式混聯系統，串并聯混聯系統可以根據車輛行駛工況切換成串聯模式或并聯模式，充分發揮系統的綜合性能；功率分流式混聯系統采用行星齒輪機構調節發動機和電機的工作狀態，通過功率分流裝置進行動力耦合。

本田推出的i-MMD 系統，采用串并聯方案實現車輛在不同工況下的模式切換，裝備了高效的專用發動機，綜合能耗水平與日本豐田公司混合動力系統（Toyota Hybrid System，THS）相近。豐田的MG1通過擴大系統的調速范圍，不斷提高其電子控制電磁離合式無級變速器（Electro Continuously Variable Transmission，E-CVT）的整體效率；美國通用汽車公司和湖南科力遠新能源股份有限公司（以下簡稱“科力遠”）避開豐田單行星排功率分流的缺點，通過增加行星數開發出多種復合式系統，擴大了系統的高效運行區間。Allison 公司推出的城市客車驅動系統EP40/EP50 屬于雙電機混聯構型，可實現多種工作模式，該系統在不同運行工況下的燃油經濟性提升30%以上，節能減排效果顯著。行星混聯系統已在乘用車上取得巨大成功，同時也已應用于公交客車上，鄭州宇通集團有限公司（以下簡稱“宇通公司”）的行星混聯式混合動力系統通過動力源與離合器的配合，實現包括驅動模式、制動回收、外接充電等6種工作模式，在輕量化、智能控制、高效電附件等方面進行了優化設計，同時采用了液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）發動機，CO排放量降低50%以上。天津市松正電動汽車技術股份有限公司提出四代混聯方案，方案包含純電起步、再生制動等技術，至少可節油3%~10%。此外，該方案還可根據不同客戶需要靈活配置不同的儲能元件，既可采用小儲能元件（小電池或超級電容），以較低的成本實現混合動力功能，達到節油的效果，又可配置較大電池實現插電式混合動力模式，“以電代油”降低運營成本，獲得政府補貼；增加了兩擋變速器，發動機的體積和功率都可以縮小，并且可以覆蓋更多的燃油經濟區間。

1.3.2 制動能量回收技術

制動能量回收技術是混合動力汽車提升能量利用率的重要技術手段，目前已有測試表明制動能量回收可節約20%以上能量消耗，大大降低了尾氣排放。通過對車輛制動時產生的動能進行回收，再將其轉化為電能儲存在動力電池中，實現對制動損耗能量的再利用。

目前的儲能方式包括電儲能、液壓儲能、飛輪儲能、超級電容儲能。電儲能技術通過具有可逆作用的發電機將車輛損耗的大量動能轉化為電能，再將其儲存在電池中用于車輛下次啟動或加速。液壓儲能技術由具有可逆作用的泵電動機實現能量轉換，車輛制動時將車輛的動能轉化為液壓能儲存在儲能器中，車輛啟動時再將液壓能轉化為動能，驅動車輛行駛。飛輪儲能本質是利用高速旋轉的飛輪來儲存車輛損耗的動能，車輛啟動時飛輪釋放動能轉換為車輛動能。超級電容是一種介于蓄電池和電容器之間的特殊結構，儲存的是電場能，容量可以達到上千法拉，遠遠超過普通電容，但是當其單獨作為儲能裝置時，存在使儲能裝置體積變大等問題，所以往往與電儲能方式結合使用。儲能技術類型及特點，見表3。

表3 儲能技術類型及特點［28］

1.4 氫燃料電池商用車

截至2020年底，我國商用車保有量達到3 042.64萬輛，約占我國汽車保有量的12%左右，但在道路交通碳排放中占比卻達到56%，較高的商用車數量加劇了碳排放與高能源消耗等問題，而氫燃料電池汽車具有續駛里程長、加氫時間短和使用運行零排放等優勢，更適合成為運輸距離長、載荷重、環境污染大的商用車的替代車型，所以加快商用車從傳統動力向清潔化、無碳化的氫燃料電池動力轉型，將是商用車能源與動力系統技術的主要方向之一。國際方面，以美國、日本、韓國為代表的國家積極促進燃料電池汽車產業的發展，對相關技術的開發與應用給予了一系列政策支持，圖13 為國外燃料電池汽車產業政策體系與市場現狀。

圖13 國外燃料電池商用車產業政策體系與市場現狀

自2019 年氫能被首次寫入政府工作報告以來，我國便不斷加大燃料電池汽車的推廣應用，加強燃料電池汽車全產業鏈的打造，并在市場、投資等方面迎來利好。我國燃料電池汽車產業政策體系與市場現狀如圖14 所示，與美國、日本、韓國在燃料電池乘用車方面持續的技術積累不同，我國更加注重燃料電池商用車的推廣運用，依托氫能產業園區等實現閉環運營，降低前期推廣難度和基礎設施建設難度。根據國際能源署先進燃料電池技術合作計劃（IEA-AFC TCP）調查顯示，截至2020年底，全球燃料電池商用車保有量達8 872輛，其中93.7%的燃料電池客車和99.7%的中型燃料電池貨車分布在中國。

圖14 我國燃料電池汽車產業政策體系與市場現狀

質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）由于功率密度高、冷啟動性能優良等特點被廣泛應用于車用動力系統，但目前的成本、耐久性等問題依然是限制PEMFC 大面積推廣應用的主要因素，根據美國能源部對燃料電池整車的構成成本分析，本節將從膜電極組件、雙極板等方面對商用車PEMFC 技術發展現狀進行分析。

1.4.1 膜電極組件

膜電極組件是PEMFC 電堆中最重要的部件，是承載燃料電池核心電化學反應與多相材料傳輸的平臺，主要包括質子交換膜（Proton Exchange Membrane，PEM）、催化層、氣體擴散層3 個子部件。目前，主流膜電極組件采用“七合一”的構造方式，如圖15 所示，從外部到內部分別為氣體擴散 層（Gas Diffusion Layer， GDL）、 微 孔 層（Micro-Porous Layer，MPL）、陰、陽極催化劑層（Catalyst Layer，CL）以及最中間的PEM 組成。兩側的陰、陽極CL 分別進行氫氧化反應與氧還原反應，質子通過PEM 遷移，電子則通過外部循環從陽極傳輸到陰極。GDL是一種多孔介質，用于有效傳輸電子和熱量，以及氣相和液相中的反應物和產物。其特點是采用催化劑涂覆膜（Catalyst Coating Membrane，CCM）技術，將CL 與PEM 制備為一體，在降低內部質子傳輸能量損耗的同時提高了整體性能。主流膜電極組件構造方式，如圖15所示。

圖15 主流膜電極組件構造方式

根據美國能源部提出的2025 年膜電極發展目標，當前的主要發展方向是低Pt載量與長壽命，基于此目標，國內外學者做了大量的研究，主要集中于對CL和層間界面結構、PEM的優化設計。

對CL 的優化設計又主要從催化劑和催化層結構兩個角度出發。催化劑可以顯著降低化學反應的活化能，通過提高反應速率來提升燃料電池的整體性能。目前，PEMFC 常用的催化劑有鉑碳催化劑和鉑合金催化劑兩種，但貴金屬鉑的高昂價格導致催化劑成本過高等問題。一方面，研究者通過改良催化劑載體材料來提高對金屬鉑的利用率及抗腐蝕性，ROSADO 等在傳統碳基載體材料的基礎上，使用功能化的多壁碳納米管（Multi-Walled Carbon Nanotube，MWCNT）作為催化劑載體，改善 了 氧 化－ 還 原 反 應 （Oxidation-Reduction Reaction，ORR）的電化學性能。WU Dezhe則通過合成負載在介孔碳載體上的PtCuNi納米粒子，為優化ORR 性能提供了新的思路。另一方面，新型催化劑也受到了廣泛研究，無金屬碳基催化劑由于其比表面積大、導電性好、可塑性強等優點，有望代替Pt 催化劑，國內外學者通過摻雜多種雜原子的方式，進一步提高了其活性與穩定性。此外，非貴金屬催化劑、Pt 基催化劑也可降低PEMFC 的貴金屬使用量，目前，Fe-N-C 催化劑是研究最廣泛、最成熟的非貴金屬氧還原催化劑。Pt基催化劑性能主要受其物理結構的影響，通過設計合成具有納米多面體、納米管、納米框等一維或多維形貌的Pt納米結構可以有效地增加暴露Pt活性中心的密度，提高催化活性與耐久性。

催化層結構對催化層性能的影響主要體現在碳載體形狀、比表面積和孔隙率的不同會導致導電性、抗腐蝕性能差異。不同結構的碳載體會使離聚物分布不均，從而導致質子傳導速率不均勻。為解決該問題，一方面通過改善離聚物材料性質來降低氣體擴散阻力，另一方面，通過梯度化的結構設計來提高界面上高離聚物濃度處的導電能力，降低界面上低離聚物濃度處的物質傳輸阻力，實現催化層的整體效能最優。

PEM是膜電極中的核心部件，作為電解質提供氫離子通道，傳導質子，主要分為均質膜和復合膜兩種。PEM分類如圖16所示。

圖16 質子交換膜分類

其中，以美國杜邦公司的Nafion 系列為代表的全氟磺酸膜（PFSA）是最常用的商業化PEM，并且由于其優異的化學和電化學穩定性以及卓越的質子導電能力，被用作表征PEM 性能的基準。當前PEM 主要發展方向為更高的質子導電率與熱穩定性。為了獲得更高的質子導電率，車用PEM 呈現出不斷變薄的趨勢以降低質子傳遞阻抗。美國Gore 公司研制出的膨體聚四氟乙烯（Expanded PTFE，ePTFE）增強型復合PEM，使膜的厚度進一步降低至10～20 μm甚至更低，目前車用燃料電池PEM 已大部分改用復合膜。此外，提高PEM 的熱穩定性有助于加快電極反應，避免催化劑中毒，由于改性的PFSA 熱穩定性無法達到要求，有機/無機復合膜和非水質子溶劑膜正成為高溫PEM 的發展方向，如磷酸摻雜的聚苯并咪唑（Polybenzimidazoles，PBI）膜等。

在膜電極組件制造方面，國際主流膜電極生產企業有莊信萬豐股份有限公司（以下簡稱“莊信萬豐”）、美國3M 公司（以下簡稱“3M”）、美國Gore公司等，國內以鴻基創能科技（廣州）有限公司（以下簡稱“鴻基創能”）、武漢理工新能源有限公司（以下簡稱“武漢理工新能源”）為代表，初步具備了不同程度的生產線，年產能在數千平方米至數萬平方米之間，其功率密度均超過1 W/cm，測試使用壽命可達到1～2 萬h。未勢能源科技有限公司、上海納爾實業股份有限公司、上海捷氫科技有限公司等企業也初步建立了膜電極生產線。目前市場上生產PFSA 的企業主要來自于美國、日本、加拿大及中國。我國雖已具備PEM 國產化能力，但實際裝車使用的電堆仍大量依賴進口。部分國內外膜電極產品參數及產能對比見表4。

表4 部分國內外膜電極產品參數及產能對比

1.4.2 雙極板及其涂層

雙極板是PEMFC 電堆的重要組件，約占整體質量的70%和總成本的30%，其主要功能是通過表面流場為膜電極輸送反應氣體并排出反應的熱量和水。根據雙極板材料的不同可以分為石墨雙極板、金屬雙極板和復合雙極板，其中金屬雙極板由于強度高、易成形等優勢而被廣泛應用于商用車高功率PEMFC。由于雙極板長期工作在高濕度、高電勢、溫度分布不均的惡劣環境下，所以其導電性與耐久性是衡量整體性能的兩項重要指標。金屬雙極板的導電性與耐久性主要受到表面形狀和結構的影響。早期的PEMFC 直接使用不銹鋼、Al、Ti 等易鈍化的材料作為雙極板，以便提高耐腐蝕性。但是隨著鈍化膜厚度的增加，界面接觸電阻（Interface Contact Resistance，ICR）也會增大從而導致功率損耗增加。通過對雙極板覆蓋金屬涂層，可以解決上述問題。根據涂層的元素組成，涂層可分為金屬涂層、非金屬涂層和復合涂層。金屬涂層導電性與化學穩定性優良但成本較高，制備工藝復雜；非金屬涂層主要以石墨基涂層為主，成本低且制備簡單，但耐腐蝕性較差，為了解決這些問題，通過對非金屬涂層摻雜金屬離子制備出復合涂層，其在具有一定耐蝕性的基礎上，保持了良好的導電性。目前，國際金屬雙極板制造商主要有美國Graftech、德國Dana、瑞典Cellimpact 等；國內上海治臻新能源裝備有限公司（以下簡稱“上海治臻”）、安徽明天氫能科技股份有限公司、北京氫璞創能科技有限公司等企業的金屬雙極板均取得較大技術進展，產能在10～50 萬片/年不等，其中，上海治臻千萬片級金屬極板生產線已于2021年3月在常熟投產。

1.4.3 氫氣循環泵

在PEMFC 工作過程中存在化學反應不完全現象，會導致一部分多余的氫氣未參加反應，氫氣循環泵主要將這部分氫氣輸送回輸入端，減少反應積聚積水與燃料浪費。機械泵系統是最早的氫氣循環系統，通過蓄電池驅動，可以實現電堆陽極處的氫氣回收利用，且不存在溫度、濕度等工作限制，但會產生一定的能耗、振動和噪聲。為了解決這些問題，美國DTI 公司設計了雙引射器，利用高低壓兩個氫氣引射器替代氫氣循環泵來實現氫氣循環功能，在降低功耗、體積的同時提高了燃料電池性能。脈沖式單引射器在雙引射器的基礎上，進一步優化了結構方案，降低了體積，但引射器方案受工況影響很大，在多種工況下工作穩定性不佳，并且無法在低功率下去除電堆中產生的液態水與積聚的氮氣。通過引射器加旁路噴射器系統定期執行吹掃，可以有效解決積水與氮氣，保證陽極氫氣濃度。此外，為了解決引射器低功率區不工作的問題，可以在低功率區通過引入氫氣循環泵實現氫氣循環，該方案綜合了兩種方式的優點，但對引射器與氫氣循環泵的匹配和控制提出了較高的要求。此外，德國BUSCH 公司研發的無油爪式真空氫氣循環泵已實現工作12 000 h 內免維護，在極大提高可靠性的同時也將噪聲降低到68/73 dB。

1.4.4 車載儲氫技術

車載氫氣儲存問題一直是制約燃料電池汽車技術發展的關鍵問題，目前車載純氫主要通過高壓氫氣儲存、低溫液態氫儲存、固態儲氫等方法，其主要技術指標見表5。

表5 主流儲氫方式對比

由于固態儲氫的單位質量儲氫密度低且成本高，并不適用于商用車，而液態儲氫技術尚不成熟，所以以儲氫罐為容器的高壓氫氣儲存技術應用最為廣泛。目前，車載儲氫容器主要有Ⅰ型純鋼制金屬瓶、Ⅱ型鋼制內膽纖維纏繞瓶、Ⅲ型鋁內膽纖維纏繞瓶及Ⅳ型鋁合金內膽纖維纏繞瓶4類，豐田公司采用的Ⅳ型70 MPa 高壓氣體瓶由塑料內襯，加上碳纖維強化層和玻璃纖維保護層組成，重量儲氫密度大于5 wt%，體積儲氫密度達到35 g/L，如圖17 所示。我國目前燃料電池商用車車載供氫系統普遍處于35 MPa 壓力技術水平，使用碳纖維包覆銀合金內膽儲氫瓶，隨著使用標準的不斷提升，我國在2017 年頒布了70 MPa Ⅲ型儲氫瓶的使用標準GB/T 35544—2017《車用壓縮氫氣鋁內膽碳纖維全纏繞氣瓶》，未來，70 MPa Ⅲ型儲氫瓶將成為車載儲氫的主流。

圖17 豐田公司Ⅳ型70 MPa高壓氣體瓶

根據美國能源部（Department of Energy，DOE）提出的儲氫目標，質量儲氫密度應不低于6.5%、體積儲氫密度不低于62 kg/m（H），如果僅依靠高壓氣態儲氫方式則無法實現這一目標，所以有必要發展低溫液態儲氫技術。為了解決其生產過程中的關鍵問題，主要通過降低液氫制備能耗來降低成本。實踐表明，擴大制備規模可以有效降低制備成本，通過大規模設備，可以將液氫制造能耗從14 kWh/kg 降低至5～8 kWh/kg。此外，歐盟的IDEALHY 項目和日本的WE-NET 項目通過改良工藝的方式，實現了5～8 kWh/kg 左右的能耗目標。目前，美國的液化氫產能占全世界80%以上，美國空氣化工產品公司、法國液化空氣集團等在美國新建設的工廠已經可以實現30 t/d 及以上的液氫；亞洲的液氫工廠主要分布在日本和韓國。我國在此方面起步較晚，主要的液氫工廠分布于陜西興平、海南文昌等地，總產能低于5 t/d 且主要用于航空產業，因此有必要加強我國液氫整體制造能力，推動民用液氫市場的發展。2021 年11 月，我國開始施行《氫能汽車用燃料液氫》《液氫生產系統技術規范》和《液氫貯存和運輸技術要求》三項全新國家標準，以成都深冷液化設備股份有限公司、鴻達興業股份有限公司等企業也在氫液化、液氫儲罐等相關技術方面取得了重大突破。

1.4.5 DC/DC變換器

燃料電池DC/DC 變換器是電堆與用電器之間傳遞能量的橋梁，可將燃料電池系統輸出電壓轉換至與負載端需求電壓相匹配，以解決燃料電池輸出電壓不穩定、響應慢的問題，是燃料電池汽車中的關鍵部件。根據其使用需求與結構特點，目前DC/DC 的主流發展方向為高增益、低損耗、長壽命。傳統的DC/DC 變換器采用單路升壓技術，通過單路Boost 變換器進行升壓，最高增益比只能達到6 左右并且效率不高。白志豪等將Boost電路與LLC 諧振變換器結合，設計出交錯并聯的Boost 全橋DC/DC 變換器，在減小波紋電流的同時提高了整體效率。彭再武等通過將4 個Boost 電路并聯輸入，采用移相升壓控制，在降低電堆波紋輸出的同時提高了效率。LEE 等設計出一種三相電流饋電推挽式DC/DC 變換器，能夠有效實現軟開關，提高效率。隨著近年來半導體材料技術的發展，搭載SiC MOSFET 開關器件的三相交錯并聯升壓電路拓撲結構正成為研究熱點。此外，通過對控制算法的優化，同樣可以提高DC/DC 的整體性能。

2 商用車能源與動力系統技術發展趨勢

國際經貿機制不斷調整，加之國內部分乘用車車企已正式宣布禁售燃油車，低碳競爭日趨激烈。在此背景下，商用車逐漸向“新能源化”轉型發展，集中式架構、氨燃料、氫燃料等新概念、新技術在商用車上得以轉化和應用。商用車能源與動力系統技術發展趨勢具有以下幾個特點：

（1）短期內，磷酸鐵鋰電池仍將是純電動商用車市場的主流電池。這是由于磷酸鐵鋰電池各方面性能相對較高， 但其成本及安全等問題也不容小覷，亟待解決，尤其當下鈷元素等稀有元素的稀缺，使三元鋰電池成本更高。

（2）集中式架構演進已是大勢所趨。從整車控制技術角度考慮，為降低能耗、成本以及減輕質量，未來商用車將逐漸向集中式架構演進，如微輕型純電動商用貨車采用同軸橋驅動總成形式，可省去傳動軸，平均減重10%～25%，傳動效率提高3%～5%。中重型純電動商用貨車采用集成橋驅動總成形式，可為電池放置提供更多空間，但受限于該項技術研發不夠成熟，成本相對較高，暫未得到全面推廣應用。此外，高壓電控也逐漸趨于集成化，即將驅動電機控制器、DC-DC 變換器、PDU 高壓配電以及OBC車載充電器等由原來分散的模塊集成到一個平臺上，以達到提高空間利用率的效果。

（3）48 V 輕混路線短期內會有更高普及度。不斷嚴苛的油耗法規促使汽車廠商選擇短期內能夠提升節能效果的技術，48 V 系統通過DC/DC 轉換器，在12 V系統的基礎上集成高電壓系統，降低了技術難度和開發成本。同時，48 V 技術能夠避開日系混動技術的屏障，掌握技術研發主動權，并且我國部分自主品牌電氣化節能技術不夠成熟，48 V 路線將成為其在短期內考慮的第一選擇，已經掌握48 V產品研發的品牌將成為48 V路線的主要推動力。

（4）面向商用車集約式使用場景的產業集群與技術研發體系的形成。在推廣應用方面，我國已經明確通過商用車的發展來規?；档腿剂想姵睾蜌錃獬杀荆罄m拓展到乘用車領域。因此，發展面向商用車集約式使用場景的產業集群與技術研發體系具有重要意義，通過構建“研究機構/實驗室–企業–產業園”的協同創新機制，以重點地區的商業化示范運營，帶動全產業鏈的成熟和完善。

（5）氨氫融合一體化將是未來商用車發展的主要趨勢。從燃燒產物來說，氨是一種零碳燃料，從商業成本來說，我國年產合成氨占全球產量的25%～30%，車載液氨儲存的體積能量密度是液氫的2倍，而成本卻只有一半，更重要的是，氨可以作為氫的儲運介質。因此，氨氫融合作為能源與動力領域的重大變革，研究氨氫混合氣體燃燒機理，尋找最佳燃燒方式，將為“雙碳”目標背景下商用車發動機變革提供重要方向。

3 結論

研究表明，“雙碳”目標背景下，傳統商用車能源與動力系統技術發展較為成熟，但為適應“雙碳”目標下的市場需求，輕量化、高熱效率、低摩擦等已成為傳統商用車技術改進方向。純電動商用車是近幾年來新能源商用車的主流車型；混合動力商用車暫時無法滿足長距重載運輸；氫燃料電池商用車成本較高，導致推廣受限。

未來商用車研究和推廣發展趨勢主要集中在以下幾個方面：

（1）短期3-5 年內，將是新能源商用車快速發展階段。根據中國汽車工業協會公開數據可知，2020 年，新能源商用車累計銷售12 萬輛，同比增長－20.8%，2021 年1-11 月，累計銷售15.4 萬輛，同比增長56.5%，整體來看，新能源商用車銷量呈上升趨勢。

（2）多減碳路徑齊頭并進、共同發展。這不僅是“雙碳”目標的推動結果，也是商用車發展的必經之路。商用車減碳任重道遠，單一電動化技術路徑難以支撐產業轉型，需要混合動力、氫燃料電池等其他減碳技術路徑共同發展，才能應對當下能源緊張、氣溫升高等亟待解決的問題。

（3）示范應用將逐步有序地開展。目前，財政部、工信部、科技部、發改委和國家能源局等已經發布了關于啟動燃料電池汽車示范應用工作的通知，包括重點支持燃料電池商用車示范應用以及重點推動中遠途、中重型商用車示范應用，并確定了京津冀、上海、廣東等多個城市群作為示范應用。

在此趨勢下，商用車企業可考慮從以下幾條路徑出發：（1）提高用車能效，加快發展新能源和高效動力傳動技術，挖掘商用車節能減排潛力。（2）加強能源互動，包括車網融合、氫能等技術研究。（3）增強全生命周期減碳意識，構建全價值鏈綠色生態，推動全產業鏈降碳。