電動貨車及其相關技術研究進展

蔡浩浩，徐曉美

（210037 江蘇省 南京市 南京林業大學 汽車與交通工程學院）

0 引言

為推動我國新能源汽車行業的高質量發展，國務院辦公廳于2020 年制定了《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035 年）》，對擴大新能源汽車產業發展規模、加速新能源汽車關鍵技術突破、實現綠色交通等提出了較明確的要求。

由生態環境部提供的《中國移動源環境管理年報（2020）》顯示，2019 年保有量約占汽車總量12%的貨車，其CO 與碳氫化合物排放量約占汽車排放總量的30%，NOX與顆粒物排放分別占83%與90%。由此可見，從環保角度來看，實現貨車電動化非常迫切，其現實意義非常重大。但現階段，新能源汽車行業較重視電動乘用車和客車的研究與應用，并已陸續開始了商業化運營，取得了很好的環保效果，貨車的電動化步伐總體較慢。但隨著電池、電機以及電控技術的發展，近幾年電動貨車的研究也越來越受關注。基于此，本文主要對目前電動貨車的分類、能源供給系統、路徑規劃和控制策略等進行綜述與分析，指出目前電動貨車研究存在的不足，并對其未來研究進行展望。

1 電動貨車類型

從動力源的角度來看，目前研究與應用的電動貨車主要有3 種類型，即插電式混合動力貨車、純電動貨車和氫燃料電池貨車。

1.1 插電式混合動力貨車

插電式混合動力貨車的動力源由傳統燃油發動機和電機提供，根據驅動模式可分為串聯式、并聯式和混聯式[1]。并聯式驅動系統因其技術成熟、造車成本較低、燃油經濟性較好、能量損失小等優點，成為電動貨車的主要驅動模式。

日本最先將混合動力汽車實現市場化生產，其電動貨車主要應用在城市物流。歐美等國家近年也開始快速發展混合動力貨車，通過政策與技術的雙重支持，已在電動貨車領域取得諸多成果。我國早期主要注重混合動力乘用車和客車的研究，混合動力貨車數量較少。近年來，隨著對環保要求的提高和國家發展戰略的調整，混合動力貨車行業逐步發展起來。2020 年工信部制定的第337 批與第340批新車公告中共有4 種插電式混合動力功能型貨車，相關動力配置如表1 所示。這些混合動力貨車主要應用在港口和城際物流運輸領域。

表1 插電式混合動力貨車的動力配置Tab.1 Power configuration of plug-in hybrid electric trucks

1.2 純電動貨車

純電動貨車各部件集成度較高，動力源主要來自貨車的電力系統。受制于電池電機等技術，純電動貨車的續航里程較短，但因其運輸效率高、污染少、噪音小，在短途運輸市場具有巨大潛力。目前，特斯拉與奔馳集團均在積極研制純電動貨車。主要廠商研制的純電動貨車的動力配置如表2 所示。

表2 純電動貨車的動力配置Tab.2 Power configuration of pure electric trucks

可以看出，目前的純電動貨車的續航大約為300 km，因此基本以短途城市內物流配送為主，兼顧部分短途的特殊工況條件下的專用車，比如環衛車、灑水車等。環衛車是我國重點推廣的公共領域用車，近幾年受到了純電動汽車企業的關注，十幾家環衛改裝汽車企業已經布局了純電動環衛車。

1.3 氫燃料電池貨車

氫燃料電池貨車在結構上與純電動貨車相似，比純電動貨車多了一套產生電能的燃料電池和儲氫系統。氫燃料電池發出的電經逆變器、控制器等給電動機供電，再經傳動系統、驅動橋等驅動車輪轉動。

相比鋰電池，氫燃料電池短時過載能力可達額定功率的200%或更大，更適合貨車的加速、爬坡等工況。在能量補充方面，目前鋰電池快速充電至80%SOC時一般需30 min。以特斯拉Semitruck 為例，30 min 充電至80%SOC 后，載重36 t 可續航800 km。而某氫燃料電池貨車加氫7 min，載重36 t 的續航里程可達400 km。因此，從貨車運營生命周期看，可通過“多拉快跑”彌補氫燃料電池相比鋰離子電池在制造、儲存、運輸、加氫等產業鏈成本上的不足。

國內已有東風、申龍、中通、福田、解放等15 家車企進入氫燃料電池物流車市場，產品絕大部分集中在7.5～9.0 t，僅有東風和上汽大通生產少量12 t 及以上產品，產品類型涵蓋廂式運輸車、冷藏車、郵政車、保溫車。現有的純電動環衛車基本可滿足環衛使用工況，氫燃料電池環衛車與純電動環衛車在大部分細分市場覆蓋區域有重合，在購置成本和使用成本沒有大的降幅情況下，氫燃料電池環衛車在新能源環衛市場的競爭上還沒有優勢。在可預見時期，氫燃料電池車型基本與純電動車型相輔相成，以中長途城際物流配送為主。奔馳集團于2020年研制一種可續駛1 000 km的氫燃料電池貨車。

表3 為部分氫燃料電池貨車的性能與使用情況，包括工信部2020 年制定的第339 批新車公告的3 種氫燃料電池貨車。

表3 氫燃料電池貨車的性能及使用情況Tab.3 Performance and application of hydrogen fuel cell trucks

雖然目前氫燃料電池車型受限于燃料電池系統技術水平和加氫站等配套設施，但根據英國石油公司（BP）發布的能源技術展望報告預測，未來5～10 年氫燃料電池的制造成本會逐步下降到與汽油發動機持平的價格。我國2020年發布的2.0版《節能與新能源汽車技術路線圖》指出，2030～2035 年，我國將實現燃料電池汽車的大規模推廣應用，使燃料電池汽車保有量達到100 萬輛左右，建立完備的燃料電池材料、部件、系統的制備與生產產業鏈。

2 電動貨車能源供給系統

純電動貨車與混合動力貨車的能源供給方式主要有充電和換電兩種[2]，充電又細分為普通慢充和快速充電，根據充電是否需要導線又分為有線充電和無線充電。氫燃料電池汽車氫燃料的儲存與供給是其區別于一般電動車的特有技術。

2.1 供電技術研究

對于電動車的充電，國外的研究主要集中于無線充電和快速充電。高通QUALCOMM HaloTM無線充電技術的充電功率最大可達22 kW。豐田、奧迪等公司也在積極開展無線充電技術研究。表4 為國外研究應用的幾種快速充電系統。

表4 快速充電系統Tab.4 Quick charging system

2019 年，德國西門子研發了一種類似無軌電車的e-Highway 供電模式，設置了新能源專用高速公路，在車輛上方加裝受電弓，在專用的行駛線路上方設置受電弓的接觸網。當混合動力貨車燃料不足時或純電動貨車的車載電池電量不足時，電動貨車升起受電弓，使其與接觸網接合，給車輛供電。

目前，國內對電動車供電系統的研究主要集中于快充技術與換電技術。2020 年，國家電網正在研制的超級充電技術預期充電功率可達900 kW。目前的快速充電技術主要有以下3 種：分段恒流充電、脈沖充電和間歇充電。其快速充電的核心原理都是通過合理控制蓄電池的放電過程，使充電可接受電流值的增加速度遠大于放電量的增加速度，從而有效提高充電效率。同時放電深度和放電率也會影響充電接受率，在放電率足夠大的情況下，蓄電池的充電接受能力也會隨之提高。華北理工大學的龔瑞昆[3]等人采取分段限壓定電流間歇正負脈沖充電方法，通過優化充電過程中各參數，提升充電效率；西南科技大學的葉劍曉[4]等人提出分段恒流結合脈沖充電方法，可靠性較高，結合二者優勢，削弱極化效應，提升充電效率。此外，快充技術的進步是高性能的電池與電控技術共同支持的結果，只有這樣才能大幅提升能源供給系統的整體性能。

在換電方面，2020 年全國兩會政府工作報告首次將“建設充電樁”擴展為“增加充電樁、換電站等設施”，換電站作為新基建的重要組成部分第一次被寫入政府工作報告。表5 為部分電動貨車換電站概況，除此之外，我國已在內蒙、青海等礦區建成了10 座重型貨車換電站。

表5 部分電動貨車換電站Tab.5 Partial battery-changing stations for electric trucks

2021 年工信部制定的第342 批新車公告中包含13 輛換電式電動卡車，其類型分布如圖1 所示。相比上一批新車公告，其數量環比增長了160%。可見，換電模式在電動貨車領域已被逐漸認可。

圖1 各類型換電式電動貨車占比Fig.1 Proportion of various types of electric trucks with replaceable batteries

2.2 儲氫與供氫技術研究

目前，我國的儲氫技術主要包括以下4 種[5]：低溫液態儲氫、高壓氣態儲氫、金屬氫化物儲氫和有機液態儲氫，其應用情況如表6 所示。

表6 4 種儲氫技術應用概況Tab.6 Application overview of four types of hydrogen storage technologies

低溫液態儲氫技術僅應用于航空航天領域，短期內普及大眾市場的可能性較低，且該技術成本高，暫不具備商業化前景。高壓氣態儲氫技術較成熟，已在加氫站中普遍使用，但該技術存在安全隱患和體積比容量低的問題，在氫燃料汽車上應用并不理想。金屬氫化物儲氫技術體積比容量大，成本較其它技術低，安全方便，理論上應用于氫燃料電池汽車優勢明顯，但目前該技術仍存在一些難點，短期內較難得到大范圍應用，著眼長期該技術具有較大發展潛力。有機液體儲氫技術儲氫容量高，關鍵在于可利用傳統的石油基礎設施進行運輸、加注，可建立像加油站那樣的加氫網絡。因此，相比于其它儲氫技術，該技術具有較高的安全性和運輸便利性，技術市場潛力大，極具應用前景。

氫燃料電池貨車的供能方式比較單一，其燃料供給來自加氫站。加氫站對氫燃料電池汽車的應用與推廣非常重要。1980 年，美國建立了世界上第一座加氫站。截至2020 年12 月，全世界共建成476 座加氫站，其主要分布如圖2 所示。

圖2 世界主要國家及地區加氫站的分布Fig.2 Distribution of hydrogen refueling stations for some countries and regions in the world

我國氫能產業發展相對較慢，2006 年建成第一座加氫站。中石化已建設27 個試點加氫站，并規劃在“十四五”期間建設1 000 座加氫站。廣州氫能產業規劃指出，至2022 年底廣州計劃建成30座加氫站。上海市住建委表示，在2025 年前上海要建成78 座加氫站。可見，目前國內外都在加快加氫站的建設工作，隨著儲氫技術的發展和加氫站的普及，氫燃料電池貨車的應用面將會越來越廣泛。

3 電動貨車路徑規劃

電動貨車在運營過程中應首要考慮續駛里程，配送過程中的貨物質量變化對電池效率有明顯影響，因此在目前充電樁、換電站與加氫站還未普及的情況下，對充電與貨物配送進行合理的路徑規劃顯得非常重要。CHEN[6]等人提出一種預測性駕駛教練系統，該系統使用靜態地圖和動態交通數據為混合動力電動貨車提供經濟駕駛參照，實車測試顯示該系統可有效提高車輛的經濟性；BAEK[7]等人提出一種電動快遞貨車的運輸最優線路，基于電動貨車動力總成模型和非線性電池模型實現了電動貨車模擬器，研究并實現了能耗最低的電動貨車出行方案；ERDIN?[8]等人提出一種電動垃圾貨車收集廢物的優化路線，并用真實的道路信息數據作為模型輸入，有效提高了電動貨車的經濟性；FELIPE[9]等人提出一種部分充電策略。當車輛電量不足時，對行駛路徑與充電時間進行規劃以就近充電，當電量能夠滿足配送需求時停止充電；QI[10]提出一種帶時間窗口的路徑規劃優化模型，該模式將能耗或時間作為約束目標進行路徑優化。此外，北京交通大學、吉林大學與東華大學等高校也對電動貨車的充電時機與運輸路線優化進行了相關的研究，闡明了它們對電動貨車運送效率以及配送成本的影響。

總之，對于電動貨車而言，目前對其路徑規劃的研究主要集中在配送路徑優化與根據實時區域路況進行路徑規劃，通過路徑優化來提高電動貨車的續航能力，從而降低總的配送成本。

4 電動貨車控制策略

現階段，電動貨車領域主要應用有以下3 種控制策略[1]：模糊制動能量回收策略、制動力合理分配控制策略和實時控制策略。

模糊控制器的魯棒性較好，包容性較強，模糊控制規則簡單，不需要數學建模，將模糊控制器加入到能量回收策略中可降低成本。但模糊控制器缺點也較為明顯，其控制規則源于規則建立者的經驗，個人因素較強，并且模糊控制器主要應用在仿真階段，缺少實車測試。VU[11]等人將模糊控制器與能量管理策略相結合，將車速與加速度作為模糊控制器的輸入，建立了具有高仿真度的模型，理論研究表明該控制策略可以提高混合動力貨車的經濟性；溫一鵬[12]等人建立了模糊制動能量回收策略，將電動物流車的電池SOC、制動強度、車速作為輸入變量，再生制動的修正系數作為模糊控制器的輸出變量，并通過仿真驗證了所提出的控制策略在提高燃油經濟性和能量回收效率方面的可行性。

合理分配制動力控制策略可以提高電動貨車的制動穩定性與安全性，充分利用摩擦力，以合理的前后制動力分配為前提，盡可能回收制動能量。但其制動控制過程較為復雜，對控制器要求較高。智東敏[13]等人提出一種根據前后軸上載重量的變化，及時改變前后軸制動力比值的控制策略；宋百玲[14]等人提出一種理想制動力分配再生制動控制策略，該策略根據理想的前后制動力分配關系得出前后制動器的制動力，提高了車輛的能量回收效率。

實時控制策略可即時提取電動貨車周圍工況的特征信息，實時調節車輛的制動能量，提高電動貨車的適應性。KEULEN[15]等人將最優控制理論與實時分配功率的算法相結合，對電動貨車發動機與電動機的功率分配比進行調節，提高了發動機的燃油消耗率；XU[16]等人研究了一種并聯式混合動力貨車，基于動態編程策略實時監控車輛狀態，優化了除啟動和停車階段外的純電動行駛模式，顯著降低了車輛的燃油消耗；董恩源[17]提出一種基于軟件設計自主動態標定的策略，可優化發動機工作點參數，并且可以提高整車的燃油經濟性，降低一定的開發成本；張佩[18]等人以提升燃油經濟性為準則，將動態規劃與車輛的能量管理策略相結合，建立了動態規劃最優控制模型，提高了車輛的經濟性。

綜上所述，綜合提高制動穩定性和經濟性的控制策略依然是電動貨車的研究熱點。隨著計算機軟、硬件技術的發展和底盤電控集成化程度的提高，目前還停留在理論與仿真研究階段的一些控制策略，在實車上應用的可行性將越來越高。

5 研究不足與展望

目前，國內外針對電動貨車車架的研究相對較少。與傳統貨車相比，電動貨車動力系統的布置形式、整車質量分布、使用工況和輕量化需求都不同，部分車企為節省成本直接將傳統貨車的車架應用到電動貨車，造成車架上部件質量分布不合理，車架利用率不高以及車身過重等問題。

從目前氫燃料電池物流車的車型來看，主要集中在總質量7.5～9.0 t，與純電動物流車主流的總質量4.5 t 車型相比略有差異，但從用途上看重合度較高，基本都是以市內物流配送為主，未能將氫燃料電池物流車加氫時間短、續航里程長、運營效率高的優勢完全發揮出來。這一方面是因為目前的加氫站數量較少、運營線路需考慮加氫站位置、運行里程和效率受限；另一方面是因為現階段的燃料電池電堆功率依然較小，無法滿足更大噸位中長途物流車的需求。所以技術水平和加氫站等設施配套仍是現階段氫燃料電池貨車發展的瓶頸。

電動貨車行業正冉冉興起，電動貨車一定會成為傳統燃油貨車的一種有效替代產品。石墨烯鋰電池的技術進步會大大增加電動貨車的續駛里程。加快換電站、快充樁與加氫站的相關設施建設，增加對大功率無線充電技術的研發投入，探索高強度輕質量的復合材料、鋁鎂合金材料在貨車上的應用，提高貨車車架的設計工藝，完善電動貨車綜合性能最優的集成控制策略等研究都將有力推動電動貨車技術進步，擴大其應用范圍。