新能源專用汽車上裝電動化發展現狀及趨勢分析

摘要：上裝系統是專用汽車的重要組成部分，其工作能耗、經濟性和舒適性在專用汽車整車中具有重要影響。為此，介紹了國內外專用汽車上裝電動化的發展方向和特點，并提出了上裝電動化的技術路線和發展趨勢，以期提高專用汽車上裝電動化水平，實現新能源專用汽車整車的零碳運營。

關鍵詞：專用汽車；上裝電動化；新能源

中圖分類號：U469 收稿日期：2024-09-01

DOI：10 19999/j cnki 1004-0226.2024.11.001

1 前言

近幾年，新能源商用車在電動化浪潮下實現了快速發展。據統計，2023年新能源商用車銷量約為22萬輛，已覆蓋物流運輸、市政環衛、工程建筑、應急保障等多個應用場景[1]，各大主機廠都在積極布局新能源專用汽車。

新能源專用汽車一般由新能源底盤和專用汽車上裝組成，近幾年，隨著車輛電池、電機、電控等核心部件的發展，新能源專用汽車底盤愈加成熟，而專用汽車上裝的電動化水平相對比較滯后。

目前，專用汽車上裝作為一個獨立的模塊，對整車的工作能耗、經濟性、舒適度等指標有較大的影響。同時，隨著法規對整車排放、能耗的要求日益嚴格，推行專用汽車上裝的電動化勢在必行，對新能源專用汽車行業發展具有重要意義。2023年新能源專用汽車主要應用場景及銷量分布如表1所示。

2 國內外上裝電動化發展現狀

美國特雷克斯（TEREX）公司推出了一款集成化的取力器系統HyPower Smart PTO，該系統集成了動力電池、電機、逆變器、控制器、液壓泵和散熱器，電池容量最大可達28.8 kW，液壓輸出流量最大為78 LPM，液壓系統壓力最大為275 kPa，并提供了標準化的液壓、充電和通信接口。其亮點是集成了動力電池，可以應用在傳統燃油底盤領域，代替機械取力器，可實現液壓動力按需輸出，有效解決發動機怠速排放和定排量液壓系統功率浪費等問題。目前該裝置已在TEREX公司生產的高空作業車上實現了應用[2]。

德國采埃孚（ZF）公司針對電動卡車平臺推出了eWorX取力器模組，其具有標稱功率50 kW的電動機、逆變器和帶有特定應用軟件控制單元以及冷卻系統和液壓泵，通過CAN接口與底盤和上裝系統通信[3]。該系統不僅實現了零排放，還顯著降低噪聲水平，使得商用車更適合在城市運行。奔馳eActros電動卡車適配了eWorX，并在2022德國環博會（IFAT2022）上首次亮相。ZF公司eWorX取力器模組架構如圖1所示。

美國Trezo Power Systems公司推出了一款智能液壓系統Hydrapulse-EHPU。該系統是一個完整的電動液壓系統，其特點是具有200 VDC～800 DC高壓電輸入接口，可直接在純電和混合動力車型上使用，并且具有CAN/J1939通信功能，其液壓系統是由永磁電機驅動的負載敏感系統。這種集成化系統可移除液壓系統90%以上常見組件，改善車輛或機器的尺寸、重量和復雜性，并顯著幫助排除故障，具有可維護性和可控性。目前，該公司的系列化產品輸出功率涵蓋2.5～90 kW，應用于市政車輛、礦山和工程機械。圖2為EHPU系統連接圖。

國內的一些專用汽車主機廠及系統零部件企業在上裝電動化領域也進行了研究，并有產品推廣面市。

市政環衛領域是新能源專用汽車最早、最廣泛的應用領域，中聯、宇通等專用汽車主機廠推出全新的新能源環衛裝備，以純電動洗掃車為例，上裝實現了風機、高壓水泵、液壓油泵全電動化驅動，相比燃油車，單車一年可減少碳排放約18.5 t，運營成本降低60%。且上裝搭載域控制器、AI智能分析設施等，實現環衛車運行智能化、數據化。

工程建筑領域，2023年華菱星馬發布了新款電動化上裝攪拌車，采用“油驅底盤+電驅攪拌”的運作模式，其底盤和上裝分離為兩個獨立系統，上裝可以獨立完成發電、充電、放電以及驅動罐體的工作。整車采用一體化設計，底盤發動機直連上裝發電機。該上裝能夠提升整車5%的續航里程，同時節省燃料費用約5萬元[4]，實現了較好的節能和經濟效果。攪拌車電動上裝系統如圖3所示。

3 上裝電動化技術路線

3.1 油驅底盤+電動上裝

傳統燃油底盤因無法提供上裝電動化所需的電能，可采用“油驅底盤+電動上裝”的技術路線，快速實現電動化。電能按照上裝的運行工況和需求加裝獨立的上裝動力電池模組。還可以增加備用發電系統，底盤發動機直連上裝發電機，在上裝動力電池低于閾值時快速高效補充電能。該技術路線實現了上裝動力和底盤發動機動力解耦，使底盤專注于車輛行駛。

3.2 電驅底盤+電驅上裝

電動底盤實現上裝電動化的優勢在于底盤具有豐富的電能和補能方式，且可以根據需求對上裝進行分配和管理。專用汽車電動底盤一般在底盤高壓配電模塊（PDU）預留上裝高壓配電接口，在低壓端增加上裝開關，作為整車控制器VCU的信號輸入，VCU控制高壓上裝繼電器閉合，上裝實現供電。

3.3 上裝執行機構電動化

新能源電機技術的發展給上裝執行器帶來了新的電動化方案，同一上裝可能需要多種執行器，在設計時應深度考慮執行器電動化方案及其帶來的優勢。

圖4所示為盤式電機驅動洗掃車風機總成。盤式電機因為軸向尺寸短、功率密度大等優點可以廣泛用于上裝風機、水泵、空壓機等部件，機器設計的集成化能夠有效降低重量、空間占用率，提高驅動效率。同時，電機具有較好的轉矩-轉速特性，能夠在低速時提供大扭矩快速啟動，給上裝功能控制帶來新的創新點。在一些負載壓力不大，且空間局限的執行器上，選擇電動推桿替代油缸，可以節約液壓管線和閥的使用，且控制方式更加便捷。

4 上裝電動化發展趨勢

4.1 底盤上裝一體化設計

一直以來，專用汽車上裝作為獨立系統由專用汽車企業設計、制造，最后搭載在二類底盤上完成整車。這種模式的弊端是不能從整車角度進行功能定義和接口設計，雖然有一些專用底盤的出現，但是其一體化設計程度遠不能滿足市場需求。

在電動化時代，一體化設計的需求和優勢會突出顯現，可以從以下幾個方向對一體化設計進行研究：

a.定義整車的電氣架構，合理規劃上裝取電、用電和網絡接口，上裝控制器作為整車車身域下的一個節點，將上裝關鍵參數納入整車參數管理。

b.顯控一體化設計，將上裝控制屏與底盤駕駛室中控屏集成，實現顯示和操作共享，提高人性化、可靠性水平。

c.結構一體化設計，底盤和上裝一體化受力分析、結構拓撲優化，實現輕量化和底盤輕度改裝。

4.2 上裝動力系統混合架構

在電動化時代，分布式電液驅動將成為未來上裝電動化的一個主要方向[5]，上裝動力不再僅僅依靠內燃機液壓動力。隨著電液泵和ePTO等智能化器件的應用，上裝系統即將迎來新的變革：

a.能夠實現上裝動力與需求的精準匹配，大幅降低系統壓力及流量損失，提高能量利用效率。

b.將動力部件在空間上接近執行機構或與執行機構集成，減少液壓部件和管路數量。

c.取代傳統基于內燃機的機械式取力器，減少車輛怠速等待造成的能源浪費。

5 結語

目前，受限于電池容量，底盤電池組會侵占上裝空間和整車重量，限制了部分電動底盤專用汽車的發展。隨著燃料電池、固態電池等新類型的出現，儲能和換電等模式日益豐富，整車電動化的應用場景會越來越多，實現整車零碳運營。

上裝電動化帶來的節能性、經濟性和舒適性是傳統上裝不可比擬的，它是實現智能化、網聯化的基礎。因此，發展專用汽車上裝電動化是必然趨勢，對新能源專用汽車的發展具有重要意義。

參考文獻：

[1]胡璐.2023年我國新能源專用汽車行業發展現狀及趨勢分析[J].專用汽車，2024（3）：22-24.

[2]葉森森.Terex推出Hypower混合動力多功能卡車[J].工程機械，2012，43（9）：71-73.

[3]冷魯粵.采埃孚聯合奔馳推出電動卡車取力模塊eWorX[J].商用汽車，2022（6）：83.

[4]拂曉.星馬電動化上裝攪拌車榮獲第2屆中國商用車創新獎-創新技術獎[J].商用汽車，2023（1）：28-29.

[5]張婷婷.電動化時代的高速液壓泵技術趨勢與挑戰——據浙江大學專家徐兵報告錄音整理[J].液壓氣動與密封，2022，42（3）：103-107.

作者簡介：

邴玉龍，男，1988年生，工程師，研究方向為專用汽車和底盤上裝一體化。