白雪松，宋 琳

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

當(dāng)前，“低碳”和“環(huán)保”作為引領(lǐng)未來車輛技術(shù)發(fā)展的兩個重要關(guān)鍵詞，已在全球形成普遍共識。根據(jù)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(yùn)輸溫室氣體排放8.2 億t CO當(dāng)量，占全國溫室氣體排放總量的6.7%，其中道路運(yùn)輸在整個運(yùn)輸領(lǐng)域占比高達(dá)84.1%，而中重型商用汽車又在道路運(yùn)輸中占比達(dá)46.9%；在污染物排放方面，全國機(jī)動車4 項(xiàng)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(dá)74%，顆粒物（PM）排放量占比為52.4%。雖然中重型貨車在全國機(jī)動車總數(shù)中的比重極少，但卻是溫室氣體及污染物排放的主要貢獻(xiàn)者，且在履行《巴黎協(xié)定》承諾，展現(xiàn)大國擔(dān)當(dāng)，建設(shè)生態(tài)文明社會的國際國內(nèi)大背景下，勢必成為今后減排降污的關(guān)鍵對象。加快以柴油燃料為主的中重型貨車向電動化轉(zhuǎn)型是解決上述問題的主要途徑，純電動與燃料電池是實(shí)現(xiàn)電動化轉(zhuǎn)型的兩個最重要的技術(shù)路線。首先介紹了純電動路線在長途重型貨車上的應(yīng)用痛點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)長途重型貨車更適宜采用燃料電池的技術(shù)路線，并進(jìn)一步分析燃料電池重型貨車在整車開發(fā)中遇到的主要問題，即過低的車載儲氫量導(dǎo)致的低續(xù)駛里程，并提出相應(yīng)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(jìn)程中取得了迅猛的發(fā)展。我國商用汽車最先在公共領(lǐng)域啟動電動化，采用了純電動的技術(shù)路線。目前，新增的城市公交客車，純電動化率占比已高達(dá)90%以上，貨車領(lǐng)域電動化主要集中在環(huán)衛(wèi)車和城市輕型物流配送車上，近期還出現(xiàn)了一些如港口牽引、城建渣土、廠區(qū)運(yùn)輸?shù)忍囟▓鼍暗膿Q電式純電動貨車?？傮w來講，當(dāng)前商用汽車電動化發(fā)展以純電動為主，且貨車領(lǐng)域電動化滯后于客車領(lǐng)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(jìn)程中長期停滯不前，在充分考慮了續(xù)駛里程，充、換電的方便性和電池附加質(zhì)量后，大多數(shù)企業(yè)似乎已放棄了純電動的技術(shù)路線。目前，行業(yè)內(nèi)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(zhì)子交換膜燃料電池）的技術(shù)方案，并且近三年在氫能上下游供應(yīng)鏈、關(guān)鍵零部件與技術(shù)開發(fā)方面都有了很大的突破，投資及產(chǎn)業(yè)化步入了快速發(fā)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(yīng)用具有如下優(yōu)勢：一是能量補(bǔ)給優(yōu)勢，相比較鋰電池充電，氫氣加注更快；二是續(xù)駛里程優(yōu)勢，同等系統(tǒng)質(zhì)量下，燃料電池系統(tǒng)比純電動系統(tǒng)能量密度更高，續(xù)駛里程更長，對于長途運(yùn)輸場景，這兩點(diǎn)尤為重要。此外，氫作為理想能源，可通過適當(dāng)?shù)纳a(chǎn)途徑最大限度地減輕對環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)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(huán)境帶來較大負(fù)擔(dān)。

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(tǒng)質(zhì)量超3 t，滿載每百公里耗電量為160 kWh，考慮電池系統(tǒng)要保留必要的剩余電量（SOC 為20%），車輛在運(yùn)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(diǎn)，充電也需要1 h以上，不適合長途重載運(yùn)輸工作場景的需求，與高效、快速的客戶需求產(chǎn)生了突出的矛盾。當(dāng)下國家電力投資集團(tuán)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(yùn)輸?shù)碾姵厝萘坑?82 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(tǒng)質(zhì)量更大，且一輛車需數(shù)個電池系統(tǒng)配套，目前僅在固定路線場景的中短途貨車上使用，應(yīng)用于長途貨車并非明智的選擇。

雖然氫氣具有負(fù)的焦耳—湯姆森效應(yīng)，導(dǎo)致充氣時瓶內(nèi)溫度升高，同時增大加注質(zhì)量流率也會導(dǎo)致瓶內(nèi)升溫速率指數(shù)增長，進(jìn)而影響加注能耗與瓶內(nèi)加滿度，甚至影響瓶內(nèi)材料屬性，但是燃料電池汽車（Fuel Cell Vehicle，F(xiàn)CV）仍具有純電動汽車無法比擬的能量加注優(yōu)勢，從而適用于長途重型貨車。有加注試驗(yàn)顯示，對某35 MPa 的物流車輛加注，3 個車載氫瓶總?cè)莘e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(jìn)行加注，耗時276 s，且經(jīng)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(yuǎn)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(xù)駛里程，大約需要50 kg的儲氫量（工程可實(shí)現(xiàn)），在團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《燃料電池汽車高壓氫氣加注技術(shù)規(guī)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(dāng)下水平可實(shí)現(xiàn)20 min內(nèi)充滿，且續(xù)駛里程遠(yuǎn)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(xué)者對燃料電池在重型貨車上的應(yīng)用前景仍持謹(jǐn)慎態(tài)度，其觀點(diǎn)主要是從燃料電池的可靠性、價格、使用經(jīng)濟(jì)性以及是否真正實(shí)現(xiàn)節(jié)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(yīng)用的重要因素。隨著近幾年國家對燃料電池及其上下游產(chǎn)業(yè)鏈的政策扶持，行業(yè)對其研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化的投入，燃料電池在可靠性與價格方面均有長足進(jìn)步，有理由相信這兩方面不會成為未來大規(guī)模應(yīng)用的障礙；第二，應(yīng)該認(rèn)清燃料電池為道路運(yùn)輸提供了一個不同于傳統(tǒng)柴油燃料的解決方案，以解決嚴(yán)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(jīng)濟(jì)性及能量消耗的角度出發(fā)，得出燃料電池汽車優(yōu)于傳統(tǒng)柴油汽車的結(jié)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(jīng)濟(jì)性及能量消耗上將在很長時間內(nèi)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(yè)產(chǎn)品，在生產(chǎn)過程中會帶來一定的碳排放及環(huán)境污染，從碳排放角度考慮，氫的生產(chǎn)及運(yùn)輸途徑至關(guān)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(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，而不是自欺欺人，這為燃料電池真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排提出了一些限定條件，為行業(yè)發(fā)展指明了正確方向。

關(guān)于第三點(diǎn)，眾多學(xué)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(yùn)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(dá)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(xiàn)率約為1/5，同時強(qiáng)調(diào)制氫途徑在未來將至關(guān)重要，如果使用低效的氫氣路徑，F(xiàn)CV可能無法真正實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)，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(tǒng)內(nèi)燃機(jī)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(wǎng)的現(xiàn)場水電解制氫，化石燃料消耗反而增加了10%，這是因?yàn)槟壳半娋W(wǎng)2/3以上電力仍由火電產(chǎn)生。在不久的將來，考慮到氫仍將主要由化石燃料生產(chǎn)，充分利用工業(yè)副氫將有助于中國的低碳發(fā)展，而從長遠(yuǎn)來看，氫氣通過可再生能源供應(yīng)才是確保脫碳、清潔以及可持續(xù)的正確方向。?ABUKOGLU 等通過對瑞士全國的道路運(yùn)輸重型貨車進(jìn)行分析研究，考慮到每輛車的日常運(yùn)行模式來評估FCV應(yīng)用的可行性，指出氫燃料電池技術(shù)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(jī)會獲得氫補(bǔ)給。

胡浩然等指出，氫氣在制備、存儲和運(yùn)輸方面面臨的挑戰(zhàn)遠(yuǎn)大于燃料電池系統(tǒng)的技術(shù)和成本，不能滿足商用汽車的要求，而固態(tài)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(zhuǎn)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(xù)關(guān)注。

1.2 純電動與燃料電池路線互為補(bǔ)充關(guān)系

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

第一，實(shí)踐證明了純電動路線在中短途運(yùn)輸領(lǐng)域，尤其在公共領(lǐng)域的應(yīng)用是成功的。例如，在城市環(huán)衛(wèi)車輛上的廣泛應(yīng)用，規(guī)模化的應(yīng)用帶來了技術(shù)的進(jìn)步與價格的進(jìn)一步降低，純電動路線會在一段時間內(nèi)比燃料電池路線更具價格優(yōu)勢。隨著燃料電池技術(shù)的逐步成熟與成本的下降，預(yù)測FCV會漸進(jìn)式進(jìn)入純電動汽車的應(yīng)用領(lǐng)域。由于燃料電池路線更適合應(yīng)用于長途重型貨車，從而形成與純電動路線互補(bǔ)的覆蓋更多應(yīng)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(wǎng)，在電力負(fù)荷低谷時（如夜間）進(jìn)行充電能達(dá)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(yuǎn)，可削弱可再生能源的隨機(jī)性與間歇性的影響，減少“棄電”情況的發(fā)生，對推動以可再生能源為主體的綠色、低碳能源體系建設(shè)這一國家戰(zhàn)略意義重大。

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

2 燃料電池重型貨車的發(fā)展現(xiàn)狀與主要矛盾

2.1 氫燃料電池重型貨車發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，世界主要汽車大國都把燃料電池重型貨車作為重要戰(zhàn)略發(fā)展方向之一，然而發(fā)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(zhì)量36 t 的車輛宣稱一次加氫可達(dá)到近2 000 km 的續(xù)駛里程，甚至每百公里氫耗低于5 kg，所以單車儲氫量需達(dá)到100 kg 以上，并計劃2020 年投入量產(chǎn)?！肮怩r”的數(shù)字一時牽動眾人的神經(jīng)，大家對Nikola One 如何實(shí)現(xiàn)如此低的整車能耗與大質(zhì)量的儲氫技術(shù)滿懷期待，若真能實(shí)現(xiàn)，無疑是行業(yè)的巨大進(jìn)步，然而時至今日，尼古拉也未實(shí)現(xiàn)當(dāng)初所謂的技術(shù)承諾，反倒是負(fù)面信息不斷被披露。

歐洲老牌商用車企業(yè)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(yīng)用，中國貨車企業(yè)也在近兩年開啟了FCV 開發(fā)的熱潮，幾乎都做出了樣車和試運(yùn)營車輛，這些企業(yè)比尼古拉公司似乎走得更穩(wěn)些。表1 列舉了國內(nèi)外一些燃料電池貨車的開發(fā)情況。

表1 國內(nèi)外燃料電池重型貨車開發(fā)情況［13-14］

國內(nèi)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(qū)動形式為4×2 與6×4 的燃料電池半掛牽引車公告數(shù)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(huán)保信息公開數(shù)據(jù)所公布的鋰電池容量及續(xù)駛里程數(shù)據(jù)，據(jù)了解，該續(xù)駛里程多采用40 km/h等速法進(jìn)行申報，車輛在實(shí)際道路上運(yùn)行時，實(shí)際續(xù)駛里程將遠(yuǎn)低于該里程數(shù)。目前國內(nèi)的普遍水平，是單次加氫的續(xù)駛里程只適合城市配送（200 km 以下）及中短途運(yùn)輸（200～500 km），不能滿足更長路程（500 km以上）的運(yùn)輸需求。

表2 國內(nèi)燃料電池牽引車公告及參數(shù)

2.2 主要矛盾——低儲氫量帶來的低續(xù)駛里程

從整車開發(fā)角度看，當(dāng)下最突出的問題是低儲氫量所帶來的低續(xù)駛里程，不解決這一主要矛盾，便不能實(shí)現(xiàn)燃料電池在長途重型貨車上的成功應(yīng)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(zhì)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(yōu)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(tài)氫約為8 MJ/L，氣態(tài)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(zhì)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(nèi)膽加纖維纏繞層結(jié)構(gòu)，分別是鋁內(nèi)膽纖維纏繞瓶（Ⅲ型氫瓶）和塑料內(nèi)膽纖維纏繞瓶（Ⅳ型氫瓶）；此外，柴油存儲于方形油箱內(nèi)，在車輛上布置方便且空間利用率極高，高壓氫瓶為細(xì)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(tǒng)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(jié)構(gòu)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(jù)斯林達(dá)某3 款典型氫瓶參數(shù)，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(shí)現(xiàn)的?；谝陨戏治?，目前燃料電池重型貨車車載能量遠(yuǎn)低于柴油汽車，續(xù)駛里程也遠(yuǎn)低于柴油車。

如圖3 所示，通過簡單地增加氫瓶數(shù)量來提高續(xù)駛里程，不但影響了掛車的前回轉(zhuǎn)半徑，同時大大增加了車輛整備質(zhì)量，降低了運(yùn)輸效率，不能體現(xiàn)先進(jìn)的技術(shù)發(fā)展方向。

圖3 某國產(chǎn)牽引汽車氫瓶布置

3 提升整車?yán)m(xù)駛里程應(yīng)對研究

當(dāng)前，亟待通過各種方法來提升燃料電池重型貨車的續(xù)駛里程，以滿足長途運(yùn)輸場景的需求，只有這樣才能進(jìn)一步推動試運(yùn)營工作的展開，為實(shí)現(xiàn)更長期的碳減排目標(biāo)走出關(guān)鍵的一步。提升對策應(yīng)基于兩個前提：首先，可以在一定時期內(nèi)能實(shí)現(xiàn)，要具有可操作性與現(xiàn)實(shí)意義；其次，要有一定的前瞻性，能代表先進(jìn)的技術(shù)發(fā)展方向。

圖4分析總結(jié)了影響整車?yán)m(xù)駛里程的主要因素，為提升續(xù)駛里程需從以下三方面出發(fā)制定相應(yīng)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(qū)動車輛，獲得更大的續(xù)駛里程，其中包括提升電堆及燃料電池系統(tǒng)的效率，提升各類機(jī)械系統(tǒng)、電力電子系統(tǒng)效率，減少各種輔助系統(tǒng)（如空壓泵電機(jī)、轉(zhuǎn)向泵電機(jī)）的負(fù)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(xù)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(jìn)的能量管理策略對車輛續(xù)駛里程的影響。匹配更大容量的鋰電池固然能增加續(xù)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(zhì)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(fā)展趨勢相悖。輕量化技術(shù)能帶來運(yùn)輸效率的提升，在相同的載貨量下，整車總質(zhì)量更低，行駛里程更遠(yuǎn)，本文不做過多敘述。有研究表明，通過考慮現(xiàn)實(shí)場景來驗(yàn)證能量管理策略并獲得穩(wěn)健的設(shè)計，同時實(shí)現(xiàn)氫經(jīng)濟(jì)性與系統(tǒng)壽命的多目標(biāo)優(yōu)化，對于某明確的目標(biāo)車輛，利用現(xiàn)有駕駛信息最大化氫經(jīng)濟(jì)性，有助于降低車輛能耗、增加續(xù)駛里程。先進(jìn)的能量管理策略是提升續(xù)駛里程的有效手段，穩(wěn)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(tǒng)效率過低是帶來能量過多浪費(fèi)的關(guān)鍵，當(dāng)前電堆的效率大約為50%～65%，燃料電池系統(tǒng)的效率更低，普遍為40%～55%。然而，要提升電堆及電池系統(tǒng)的整體效率水平，需依靠關(guān)鍵材料的技術(shù)突破，依靠電池系統(tǒng)本身的技術(shù)進(jìn)步，整車企業(yè)作為應(yīng)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(qū)域，來提升氫經(jīng)濟(jì)性與整車的續(xù)駛里程。

下文將重點(diǎn)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(jìn)行探討，分析對整車?yán)m(xù)駛里程的影響，從整車角度出發(fā)，具有可操作性與現(xiàn)實(shí)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(xù)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(fā)推進(jìn)車載儲氫技術(shù)的發(fā)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(xù)駛里程、貨物空間、加注時間和車輛性能的期望，是當(dāng)前一項(xiàng)緊迫且重要的工作，為此，美國能源部氫能和燃料電池技術(shù)辦公室（HFTO）為行業(yè)指出了兩條戰(zhàn)略路徑，近期側(cè)重于高壓存儲，使其能夠達(dá)到70 MPa 的壓力，遠(yuǎn)期則向深冷高壓儲氫和基于材料的儲氫技術(shù)方向發(fā)展。

當(dāng)前，國內(nèi)普遍采用35 MPa Ⅲ型氫瓶，70 MPaⅢ型氫瓶也已經(jīng)開發(fā)出來，由于受到加氫站加注壓力等諸多因素的限制，所以應(yīng)用得還較少。而70 MPa Ⅳ型氫瓶，由于采用塑料內(nèi)膽，使氫瓶重量有了顯著降低，必將替代Ⅲ型氫瓶。目前，開發(fā)70 MPa Ⅳ型瓶遇到的最大瓶頸是在儲氫瓶口與出口閥的結(jié)構(gòu)部位，如何通過設(shè)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(jù)報道，僅有斯林達(dá)70 MPa Ⅳ型氫瓶通過了國家安全認(rèn)證。

根據(jù)表3 計算結(jié)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(zhì)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(nèi)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(dá)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(dá)70 MPa Ⅲ型氫瓶，并將其雙排布置在駕駛室后側(cè)，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(yàn)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(shù)成熟后，車載儲氫能力可接近90 kg?，F(xiàn)階段國內(nèi)商用車用氫瓶的規(guī)格參數(shù)見表4，其中包含70 MPa Ⅲ型瓶和Ⅳ型瓶。

表4 國內(nèi)氫瓶規(guī)格參數(shù)

液氫就其本身密度而言，擁有比氣態(tài)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(jù)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(cè)，不占用駕駛室后側(cè)空間，便可達(dá)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(nèi)福田搭載億華通電池的某8×4 載貨車樣車，采用液氫系統(tǒng)，可達(dá)到1 000 km 的連續(xù)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(yuǎn)，要實(shí)現(xiàn)車載液氫商業(yè)化應(yīng)用首先要跨過兩大障礙：一是氫氣液化消耗的能量約占?xì)錃獬跏寄芰康?5%～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(yùn)輸危險化學(xué)品的屬性。

相比氣態(tài)及液態(tài)儲氫，固態(tài)儲氫具有體積儲氫密度大的優(yōu)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(xù)駛里程的可能，而不足之處是目前普遍質(zhì)量儲氫密度過低，導(dǎo)致整車整備質(zhì)量的增加，降低運(yùn)輸效率，同時需要適當(dāng)?shù)哪芰坎拍茏寶錃忉尫?。? 介紹了不同儲氫形式的質(zhì)量與體積儲氫密度的對比。

表5 不同儲氫形式及參數(shù)對比［17-18］

日本豐田公司等企業(yè)很早之前就提出高壓復(fù)合儲氫罐的概念，即在高壓罐內(nèi)存儲一定量的氫化合物（一體式），從而實(shí)現(xiàn)氣-固混合儲氫。周超等介紹了NaAlH和AlH是未來極具發(fā)展?jié)摿Φ母邏簝洳牧?，可有效提升高壓儲氫體系的質(zhì)量儲氫密度和體積儲氫密度；徐雙慶等通過建立模型進(jìn)行數(shù)值分析，得出某國產(chǎn)70L 35MPa 氫瓶，通過填充40%的MH 固態(tài)氫化物，能獲得與70 MPa氫瓶相當(dāng)?shù)捏w積儲氫密度（40 g/L），目前未發(fā)現(xiàn)對Ⅳ型氫瓶的氣-固混合儲氫模式的研究。

隨著新材料技術(shù)的發(fā)展，如果能發(fā)現(xiàn)一些更高質(zhì)量儲氫密度，吸/放氫焓變量更小，易活化且壽命足夠的固態(tài)氫化物，車載儲氫有可能會向固態(tài)儲氫模式或車載固-氣混合儲氫模式演進(jìn)。

按照不同儲氫狀態(tài)對典型牽引車的儲氫系統(tǒng)進(jìn)行空間布置，以此探討車載儲氫能力。選取駕駛室后側(cè)車架上端為布置空間，要求儲氫系統(tǒng)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(diǎn)，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(fù)雜的附件結(jié)構(gòu)，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(tài)車載儲氫能力評估如圖6 所示，評估顯示：液氫儲存比氣態(tài)高壓儲存在儲氫能力及系統(tǒng)質(zhì)量上均有很大的優(yōu)勢，能給車輛帶來更大的續(xù)駛里程；如果采用固態(tài)金屬氫化物儲氫，并達(dá)到和液氫相同的儲氫量，需求空間會大幅減小，考慮固態(tài)儲氫材料氫的質(zhì)量密度一般在1%～4.5%左右，僅材料本身質(zhì)量就可能在3.1～14 t，系統(tǒng)質(zhì)量則＞4 t，車輛可能無法承受。固態(tài)氫化物車載儲氫技術(shù)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(tài)儲氫材料，同時還與罐體的結(jié)構(gòu)有關(guān)，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(yōu)勢。從實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用的難度考慮，車載氣態(tài)儲氫易于液態(tài)儲氫，車載固態(tài)儲氫商品化道路更遠(yuǎn)。

3.2 降低整車空氣阻力能耗

車輛在行駛過程中，各種運(yùn)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(shù)；u為車速，km/h；為空氣阻力系數(shù)；為車輛迎風(fēng)面積，m；為道路坡度，%；為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；為車輛總質(zhì)量，kg。

車輛行進(jìn)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(shù)，滾動阻力系數(shù)與輪胎及行駛路面情況相關(guān)，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(shù)與迎風(fēng)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(shù)偏大的現(xiàn)實(shí)，存在巨大的優(yōu)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(fā)更具流線型、空氣阻力系數(shù)更優(yōu)的駕駛室。

表6 不同儲氫狀態(tài)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(shí)現(xiàn)貨車空氣阻力系數(shù)降低16.2%；王慶洋等對某款平頭重型牽引車進(jìn)行了詳細(xì)的研究對比，在牽引車區(qū)域、牽引車與掛車間距區(qū)域和掛車尾部區(qū)域等3 個氣動敏感區(qū)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(dá)到27.4%；晏強(qiáng)等對4 種不同類型的駕駛室模型進(jìn)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(shè)計，整車空氣阻力系數(shù)比常規(guī)平頭車降低15.2% ，達(dá)到0.415；國內(nèi)如重汽黃河X7 車型采用A 柱后傾，且前懸加長的流線型設(shè)計，通過匹配低空氣阻力掛車，使整車空氣阻力系數(shù)低至0.4以下；歐洲新一代達(dá)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(jīng)不同于常規(guī)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(jù)已有研究可知，傳統(tǒng)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(dá)夫概念貨車造型

當(dāng)前國內(nèi)主流牽引車，前導(dǎo)流板、頂部導(dǎo)流罩、后側(cè)導(dǎo)流罩等都已成為標(biāo)配，整車空氣阻力系數(shù)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(dǎo)流裝置等少有應(yīng)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(chǎn)生，這幾點(diǎn)為進(jìn)一步降低整車空氣阻力系數(shù)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(guī)上的限值，因此，為實(shí)現(xiàn)貨物裝載及運(yùn)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(fēng)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(guī)來鼓勵引入新的空氣動力學(xué)駕駛室，可以在不減少貨箱長度的前提下，允許駕駛室適當(dāng)增加一定長度，使前圍和前擋風(fēng)玻璃具有更大的傾角，以此獲得更優(yōu)的氣動造型，同時允許整車長度有相應(yīng)的增加。歐盟法規(guī)（EU）No 1230/2012（歐盟對車輛的質(zhì)量和尺寸型式批準(zhǔn)要求的規(guī)定）在2019 年12 月對涉及到的空氣動力學(xué)駕駛室補(bǔ)充了型式認(rèn)證要求，該要求把空氣動力學(xué)駕駛室分為兩類：一是安裝了前空氣動力學(xué)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(shí)施。歐盟相關(guān)法規(guī)的動向基本明確了下一代貨車的發(fā)展方向，既鼓勵引入空氣動力學(xué)駕駛室，如圖6 所示，達(dá)夫新款駕駛室造型，采用前懸加長的流線形設(shè)計，驗(yàn)證了歐盟發(fā)展新動向。歐洲貨車長期以來是我們的風(fēng)向標(biāo)，空氣動力駕駛室也將是我們的發(fā)展方向，基于這一前提，新一代駕駛室采用更具優(yōu)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(shù)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(xù)駛里程的影響。該車型為42 t 高速長途牽引車，迎風(fēng)面積=9.86 m，整車空氣阻力系數(shù)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(shù)=0.005，此時假設(shè)整車在經(jīng)過優(yōu)化后，空氣阻力系數(shù)達(dá)到0.4，不同類型阻力功率對應(yīng)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?？梢钥吹剑囕v行駛速度越大，空氣阻力能耗所占比重愈大，空氣阻力系數(shù)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(shù)優(yōu)化可增加續(xù)駛里程約18%。

圖7 兩種空氣阻力系數(shù)下能耗與續(xù)駛情況對比

3.3 續(xù)駛里程的評估

國內(nèi)牽引車整車總質(zhì)量普遍在40～49 t，在公路運(yùn)輸車輛中總質(zhì)量最大，對于其高速公路運(yùn)輸工況的實(shí)際油耗，目前有充足的實(shí)際測量數(shù)據(jù)，普遍油耗在30～36 L，由于同類別燃料電池汽車無相應(yīng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)支撐，可按式（5）～（6）進(jìn)行氫耗估算：

式中：為柴油車某實(shí)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(jù)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(dāng)前車輛能耗狀態(tài)下，如果采用70 MPa 氫瓶，車載儲氫量達(dá)到90 kg，車輛續(xù)駛里程可達(dá)900 km 以上。隨著燃料電池技術(shù)的發(fā)展及系統(tǒng)效率的繼續(xù)提升，以及新一代更優(yōu)氣動造型駕駛室的開發(fā)應(yīng)用，整車?yán)m(xù)駛里程將會進(jìn)一步提升，可超出1 000 km。根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》，到2030年，新能源汽車的續(xù)駛里程能夠達(dá)到800 km。

3.4 加氫站配套是關(guān)鍵

隨著技術(shù)的進(jìn)步，燃料電池貨車在可預(yù)期的將來能達(dá)到不錯的續(xù)駛里程，但同時也應(yīng)深刻認(rèn)識到，加氫站的快速發(fā)展與合理布局才是解決氫能與燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)性健康發(fā)展的根本舉措，是氫能健康發(fā)展中不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。燃料電池汽車在我國剛剛起步，加氫站布局發(fā)展體系也未成形，在技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)上與國外尚有不小差距，需要有針對性地朝著布局規(guī)?；夹g(shù)和設(shè)備自主國產(chǎn)化，以及操作流程安全化的方向發(fā)展。

4 結(jié)論

本文指出了燃料電池重型貨車整車開發(fā)面臨的主要矛盾、難點(diǎn)、結(jié)論及展望，結(jié)論如下：

（1）當(dāng)前燃料電池重型貨車整車開發(fā)的主要矛盾，是低車載儲氫量所帶來的低續(xù)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(yùn)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(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

（3）當(dāng)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(xù)駛里程的兩個最有效且具有操作性的方法；應(yīng)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(shí)現(xiàn)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(shù)偏大，通過增加氣動減阻附件，以及開發(fā)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(xù)駛里程18%。

（5） 根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》，燃料電池重型貨車到2030 年達(dá)到800 km 的續(xù)駛里程是能夠?qū)崿F(xiàn)的。