劉永濤，曹瑩，劉傳攀，張德穎，劉湘安，喬潔，羅耿

（長安大學(xué)汽車學(xué)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(jī)構(gòu)發(fā)布數(shù)據(jù)，截至2021 年5 月，全球CO濃度已從19 世紀(jì)50 年代1.24×10mol/L 持續(xù)增長至1.87×10mol/L，截至2021 年，全球平均氣溫已比19 世紀(jì)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(dá)到峰值，力爭2060 年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”，被稱作碳達(dá)峰、碳中和“雙碳”目標(biāo)。

由國家統(tǒng)計(jì)局、中國海關(guān)等數(shù)據(jù)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(biāo)背景下發(fā)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(yè)協(xié)會統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，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(fù)波動，其中，2020 年銷量513.3 萬輛，為近15 年來最高銷量。此現(xiàn)象的出現(xiàn)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(yán)格超載等標(biāo)準(zhǔn)；（2）按軸收費(fèi)方案出臺；（3）后疫情時(shí)代下快遞等物流行業(yè)逐漸恢復(fù)活力。

圖3 2006-2021年我國商用車銷量及增長率

根據(jù)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(yùn)輸業(yè)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(dá)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(biāo)背景下商用車能源與動力系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)展對我國“雙碳”目標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)升級、排放嚴(yán)格、運(yùn)輸改革促成商用車電動化、輕量化以及傳統(tǒng)燃油高效化等多項(xiàng)商用車能源與動力系統(tǒng)技術(shù)并行推進(jìn)的局面?！豆?jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》在其1.0 的基礎(chǔ)上補(bǔ)充強(qiáng)調(diào)：預(yù)計(jì)到2040 年傳統(tǒng)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(shù)主線，應(yīng)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(shù)路線，而氫燃料電池則是重型商用車短期內(nèi)發(fā)展的主流方向，主要應(yīng)用于公交客車，現(xiàn)已進(jìn)入示范階段。不同技術(shù)路線具有不同技術(shù)特征，適用于不同應(yīng)用場景。此外，我國各項(xiàng)商用車技術(shù)也取得長效進(jìn)步，在輕量化技術(shù)方面，2015～2019 年間，國內(nèi)重型貨車每年減重1%～1.5%，整車節(jié)油水平得以很大提升；但在柴油機(jī)、變速器等方面與國際先進(jìn)水平相比仍存在很大差距，如目前市場主流柴油機(jī)熱效率在46%左右，天然氣發(fā)動機(jī)熱效率低于38%，而同時(shí)期國外部分發(fā)達(dá)國家的柴油機(jī)熱效率已達(dá)55%，歐洲天然氣發(fā)動機(jī)熱效率已達(dá)40%，且混合動力商用車產(chǎn)品暫未得到完全開發(fā)與全面推廣。整體來看，在國家貨運(yùn)需求持續(xù)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(tǒng)技術(shù)進(jìn)展不僅有待加速，還存在諸多亟需突破的關(guān)鍵技術(shù)。本文重點(diǎn)梳理總結(jié)傳統(tǒng)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(tǒng)技術(shù)進(jìn)展以及技術(shù)發(fā)展趨勢，以期為未來商用車能源與動力系統(tǒng)技術(shù)方向提供一定的參考和借鑒，推動商用車產(chǎn)業(yè)落實(shí)“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(tǒng)技術(shù)進(jìn)展

1.1 傳統(tǒng)商用車

隨著能源危機(jī)的不斷加劇、環(huán)保形勢的日漸嚴(yán)峻，傳統(tǒng)商用車大排放、高能耗的問題日益凸顯，嚴(yán)重影響了我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。2020年，由中華人民共和國工業(yè)和信息化部（以下簡稱“工信部”）指導(dǎo)、中國汽車工程學(xué)會組織編制的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》（以下簡稱“路線圖2.0”）正式發(fā)布，路線圖2.0 提出預(yù)計(jì)到2035 年，商用車將實(shí)現(xiàn)氫動力轉(zhuǎn)型。在此環(huán)境下，預(yù)計(jì)未來十年內(nèi)，傳統(tǒng)商用車升級換代（低碳化、輕量化）腳步將逐步加快。本節(jié)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(gè)方面系統(tǒng)梳理傳統(tǒng)商用車能源與動力系統(tǒng)技術(shù)。

1.1.1 動力總成高效化

（1）改進(jìn)燃油噴射與供應(yīng)系統(tǒng)

通過迅速燃燒、優(yōu)化噴油時(shí)機(jī)和壓力等適度改進(jìn)燃油噴射與供應(yīng)系統(tǒng)可提高1.5%的制動熱效率，即可降低燃油消耗，達(dá)到一定的節(jié)能減排效果。此前，中國一汽已開發(fā)用于燃油噴射系統(tǒng)的雙壓共軌系統(tǒng)，該技術(shù)由雙壓共軌（內(nèi)部高、低壓力）和雙位置三通電磁閥組成，允許發(fā)動機(jī)匹配3 種噴射速率，圖5 為該項(xiàng)技術(shù)概念示意圖，不同注油速率對應(yīng)不同系統(tǒng)工作方式。

圖5 一汽雙壓共軌系統(tǒng)技術(shù)概念示意圖

（2）高壓共軌系統(tǒng)

高壓共軌系統(tǒng)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(huán)系統(tǒng)中，將噴射壓力的產(chǎn)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(lǐng)域做出了突出貢獻(xiàn)，博世（中國）研發(fā)的高壓共軌系統(tǒng)CRS1-18，適用于輕型商用車等車型，對于雙缸和三缸發(fā)動機(jī)，高壓泵作為預(yù)供油泵，對于四缸發(fā)動機(jī)，機(jī)油潤滑泵和柴油潤滑泵共同作為預(yù)供油泵，所有這些泵均使用1 個(gè)流量計(jì)量單元，并在低壓端進(jìn)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(shí)時(shí)監(jiān)測壓力，在高壓泵上的流量計(jì)量單元調(diào)節(jié)下，實(shí)現(xiàn)軌壓閉環(huán)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(wěn)定的燃油，電磁閥可在每個(gè)沖程實(shí)現(xiàn)5 次噴射，從而降低噪聲、減少油耗、滿足排放。循環(huán)結(jié)構(gòu)的噴油器對于柴油中的顆粒具有很強(qiáng)的耐磨性，ECU控制高壓共軌系統(tǒng)中高壓泵上的流量計(jì)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(yùn)轉(zhuǎn)。整體來說，此類高壓共軌系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)低油耗、強(qiáng)動力、低排放。

（3）大排量大功率發(fā)動機(jī)

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

1.1.2 商用汽車動力總成輕量化

據(jù)相關(guān)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(yīng)減少，有害物質(zhì)排放可減少5%～6%。有研究表明，我國商用車質(zhì)量平均比國外同類型車輛重10%，部分關(guān)鍵零部件質(zhì)量甚至超過國外平均水平30%～40%。目前，輕量化主流技術(shù)有輕材料、新結(jié)構(gòu)等方法。

（1）輕材料

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

表1 東風(fēng)商用車鋁合金零部件應(yīng)用情況［6］

此外，東風(fēng)商用車有限公司也開展了鎂合金熔煉、鑄造、表面防護(hù)、機(jī)械加工等研究，并應(yīng)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(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)優(yōu)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(yōu)化以減輕零件質(zhì)量、增加零件強(qiáng)度，對燃燒室形狀優(yōu)化以延長零件壽命。其中，優(yōu)化燃燒室形狀可以在保證充分利用氣缸內(nèi)可用空間和氧氣條件下同時(shí)降低燃燒溫度，從而有效抑制氮氧化合物的生成，達(dá)到一定的節(jié)能減排效果。

經(jīng)某發(fā)動機(jī)研究院多次試驗(yàn)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(nèi)溫度和壓力迅速提升，從而達(dá)到節(jié)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(kuò)散，從低碳效果來說，盆形燃燒室比屋脊形燃燒室更具優(yōu)勢。

圖6 常見直噴活塞燃燒室形狀

除形狀優(yōu)化外，減小結(jié)構(gòu)尺寸也是一種輕量化體現(xiàn)。例如，依維柯S-Way 牽引車搭載輕量化科索9 L 發(fā)動機(jī)，該款發(fā)動機(jī)未搭載廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，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(yīng)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(yīng)，各國紛紛考慮調(diào)整汽車燃料結(jié)構(gòu)，目前多考慮用液態(tài)石油天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）、壓縮天然氣（Compressed Natural Gas，CNG） 替代傳統(tǒng)燃料，經(jīng)相關(guān)測試，與傳統(tǒng)商用車相比，此類燃料車能耗可降低20%，同時(shí)廢氣中的CO 和NO顯著減少，低碳節(jié)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(shù)，甲醇沸點(diǎn)較低且含氧元素，可以促進(jìn)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(diǎn)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(jié)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(bǔ)給、儲氫、熱管理、車載氫系統(tǒng)等大規(guī)模運(yùn)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(yùn)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(fā)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(nèi)外發(fā)展汽車綠色能源的一大戰(zhàn)略方向。近年來，國內(nèi)清華大學(xué)利用氫氣點(diǎn)火形成分布式燃?xì)馍淞饕及被旌蠚?，并與東風(fēng)商用車聯(lián)合開發(fā)車用重型發(fā)動機(jī)，采用液氨后處理技術(shù)，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(yīng)用氨氫能源關(guān)鍵技術(shù)研制內(nèi)燃機(jī)，并應(yīng)用于重型貨車、拖拉機(jī)等車輛。美國普拉格能源公司（以下簡稱“普拉格”）等已經(jīng)開始布局氨氫供應(yīng)鏈。目前，普拉格已為埃及提供10 萬kW 的電解設(shè)備，該設(shè)備可年產(chǎn)9 萬t 綠氨。此外，美國某工廠應(yīng)用氫氨轉(zhuǎn)換技術(shù)，預(yù)計(jì)每年生產(chǎn)120 萬t 氨，終端用戶再將氨轉(zhuǎn)為氫，以減輕運(yùn)輸和出口壓力，日本2021 年已發(fā)布氨能源戰(zhàn)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(xù)駛里程、安全性能等的要求，更無法滿足國家政策法規(guī)確定的技術(shù)目標(biāo)，現(xiàn)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(shí)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(zhì)量比能量、循環(huán)壽命、放電率、快速充電能力、耐過充能力、記憶效應(yīng)、環(huán)境污染、使用溫度等方面都具有其他電池?zé)o可比擬的優(yōu)勢，現(xiàn)已得到廣泛推廣與應(yīng)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(wěn)定性差，錳酸鋰電池成本、價(jià)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(jià)格便宜，發(fā)展至今始終得到廣泛應(yīng)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(fā)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(dá)60%，續(xù)駛里程較原來提升50%，與高能量三元鋰電池效果相當(dāng)，且由于其內(nèi)部特殊結(jié)構(gòu)以及采取無模組（Cell To Pack，CTP）技術(shù)，電池安全性得到很大保障。此外，寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司（以下簡稱“寧德時(shí)代”）研發(fā)的LFP-CTP電池也逐漸推廣于歐洲商用車市場。

1.2.2 電機(jī)

目前常見的電機(jī)有直流電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)、永磁同步電機(jī)等。在定子銅耗方面，常用的方法有采用高導(dǎo)電率導(dǎo)線降低定子銅耗、采用變頻電磁線提高電機(jī)絕緣性能以及避免電暈產(chǎn)生、采用超薄型硅鋼片降低鐵心損耗。此外，比亞迪設(shè)計(jì)的發(fā)卡式扁線繞組電機(jī)，可有效降低損耗，提高散熱性能，將電機(jī)額定功率提升40%，最高效率達(dá)97.5%；在冷卻系統(tǒng)方面，特斯拉采用空心軸套轉(zhuǎn)子油冷技術(shù)，雖需設(shè)計(jì)復(fù)雜的油路系統(tǒng)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(nèi)某電動汽車品牌旗下的某款車型提供高壓發(fā)夾式電機(jī)，此款電機(jī)采用油冷方式，涵蓋內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子、定子絕緣增強(qiáng)以及HVH 定子繞組技術(shù)，可靠性較強(qiáng)，NVH 性能較好，峰值效率達(dá)96%以上，轉(zhuǎn)矩/功率密度可提高4%。

1.2.3 控制技術(shù)

電池管理系統(tǒng)（圖7）具有多項(xiàng)功能，在荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）方面，將非線性觀測器與電池模型（電化學(xué)模型、等效電路模型等）相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)SOC 動態(tài)估計(jì)?；谀Ｐ偷腟OC 估算方法如圖8所示。

圖7 電池管理系統(tǒng)［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(shí)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(shù)（含均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略）改善電池單體間的不一致性。均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(guān)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(shí)車均衡控制策略算法有電池參數(shù)法、模型預(yù)測控制、模糊控制、滑?？刂频取?/p>

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(zhuǎn)向式3種框架，包含基于穩(wěn)定性控制策略、基于經(jīng)濟(jì)性控制策略以及兼顧穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的控制策略；制動能量回收是節(jié)能環(huán)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(xù)駛里程，系統(tǒng)主要包括電制動系統(tǒng)和液壓制動系統(tǒng)。

1.3 混合動力商用車

《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》的發(fā)布強(qiáng)調(diào)了未來混動技術(shù)的重要性，混合動力汽車充分結(jié)合傳統(tǒng)燃油車與電動汽車特點(diǎn)，提高車輛經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)又將動力性發(fā)揮到了最佳狀態(tài)。商用車載重大，行駛里程長，是節(jié)能減排的重點(diǎn)對象。在環(huán)境污染日益嚴(yán)重的今天，混合動力商用車的發(fā)展將大幅降低CO的排放量，促進(jìn)“雙碳”目標(biāo)的成功實(shí)現(xiàn)?；旌蟿恿ζ嚢凑噭恿ο到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)不同劃分為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)構(gòu)型。

1.3.1 混合動力系統(tǒng)構(gòu)型及商用車應(yīng)用

（1）串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)

圖9 串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)［18］

串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)由發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，并傳輸?shù)絼恿﹄姵兀偻ㄟ^電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動。串聯(lián)式系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)只用于供給電能，延長車輛行駛時(shí)間，其工作狀態(tài)與車輛行駛狀態(tài)無關(guān)，可以始終穩(wěn)定在高效區(qū)域，實(shí)現(xiàn)零污染狀態(tài)行駛。發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、電機(jī)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(yīng)用較多。

BAE Systems 公司的HybridDrive 串聯(lián)混合動力系統(tǒng)通過將小型柴油機(jī)控制在低油耗區(qū)間來優(yōu)化電池和電機(jī)控制，利用制動能量再生系統(tǒng)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(tǒng)以及奔馳公司的Citaro G Bluetec 混合動力系統(tǒng)，可節(jié)約30%油耗，都屬于串聯(lián)式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。彭浩以插電式串聯(lián)混合動力汽車為對象，對離散發(fā)動機(jī)輸出功率進(jìn)行動態(tài)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)了對SOC的約束和節(jié)油效果的提升。

（2）并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)

圖10 并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)［18］

并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)由發(fā)動機(jī)和電機(jī)共同或單獨(dú)驅(qū)動，車輛根據(jù)不同狀況選擇不同的驅(qū)動控制策略，車輛需求轉(zhuǎn)矩較大時(shí)，電機(jī)與發(fā)動機(jī)共同驅(qū)動車輛；車輛需求轉(zhuǎn)矩較小時(shí)，發(fā)動機(jī)和電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動車輛。根據(jù)驅(qū)動電機(jī)和離合器在混合動力系統(tǒng)中的位置，分為P0，P1，P2，P3 和P4 五種類型，如圖11所示。并聯(lián)混合動力系統(tǒng)類型及特點(diǎn)見表2。

圖11 并聯(lián)混合動力系統(tǒng)類型［18］

表2 并聯(lián)混合動力系統(tǒng)類型及特點(diǎn)［18］

DIN?MEN E 等采用極值搜索算法對并聯(lián)混合動力電動汽車設(shè)計(jì)了一種新的能量管理控制策略，通過將發(fā)動機(jī)與電機(jī)兩者能量分布比例調(diào)節(jié)至最優(yōu)來提高系統(tǒng)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(lián)式混合動力系統(tǒng)同時(shí)搭載人工智能系統(tǒng)，通過分析實(shí)時(shí)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(chuàng)新性技術(shù)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(tǒng)，其采用專用的清潔阿特金森循環(huán)柴油發(fā)動機(jī)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(shí)該系統(tǒng)具備6 種工作狀態(tài)，通過在不同工況之間的切換來提高整車的燃油經(jīng)濟(jì)性。戴姆勒公司推出Canter 混合動力貨車，其采用單軸并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，油耗比原車降低了23%。這套驅(qū)動系統(tǒng)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(lián)式混合動力系統(tǒng)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(jī)（I-SAM）是全車的關(guān)鍵部件。PMU 根據(jù)車輛實(shí)時(shí)狀態(tài)選擇不同的變速器換擋策略，當(dāng)車輛啟動或車速較低時(shí)，全車由電機(jī)驅(qū)動而柴油機(jī)不參與驅(qū)動，此時(shí)不會產(chǎn)生任何尾氣，同時(shí)該車還具有制動能量回收的功能，進(jìn)一步提升節(jié)能減排效果。東風(fēng)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(fā)的柴油機(jī)與電機(jī)布置成并聯(lián)式系統(tǒng)，節(jié)油減排率達(dá)到20%以上。伊頓單軸并聯(lián)方案對傳統(tǒng)車改動較小，在保持原型車動力系統(tǒng)參數(shù)不變的情況下，加入驅(qū)動電機(jī)可以大幅改善加速性能和經(jīng)濟(jì)性能，且結(jié)構(gòu)簡單，電機(jī)及電池僅起輔助驅(qū)動的作用，所以可以采用容量較小、成本較低的電池和電機(jī)，純電起步，可以避開發(fā)動機(jī)的惡劣工況，達(dá)到節(jié)油的效果。

（3）混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)

圖12 混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)［18］

混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)結(jié)合了串聯(lián)和并聯(lián)的特點(diǎn)，根據(jù)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(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度大幅提高?；炻?lián)系統(tǒng)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(lián)模式，此時(shí)車輛要求輸出電能較低，無需發(fā)動機(jī)工作即可完成；在經(jīng)濟(jì)時(shí)段，采用純油模式，發(fā)動機(jī)直驅(qū)省略了能量轉(zhuǎn)換損失，使發(fā)動機(jī)在高效區(qū)工作；在加速、爬坡階時(shí)段，采用混合模式，通過發(fā)動機(jī)與電機(jī)配合驅(qū)動提高車輛的動力性與經(jīng)濟(jì)性，減少排放?；炻?lián)式混合動力系統(tǒng)包括串并聯(lián)混聯(lián)系統(tǒng)和功率分流式混聯(lián)系統(tǒng)，串并聯(lián)混聯(lián)系統(tǒng)可以根據(jù)車輛行駛工況切換成串聯(lián)模式或并聯(lián)模式，充分發(fā)揮系統(tǒng)的綜合性能；功率分流式混聯(lián)系統(tǒng)采用行星齒輪機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)和電機(jī)的工作狀態(tài)，通過功率分流裝置進(jìn)行動力耦合。

本田推出的i-MMD 系統(tǒng)，采用串并聯(lián)方案實(shí)現(xiàn)車輛在不同工況下的模式切換，裝備了高效的專用發(fā)動機(jī)，綜合能耗水平與日本豐田公司混合動力系統(tǒng)（Toyota Hybrid System，THS）相近。豐田的MG1通過擴(kuò)大系統(tǒng)的調(diào)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(yuǎn)新能源股份有限公司（以下簡稱“科力遠(yuǎn)”）避開豐田單行星排功率分流的缺點(diǎn)，通過增加行星數(shù)開發(fā)出多種復(fù)合式系統(tǒng)，擴(kuò)大了系統(tǒng)的高效運(yùn)行區(qū)間。Allison 公司推出的城市客車驅(qū)動系統(tǒng)EP40/EP50 屬于雙電機(jī)混聯(lián)構(gòu)型，可實(shí)現(xiàn)多種工作模式，該系統(tǒng)在不同運(yùn)行工況下的燃油經(jīng)濟(jì)性提升30%以上，節(jié)能減排效果顯著。行星混聯(lián)系統(tǒng)已在乘用車上取得巨大成功，同時(shí)也已應(yīng)用于公交客車上，鄭州宇通集團(tuán)有限公司（以下簡稱“宇通公司”）的行星混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)通過動力源與離合器的配合，實(shí)現(xiàn)包括驅(qū)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(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)采用了液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）發(fā)動機(jī)，CO排放量降低50%以上。天津市松正電動汽車技術(shù)股份有限公司提出四代混聯(lián)方案，方案包含純電起步、再生制動等技術(shù)，至少可節(jié)油3%~10%。此外，該方案還可根據(jù)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(shí)現(xiàn)混合動力功能，達(dá)到節(jié)油的效果，又可配置較大電池實(shí)現(xiàn)插電式混合動力模式，“以電代油”降低運(yùn)營成本，獲得政府補(bǔ)貼；增加了兩擋變速器，發(fā)動機(jī)的體積和功率都可以縮小，并且可以覆蓋更多的燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)間。

1.3.2 制動能量回收技術(shù)

制動能量回收技術(shù)是混合動力汽車提升能量利用率的重要技術(shù)手段，目前已有測試表明制動能量回收可節(jié)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(shí)產(chǎn)生的動能進(jìn)行回收，再將其轉(zhuǎn)化為電能儲存在動力電池中，實(shí)現(xiàn)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(shù)通過具有可逆作用的發(fā)電機(jī)將車輛損耗的大量動能轉(zhuǎn)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(shù)由具有可逆作用的泵電動機(jī)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，車輛制動時(shí)將車輛的動能轉(zhuǎn)化為液壓能儲存在儲能器中，車輛啟動時(shí)再將液壓能轉(zhuǎn)化為動能，驅(qū)動車輛行駛。飛輪儲能本質(zhì)是利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪來儲存車輛損耗的動能，車輛啟動時(shí)飛輪釋放動能轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，儲存的是電場能，容量可以達(dá)到上千法拉，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通電容，但是當(dāng)其單獨(dú)作為儲能裝置時(shí)，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(jié)合使用。儲能技術(shù)類型及特點(diǎn)，見表3。

表3 儲能技術(shù)類型及特點(diǎn)［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(dá)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(dá)到56%，較高的商用車數(shù)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(xù)駛里程長、加氫時(shí)間短和使用運(yùn)行零排放等優(yōu)勢，更適合成為運(yùn)輸距離長、載荷重、環(huán)境污染大的商用車的替代車型，所以加快商用車從傳統(tǒng)動力向清潔化、無碳化的氫燃料電池動力轉(zhuǎn)型，將是商用車能源與動力系統(tǒng)技術(shù)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(jìn)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對相關(guān)技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用給予了一系列政策支持，圖13 為國外燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)政策體系與市場現(xiàn)狀。

圖13 國外燃料電池商用車產(chǎn)業(yè)政策體系與市場現(xiàn)狀

自2019 年氫能被首次寫入政府工作報(bào)告以來，我國便不斷加大燃料電池汽車的推廣應(yīng)用，加強(qiáng)燃料電池汽車全產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)政策體系與市場現(xiàn)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(xù)的技術(shù)積累不同，我國更加注重燃料電池商用車的推廣運(yùn)用，依托氫能產(chǎn)業(yè)園區(qū)等實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)營，降低前期推廣難度和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)難度。根據(jù)國際能源署先進(jìn)燃料電池技術(shù)合作計(jì)劃（IEA-AFC TCP）調(diào)查顯示，截至2020年底，全球燃料電池商用車保有量達(dá)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(chǎn)業(yè)政策體系與市場現(xiàn)狀

質(zhì)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(yōu)良等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于車用動力系統(tǒng)，但目前的成本、耐久性等問題依然是限制PEMFC 大面積推廣應(yīng)用的主要因素，根據(jù)美國能源部對燃料電池整車的構(gòu)成成本分析，本節(jié)將從膜電極組件、雙極板等方面對商用車PEMFC 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)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(xué)反應(yīng)與多相材料傳輸?shù)钠脚_，主要包括質(zhì)子交換膜（Proton Exchange Membrane，PEM）、催化層、氣體擴(kuò)散層3 個(gè)子部件。目前，主流膜電極組件采用“七合一”的構(gòu)造方式，如圖15 所示，從外部到內(nèi)部分別為氣體擴(kuò)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(cè)的陰、陽極CL 分別進(jìn)行氫氧化反應(yīng)與氧還原反應(yīng)，質(zhì)子通過PEM 遷移，電子則通過外部循環(huán)從陽極傳輸?shù)疥帢O。GDL是一種多孔介質(zhì)，用于有效傳輸電子和熱量，以及氣相和液相中的反應(yīng)物和產(chǎn)物。其特點(diǎn)是采用催化劑涂覆膜（Catalyst Coating Membrane，CCM）技術(shù)，將CL 與PEM 制備為一體，在降低內(nèi)部質(zhì)子傳輸能量損耗的同時(shí)提高了整體性能。主流膜電極組件構(gòu)造方式，如圖15所示。

圖15 主流膜電極組件構(gòu)造方式

根據(jù)美國能源部提出的2025 年膜電極發(fā)展目標(biāo)，當(dāng)前的主要發(fā)展方向是低Pt載量與長壽命，基于此目標(biāo)，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究，主要集中于對CL和層間界面結(jié)構(gòu)、PEM的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

對CL 的優(yōu)化設(shè)計(jì)又主要從催化劑和催化層結(jié)構(gòu)兩個(gè)角度出發(fā)。催化劑可以顯著降低化學(xué)反應(yīng)的活化能，通過提高反應(yīng)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(jià)格導(dǎo)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(tǒng)碳基載體材料的基礎(chǔ)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(yīng) （Oxidation-Reduction Reaction，ORR）的電化學(xué)性能。WU Dezhe則通過合成負(fù)載在介孔碳載體上的PtCuNi納米粒子，為優(yōu)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(dǎo)電性好、可塑性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，有望代替Pt 催化劑，國內(nèi)外學(xué)者通過摻雜多種雜原子的方式，進(jìn)一步提高了其活性與穩(wěn)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，F(xiàn)e-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(jié)構(gòu)的影響，通過設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)對催化層性能的影響主要體現(xiàn)在碳載體形狀、比表面積和孔隙率的不同會導(dǎo)致導(dǎo)電性、抗腐蝕性能差異。不同結(jié)構(gòu)的碳載體會使離聚物分布不均，從而導(dǎo)致質(zhì)子傳導(dǎo)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(zhì)來降低氣體擴(kuò)散阻力，另一方面，通過梯度化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來提高界面上高離聚物濃度處的導(dǎo)電能力，降低界面上低離聚物濃度處的物質(zhì)傳輸阻力，實(shí)現(xiàn)催化層的整體效能最優(yōu)。

PEM是膜電極中的核心部件，作為電解質(zhì)提供氫離子通道，傳導(dǎo)質(zhì)子，主要分為均質(zhì)膜和復(fù)合膜兩種。PEM分類如圖16所示。

圖16 質(zhì)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(yè)化PEM，并且由于其優(yōu)異的化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性以及卓越的質(zhì)子導(dǎo)電能力，被用作表征PEM 性能的基準(zhǔn)。當(dāng)前PEM 主要發(fā)展方向?yàn)楦叩馁|(zhì)子導(dǎo)電率與熱穩(wěn)定性。為了獲得更高的質(zhì)子導(dǎo)電率，車用PEM 呈現(xiàn)出不斷變薄的趨勢以降低質(zhì)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(qiáng)型復(fù)合PEM，使膜的厚度進(jìn)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(fù)合膜。此外，提高PEM 的熱穩(wěn)定性有助于加快電極反應(yīng)，避免催化劑中毒，由于改性的PFSA 熱穩(wěn)定性無法達(dá)到要求，有機(jī)/無機(jī)復(fù)合膜和非水質(zhì)子溶劑膜正成為高溫PEM 的發(fā)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(chǎn)企業(yè)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(nèi)以鴻基創(chuàng)能科技（廣州）有限公司（以下簡稱“鴻基創(chuàng)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(chǎn)線，年產(chǎn)能在數(shù)千平方米至數(shù)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(dá)到1～2 萬h。未勢能源科技有限公司、上海納爾實(shí)業(yè)股份有限公司、上海捷氫科技有限公司等企業(yè)也初步建立了膜電極生產(chǎn)線。目前市場上生產(chǎn)PFSA 的企業(yè)主要來自于美國、日本、加拿大及中國。我國雖已具備PEM 國產(chǎn)化能力，但實(shí)際裝車使用的電堆仍大量依賴進(jìn)口。部分國內(nèi)外膜電極產(chǎn)品參數(shù)及產(chǎn)能對比見表4。

表4 部分國內(nèi)外膜電極產(chǎn)品參數(shù)及產(chǎn)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(zhì)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(yīng)氣體并排出反應(yīng)的熱量和水。根據(jù)雙極板材料的不同可以分為石墨雙極板、金屬雙極板和復(fù)合雙極板，其中金屬雙極板由于強(qiáng)度高、易成形等優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)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(huán)境下，所以其導(dǎo)電性與耐久性是衡量整體性能的兩項(xiàng)重要指標(biāo)。金屬雙極板的導(dǎo)電性與耐久性主要受到表面形狀和結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(jù)涂層的元素組成，涂層可分為金屬涂層、非金屬涂層和復(fù)合涂層。金屬涂層導(dǎo)電性與化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良但成本較高，制備工藝復(fù)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(fù)合涂層，其在具有一定耐蝕性的基礎(chǔ)上，保持了良好的導(dǎo)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(nèi)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(chuàng)能科技有限公司等企業(yè)的金屬雙極板均取得較大技術(shù)進(jìn)展，產(chǎn)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(chǎn)線已于2021年3月在常熟投產(chǎn)。

1.4.3 氫氣循環(huán)泵

在PEMFC 工作過程中存在化學(xué)反應(yīng)不完全現(xiàn)象，會導(dǎo)致一部分多余的氫氣未參加反應(yīng)，氫氣循環(huán)泵主要將這部分氫氣輸送回輸入端，減少反應(yīng)積聚積水與燃料浪費(fèi)。機(jī)械泵系統(tǒng)是最早的氫氣循環(huán)系統(tǒng)，通過蓄電池驅(qū)動，可以實(shí)現(xiàn)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(chǎn)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(shè)計(jì)了雙引射器，利用高低壓兩個(gè)氫氣引射器替代氫氣循環(huán)泵來實(shí)現(xiàn)氫氣循環(huán)功能，在降低功耗、體積的同時(shí)提高了燃料電池性能。脈沖式單引射器在雙引射器的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化了結(jié)構(gòu)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(wěn)定性不佳，并且無法在低功率下去除電堆中產(chǎn)生的液態(tài)水與積聚的氮?dú)狻Ｍㄟ^引射器加旁路噴射器系統(tǒng)定期執(zhí)行吹掃，可以有效解決積水與氮?dú)?，保證陽極氫氣濃度。此外，為了解決引射器低功率區(qū)不工作的問題，可以在低功率區(qū)通過引入氫氣循環(huán)泵實(shí)現(xiàn)氫氣循環(huán)，該方案綜合了兩種方式的優(yōu)點(diǎn)，但對引射器與氫氣循環(huán)泵的匹配和控制提出了較高的要求。此外，德國BUSCH 公司研發(fā)的無油爪式真空氫氣循環(huán)泵已實(shí)現(xiàn)工作12 000 h 內(nèi)免維護(hù)，在極大提高可靠性的同時(shí)也將噪聲降低到68/73 dB。

1.4.4 車載儲氫技術(shù)

車載氫氣儲存問題一直是制約燃料電池汽車技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問題，目前車載純氫主要通過高壓氫氣儲存、低溫液態(tài)氫儲存、固態(tài)儲氫等方法，其主要技術(shù)指標(biāo)見表5。

表5 主流儲氫方式對比

由于固態(tài)儲氫的單位質(zhì)量儲氫密度低且成本高，并不適用于商用車，而液態(tài)儲氫技術(shù)尚不成熟，所以以儲氫罐為容器的高壓氫氣儲存技術(shù)應(yīng)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(nèi)膽纖維纏繞瓶、Ⅲ型鋁內(nèi)膽纖維纏繞瓶及Ⅳ型鋁合金內(nèi)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(nèi)襯，加上碳纖維強(qiáng)化層和玻璃纖維保護(hù)層組成，重量儲氫密度大于5 wt%，體積儲氫密度達(dá)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(tǒng)普遍處于35 MPa 壓力技術(shù)水平，使用碳纖維包覆銀合金內(nèi)膽儲氫瓶，隨著使用標(biāo)準(zhǔn)的不斷提升，我國在2017 年頒布了70 MPa Ⅲ型儲氫瓶的使用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 35544—2017《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)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(jù)美國能源部（Department of Energy，DOE）提出的儲氫目標(biāo)，質(zhì)量儲氫密度應(yīng)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(tài)儲氫方式則無法實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，所以有必要發(fā)展低溫液態(tài)儲氫技術(shù)。為了解決其生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵問題，主要通過降低液氫制備能耗來降低成本。實(shí)踐表明，擴(kuò)大制備規(guī)模可以有效降低制備成本，通過大規(guī)模設(shè)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(xiàng)目和日本的WE-NET 項(xiàng)目通過改良工藝的方式，實(shí)現(xiàn)了5～8 kWh/kg 左右的能耗目標(biāo)。目前，美國的液化氫產(chǎn)能占全世界80%以上，美國空氣化工產(chǎn)品公司、法國液化空氣集團(tuán)等在美國新建設(shè)的工廠已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)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(chǎn)能低于5 t/d 且主要用于航空產(chǎn)業(yè)，因此有必要加強(qiáng)我國液氫整體制造能力，推動民用液氫市場的發(fā)展。2021 年11 月，我國開始施行《氫能汽車用燃料液氫》《液氫生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》和《液氫貯存和運(yùn)輸技術(shù)要求》三項(xiàng)全新國家標(biāo)準(zhǔn)，以成都深冷液化設(shè)備股份有限公司、鴻達(dá)興業(yè)股份有限公司等企業(yè)也在氫液化、液氫儲罐等相關(guān)技術(shù)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(tǒng)輸出電壓轉(zhuǎn)換至與負(fù)載端需求電壓相匹配，以解決燃料電池輸出電壓不穩(wěn)定、響應(yīng)慢的問題，是燃料電池汽車中的關(guān)鍵部件。根據(jù)其使用需求與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，目前DC/DC 的主流發(fā)展方向?yàn)楦咴鲆妗⒌蛽p耗、長壽命。傳統(tǒng)的DC/DC 變換器采用單路升壓技術(shù)，通過單路Boost 變換器進(jìn)行升壓，最高增益比只能達(dá)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(jié)合，設(shè)計(jì)出交錯(cuò)并聯(lián)的Boost 全橋DC/DC 變換器，在減小波紋電流的同時(shí)提高了整體效率。彭再武等通過將4 個(gè)Boost 電路并聯(lián)輸入，采用移相升壓控制，在降低電堆波紋輸出的同時(shí)提高了效率。LEE 等設(shè)計(jì)出一種三相電流饋電推挽式DC/DC 變換器，能夠有效實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，提高效率。隨著近年來半導(dǎo)體材料技術(shù)的發(fā)展，搭載SiC MOSFET 開關(guān)器件的三相交錯(cuò)并聯(lián)升壓電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)正成為研究熱點(diǎn)。此外，通過對控制算法的優(yōu)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(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢

國際經(jīng)貿(mào)機(jī)制不斷調(diào)整，加之國內(nèi)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(zhuǎn)型發(fā)展，集中式架構(gòu)、氨燃料、氫燃料等新概念、新技術(shù)在商用車上得以轉(zhuǎn)化和應(yīng)用。商用車能源與動力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）短期內(nèi)，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(dāng)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(gòu)演進(jìn)已是大勢所趨。從整車控制技術(shù)角度考慮，為降低能耗、成本以及減輕質(zhì)量，未來商用車將逐漸向集中式架構(gòu)演進(jìn)，如微輕型純電動商用貨車采用同軸橋驅(qū)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(qū)動總成形式，可為電池放置提供更多空間，但受限于該項(xiàng)技術(shù)研發(fā)不夠成熟，成本相對較高，暫未得到全面推廣應(yīng)用。此外，高壓電控也逐漸趨于集成化，即將驅(qū)動電機(jī)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(gè)平臺上，以達(dá)到提高空間利用率的效果。

（3）48 V 輕混路線短期內(nèi)會有更高普及度。不斷嚴(yán)苛的油耗法規(guī)促使汽車廠商選擇短期內(nèi)能夠提升節(jié)能效果的技術(shù)，48 V 系統(tǒng)通過DC/DC 轉(zhuǎn)換器，在12 V系統(tǒng)的基礎(chǔ)上集成高電壓系統(tǒng)，降低了技術(shù)難度和開發(fā)成本。同時(shí)，48 V 技術(shù)能夠避開日系混動技術(shù)的屏障，掌握技術(shù)研發(fā)主動權(quán)，并且我國部分自主品牌電氣化節(jié)能技術(shù)不夠成熟，48 V 路線將成為其在短期內(nèi)考慮的第一選擇，已經(jīng)掌握48 V產(chǎn)品研發(fā)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(chǎn)業(yè)集群與技術(shù)研發(fā)體系的形成。在推廣應(yīng)用方面，我國已經(jīng)明確通過商用車的發(fā)展來規(guī)模化降低燃料電池和氫氣成本，后續(xù)拓展到乘用車領(lǐng)域。因此，發(fā)展面向商用車集約式使用場景的產(chǎn)業(yè)集群與技術(shù)研發(fā)體系具有重要意義，通過構(gòu)建“研究機(jī)構(gòu)/實(shí)驗(yàn)室–企業(yè)–產(chǎn)業(yè)園”的協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制，以重點(diǎn)地區(qū)的商業(yè)化示范運(yùn)營，帶動全產(chǎn)業(yè)鏈的成熟和完善。

（5）氨氫融合一體化將是未來商用車發(fā)展的主要趨勢。從燃燒產(chǎn)物來說，氨是一種零碳燃料，從商業(yè)成本來說，我國年產(chǎn)合成氨占全球產(chǎn)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(yùn)介質(zhì)。因此，氨氫融合作為能源與動力領(lǐng)域的重大變革，研究氨氫混合氣體燃燒機(jī)理，尋找最佳燃燒方式，將為“雙碳”目標(biāo)背景下商用車發(fā)動機(jī)變革提供重要方向。

3 結(jié)論

研究表明，“雙碳”目標(biāo)背景下，傳統(tǒng)商用車能源與動力系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展較為成熟，但為適應(yīng)“雙碳”目標(biāo)下的市場需求，輕量化、高熱效率、低摩擦等已成為傳統(tǒng)商用車技術(shù)改進(jìn)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(shí)無法滿足長距重載運(yùn)輸；氫燃料電池商用車成本較高，導(dǎo)致推廣受限。

未來商用車研究和推廣發(fā)展趨勢主要集中在以下幾個(gè)方面：

（1）短期3-5 年內(nèi)，將是新能源商用車快速發(fā)展階段。根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會公開數(shù)據(jù)可知，2020 年，新能源商用車?yán)塾?jì)銷售12 萬輛，同比增長－20.8%，2021 年1-11 月，累計(jì)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(jìn)、共同發(fā)展。這不僅是“雙碳”目標(biāo)的推動結(jié)果，也是商用車發(fā)展的必經(jīng)之路。商用車減碳任重道遠(yuǎn)，單一電動化技術(shù)路徑難以支撐產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，需要混合動力、氫燃料電池等其他減碳技術(shù)路徑共同發(fā)展，才能應(yīng)對當(dāng)下能源緊張、氣溫升高等亟待解決的問題。

（3）示范應(yīng)用將逐步有序地開展。目前，財(cái)政部、工信部、科技部、發(fā)改委和國家能源局等已經(jīng)發(fā)布了關(guān)于啟動燃料電池汽車示范應(yīng)用工作的通知，包括重點(diǎn)支持燃料電池商用車示范應(yīng)用以及重點(diǎn)推動中遠(yuǎn)途、中重型商用車示范應(yīng)用，并確定了京津冀、上海、廣東等多個(gè)城市群作為示范應(yīng)用。

在此趨勢下，商用車企業(yè)可考慮從以下幾條路徑出發(fā)：（1）提高用車能效，加快發(fā)展新能源和高效動力傳動技術(shù)，挖掘商用車節(jié)能減排潛力。（2）加強(qiáng)能源互動，包括車網(wǎng)融合、氫能等技術(shù)研究。（3）增強(qiáng)全生命周期減碳意識，構(gòu)建全價(jià)值鏈綠色生態(tài)，推動全產(chǎn)業(yè)鏈降碳。