張俊生，牛 斌，李達峰，王文君，殷傳峰

（1.山西省交通運輸廳，山西 太原 030001；2.山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

在“雙碳”戰(zhàn)略、深入打好污染防治攻堅戰(zhàn)、電動汽車換道超車等新能源汽車利好政策下，國家又出臺了相關(guān)政策，比如《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》[1]明確提出了“加快充換電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”和“鼓勵開展換電模式應(yīng)用”，為電動重型載貨汽車的研發(fā)和應(yīng)用提供了政策支撐。車用電池技術(shù)的不斷改進發(fā)展、創(chuàng)新的商業(yè)模式為電動重型載貨汽車提供了技術(shù)和市場發(fā)展路徑，為探究電動重型載貨汽車發(fā)展趨勢和方向，本文對電動重型載貨汽車技術(shù)發(fā)展、應(yīng)用現(xiàn)狀、充換電補能設(shè)施發(fā)展，以及存在的問題、潛在風(fēng)險及發(fā)展趨勢進行分析，提出現(xiàn)階段應(yīng)審慎考慮電動重型載貨汽車的大面積推廣應(yīng)用，宜先行開展特定場景的試點示范。

1 電動重型載貨汽車特點與技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

電動重型載貨汽車在減污降碳、操作使用及補能成本等方面具有一定優(yōu)勢。電力驅(qū)動可實現(xiàn)使用端零排放，具有噪聲低、振動小、換擋易等特點，極大改善了駕乘體驗。在部分應(yīng)用場景中，電耗成本遠低于燃油車，經(jīng)濟效益明顯。

電動重型載貨汽車的關(guān)鍵技術(shù)集中于電池、電機、電控。動力電池的價格、續(xù)航、充電時間和安全性等關(guān)鍵要素制約著整車的推廣。電動汽車要求動力電池同時具備高能量密度、快速充電、深度放電能力、長壽命、高安全性、低成本、免維修、低污染和易回收等一系列技術(shù)要求。目前，電動重型載貨汽車的車用電池以磷酸鐵鋰為主，因為在安全穩(wěn)定性方面，磷酸鐵鋰電池比三元鋰離子電池有優(yōu)勢，且成本更低，但磷酸鐵鋰電池的理論能量密度大概在160 W·h/kg，導(dǎo)致其技術(shù)提升空間有限。通過對磁、電、熱耦合優(yōu)化以及超導(dǎo)、非晶高導(dǎo)低損材料的應(yīng)用，可有效提高電機功率密度，電機效率目前最高可達95%，功率密度可達3.8～4.0 kW/kg[2]。電機控制器的作用是通過對輸出電流、電壓和頻率的控制，進而控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。電控系統(tǒng)伴隨著自動控制理論、電力電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)的深入發(fā)展而逐漸成熟，目前，電動重型載貨汽車的電控系統(tǒng)以MOSFET和IGBT為主流算法，電控系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)已經(jīng)基本成熟。

2 電動重型載貨汽車充電設(shè)施需求

根據(jù)電動重型載貨汽車的使用特點，設(shè)計符合其載重大、功耗高要求的動力電池模塊，才能滿足運輸需求。充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)經(jīng)過多年的政策扶持，已成規(guī)模。但是，由于早期規(guī)劃的局限性，產(chǎn)生技術(shù)標準不統(tǒng)一、供給和需求未能恰當(dāng)匹配的問題。對于電動重型載貨汽車而言，一般為用戶、運營商或第三方投資建設(shè)的專屬充電樁，多為直流快充。大功率快充設(shè)施配置不足成為制約電動重型載貨汽車推廣的重要因素。

充電模式具有顯著的優(yōu)勢。充電樁的電力供應(yīng)穩(wěn)定且充電技術(shù)難度較低，建設(shè)投入成本低；兼容性好，一般能夠向下兼容；充電樁功率低，接入電網(wǎng)容量小，對電網(wǎng)沖擊?。蝗斯げ僮靼踩喴?，無需考慮漏電等設(shè)施問題。但其劣勢也很明顯，如充電時間長，運營低效，無法滿足長距離運輸要求，充電模式重型載貨汽車采購成本較同級別燃油車價格高，電池自重較高，降低了載貨量，電池快充加速壽命衰減，電池更換成本高。

由于純電動重型載貨汽車載重大、功耗高，如采用傳統(tǒng)的充電模式，每天需多次補充電能，補充時間約為2 h，導(dǎo)致運營效率不高。作為城際貨運的主力，重型載貨汽車多行駛于國省干線和高速公路，然而，受動力電池容量和車型的限制，純電動重型載貨汽車的續(xù)航里程在200 km以內(nèi)，加之途徑路線極少建設(shè)大功率充電設(shè)施，無法實現(xiàn)中長途運輸。國內(nèi)外品牌純電動重卡車型及充電時間如表1所示。

表1 國內(nèi)外品牌純電動重卡車型參數(shù)

3 電動重型載貨汽車換電模式發(fā)展

在補能方面，新能源汽車換電模式和快充模式相比，快充模式在現(xiàn)階段占有了一定優(yōu)勢，但電壓提升帶來安全性、對電池性能損害的問題，使得其存在發(fā)展局限。而換電模式在短時間內(nèi)限于技術(shù)、標準等因素，難以成為市場主流。但從長遠角度來看，部分專家學(xué)者認為若突破技術(shù)瓶頸，換電模式相較于快充模式更具有一定的戰(zhàn)略意義。

3.1 換電模式的優(yōu)勢

3.1.1 車電分離 降低購車成本

車電分離可以實現(xiàn)用戶只購買車輛主體，不購買電池，從而大大降低消費者的購車成本。

3.1.2 消除里程憂慮 提升運營效率

服務(wù)于沿海港口、大型物流園、礦區(qū)等地的重卡、礦卡耗電量高，單日補能次數(shù)更多；同時電池容量大，充電時間較長。采用換電后可有效提升運營時間，實現(xiàn)連續(xù)運營。重卡電池普遍容量為282 kWh，續(xù)航里程150～200 km，按單日行駛里程300～500 km計算，單日需補能2次，快充補能時間為1～1.5 h/次，換電相比快充可為司機節(jié)省出2～3 h的工作時長，提升了盈利能力。

3.1.3 延長動力電池壽命 提升安全性

電池由運營商進行統(tǒng)一管理，在適合的溫度下以穩(wěn)定的電流統(tǒng)一充電，可有效提高電池的安全系數(shù)。

3.1.4 利用峰谷電價差降低充電成本

專業(yè)電池運營公司可以利用峰谷優(yōu)惠電價時段和錯峰時段充電，從而實現(xiàn)最大的經(jīng)濟效益和削峰填谷的社會效益。

3.1.5 催生新的服務(wù)業(yè)態(tài)

未來可能出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)預(yù)約換電業(yè)務(wù)，車主通過相關(guān)軟件提出換電需求，換電車根據(jù)需求及時抵達，提供便捷的換電服務(wù)，或可催生新業(yè)態(tài)。

3.2 換電模式存在的問題

3.2.1 電路接口的可靠性問題

電動汽車面對的是戶外大振動使用環(huán)境，電池組在高電壓、大電流、強震動的環(huán)境下，其換電接口部件壽命、安全、可靠性是需要考慮解決的問題。

3.2.2 新技術(shù)迭代和換代風(fēng)險

新能源汽車動力電池由小到大的組裝關(guān)系為：電芯-模組-電池包。新能源汽車車身與電池結(jié)構(gòu)技術(shù)，業(yè)內(nèi)普遍認為大致經(jīng)歷3個時代，即第1代傳統(tǒng)階段（電芯-模組-電池包-車身）、第2代CTP階段（電芯-電池包-車身）、第3代CTC階段（電芯-車身）。目前新能源汽車基本采用第2代技術(shù)，但被視為技術(shù)變革又一風(fēng)口的CTC電池車身一體化的第3代技術(shù)，已由特斯拉在柏林工廠正式投產(chǎn)的Model Y車型上實現(xiàn)。換電技術(shù)面臨第3代技術(shù)的挑戰(zhàn)和擠壓。

3.2.3 龐大的資金壓力與資源調(diào)配問題

為了實現(xiàn)換電的優(yōu)勢，讓車主體驗其便利性，要求換電運營商具備以下必要條件：足夠數(shù)量的換電站；投入巨額資金，配備足夠數(shù)量的備用電池；協(xié)調(diào)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈、不同廠家技術(shù)標準；承擔(dān)電池技術(shù)迅猛發(fā)展帶來迭代和換代技術(shù)的風(fēng)險和不確定性。

3.2.4 安全與責(zé)任界定問題

換電模式的發(fā)展有可能徹底改變汽車企業(yè)、能源企業(yè)和消費者的三方結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)電池制造商和充電運營商等參與方。在新商業(yè)運行模式中，電池的日常維護工作由誰來承擔(dān)，當(dāng)出現(xiàn)安全問題時責(zé)任如何界定等都是有待解決的難題。

4 新能源重卡推廣風(fēng)險及未來發(fā)展方向

4.1 重卡換電模式推廣的潛在風(fēng)險

2020年9月，中汽協(xié)、電池產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、充電聯(lián)盟、一汽、上汽、東風(fēng)等20家企業(yè)，成立了車電分離生態(tài)圈建設(shè)[3]，旨在促進換電平臺、技術(shù)、電池包等標準的研究和制定。需要對相關(guān)企業(yè)的產(chǎn)品、車身型式、尺寸進行兼容整合，才能形成統(tǒng)一的換電標準并執(zhí)行，短時間內(nèi)難以實現(xiàn)。其次，存在經(jīng)營風(fēng)險。換電站的建設(shè)及運營是換電模式的核心，面臨審批難度大、選址與配電接入難、建設(shè)耗費投資大、換電共享化與智能化推動難、短期投資收益預(yù)期少等問題。換電模式應(yīng)用初期主要集中在城市出租、網(wǎng)約車等公共用車領(lǐng)域，重卡換電剛剛起步，其運營模式、盈利邏輯還未清晰。最后，技術(shù)迭代風(fēng)險。經(jīng)過電池和汽車生產(chǎn)廠家的試點運營，換電站在運營和技術(shù)方面的風(fēng)險已基本掌握并在可控范圍之內(nèi)，但隨著新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用也會帶來新的風(fēng)險。

4.2 新能源重卡未來發(fā)展方向

新能源重卡尚處于起步階段，市場也在按照不同的場景需求不斷變化，行業(yè)現(xiàn)在還不能將純電作為重卡唯一的發(fā)展方向。對于新能源重卡，現(xiàn)在無論是純電動技術(shù)、還是氫燃料電池技術(shù)，都存在一些技術(shù)不成熟之處。未來到底是充電的純電動，是換電的純電動，還是氫燃料電池，亦或是甲醇燃料電池，可能還要隨著技術(shù)的發(fā)展進一步觀察和探索。根據(jù)不同的應(yīng)用場景，需要制定不同的技術(shù)方案，比如：市政環(huán)衛(wèi)與城配物流等適合純電動商用車及換電技術(shù)路線；氫燃料電池是長途貨運車輛重點技術(shù)方向；增程式技術(shù)路線適合中、長途運輸場景。在重載領(lǐng)域，氫燃料電池有一定的優(yōu)勢，被部分業(yè)內(nèi)人士視為重型商用車的終極路線。

5 結(jié)語

山西省僅大運汽車開展了電動重卡的制造，但不完全掌握電池制造、電機制造、電控系統(tǒng)、充換電技術(shù)、充換電裝備制造等上下游產(chǎn)業(yè)技術(shù)，有必要進一步深入開展技術(shù)研發(fā)和市場調(diào)研。宜采用“典型引路”方式，在局部開展試點應(yīng)用，山西省一些礦區(qū)、場區(qū)已開始電動重卡應(yīng)用嘗試，例如智慧交通產(chǎn)業(yè)園已結(jié)合自身區(qū)域、場景特點嘗試電動重卡換電應(yīng)用探索，其技術(shù)經(jīng)濟等諸多指標尚需一定時間觀察總結(jié)。因此，建議審慎開展電動重卡的大面積推廣應(yīng)用，待典型示范應(yīng)用取得一定成果、相關(guān)技術(shù)成熟、盈利模式清晰后，再適時導(dǎo)入中、長距離運輸場景，進行全面推廣。