燃料电池重型货车整车开发主要矛盾辨析与应对研究

白雪松，宋 琳

（1.上汽集团商用车技术中心，上海 200438；2.上汽红岩汽车有限公司，重庆 401122）

当前，“低碳”和“环保”作为引领未来车辆技术发展的两个重要关键词，已在全球形成普遍共识。根据2019 年中国向国际社会公布的2014 年国家温室气体清单，交通运输温室气体排放8.2 亿t CO当量，占全国温室气体排放总量的6.7%，其中道路运输在整个运输领域占比高达84.1%，而中重型商用汽车又在道路运输中占比达46.9%；在污染物排放方面，全国机动车4 项污染物排放总量为1 603.8 万t，其中重型货车在各类型汽车中的NO排放量占比高达74%，颗粒物（PM）排放量占比为52.4%。虽然中重型货车在全国机动车总数中的比重极少，但却是温室气体及污染物排放的主要贡献者，且在履行《巴黎协定》承诺，展现大国担当，建设生态文明社会的国际国内大背景下，势必成为今后减排降污的关键对象。加快以柴油燃料为主的中重型货车向电动化转型是解决上述问题的主要途径，纯电动与燃料电池是实现电动化转型的两个最重要的技术路线。首先介绍了纯电动路线在长途重型货车上的应用痛点，强调长途重型货车更适宜采用燃料电池的技术路线，并进一步分析燃料电池重型货车在整车开发中遇到的主要问题，即过低的车载储氢量导致的低续驶里程，并提出相应的解决方案。

1 未来重型货车极有前途的氢燃料解决方案

得益于国家政策的推动，近十年来商用汽车在电动化进程中取得了迅猛的发展。我国商用汽车最先在公共领域启动电动化，采用了纯电动的技术路线。目前，新增的城市公交客车，纯电动化率占比已高达90%以上，货车领域电动化主要集中在环卫车和城市轻型物流配送车上，近期还出现了一些如港口牵引、城建渣土、厂区运输等特定场景的换电式纯电动货车。总体来讲，当前商用汽车电动化发展以纯电动为主，且货车领域电动化滞后于客车领域，尤其是长途（500 km以上）重型货车，几乎鲜有电动化车辆的踪迹。

1.1 长途重型货车宜采用氢燃料电池方案

回顾过往，长途重型货车在电动化进程中长期停滞不前，在充分考虑了续驶里程，充、换电的方便性和电池附加质量后，大多数企业似乎已放弃了纯电动的技术路线。目前，行业内更倾向于在长途重型货车上采用燃料电池（本文特指氢燃料质子交换膜燃料电池）的技术方案，并且近三年在氢能上下游供应链、关键零部件与技术开发方面都有了很大的突破，投资及产业化步入了快速发展期。

和纯电动路线相比，燃料电池路线在长途重型货车上的应用具有如下优势：一是能量补给优势，相比较锂电池充电，氢气加注更快；二是续驶里程优势，同等系统质量下，燃料电池系统比纯电动系统能量密度更高，续驶里程更长，对于长途运输场景，这两点尤为重要。此外，氢作为理想能源，可通过适当的生产途径最大限度地减轻对环境的影响，实现车辆上的绝对零排放，而锂电池从最初的矿物开采到报废处理，都会给环境带来较大负担。

某42 t 长途牵引汽车采用纯电动路线，电池容量为400 kWh（在目前的水平以上），电池系统质量超3 t，满载每百公里耗电量为160 kWh，考虑电池系统要保留必要的剩余电量（SOC 为20%），车辆在运行200 km 后（约2.5 h）需立刻充电。目前，面向大中型商用汽车的高功率充电桩，常用功率为150 kW，也有更大功率的充电桩（如180 kW、240 kW、360 kW 等）。使用大功率充电需考虑对电池寿命的影响，即使忽略此点，充电也需要1 h以上，不适合长途重载运输工作场景的需求，与高效、快速的客户需求产生了突出的矛盾。当下国家电力投资集团公司推出的换电模式方案，采用宁德时代锂电池，适合重型货车运输的电池容量有282 kWh、350 kWh 等，虽然约5 min 便可完成自动换电，但是同等电量下，换电系统质量更大，且一辆车需数个电池系统配套，目前仅在固定路线场景的中短途货车上使用，应用于长途货车并非明智的选择。

虽然氢气具有负的焦耳—汤姆森效应，导致充气时瓶内温度升高，同时增大加注质量流率也会导致瓶内升温速率指数增长，进而影响加注能耗与瓶内加满度，甚至影响瓶内材料属性，但是燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicle，FCV）仍具有纯电动汽车无法比拟的能量加注优势，从而适用于长途重型货车。有加注试验显示，对某35 MPa 的物流车辆加注，3 个车载氢瓶总容积为420 L，耗时470 s 加注氢气8.21 kg，加满度SOC 为88%；对某70 MPa乘用车进行加注，耗时276 s，且经过3次检漏后加注氢气5.08 kg。长途重型货车对车载储氢量要求远大于上述两类参照车辆，加注流量也会更大，仍以42 t 长途牵引汽车为例，为满足500 km 的续驶里程，大约需要50 kg的储氢量（工程可实现），在团体标准《燃料电池汽车高压氢气加注技术规范》意见稿中，对于储氢量大于10 kg的车辆，要求加注流程不得超过120 g/s，依照当下水平可实现20 min内充满，且续驶里程远超纯电动方案，基本满足客户对高效、快速的需求。

即便如此，一些学者对燃料电池在重型货车上的应用前景仍持谨慎态度，其观点主要是从燃料电池的可靠性、价格、使用经济性以及是否真正实现节能减排的角度考虑。第一，燃料电池的可靠性（寿命）以及价格等是影响市场化应用的重要因素。随着近几年国家对燃料电池及其上下游产业链的政策扶持，行业对其研发与产业化的投入，燃料电池在可靠性与价格方面均有长足进步，有理由相信这两方面不会成为未来大规模应用的障碍；第二，应该认清燃料电池为道路运输提供了一个不同于传统柴油燃料的解决方案，以解决严重的温室气体和污染物排放问题，这是其意义所在，而不是从整个生命周期的经济性及能量消耗的角度出发，得出燃料电池汽车优于传统柴油汽车的结论，恰恰相反，燃料电池汽车相比于柴油汽车在整个生命周期的经济性及能量消耗上将在很长时间内处于劣势；第三，氢燃料电池虽是绝对的零排放，但氢却是一种工业产品，在生产过程中会带来一定的碳排放及环境污染，从碳排放角度考虑，氢的生产及运输途径至关重要，它决定了车辆的整个“井到轮”（Well-to-Wheel，WTW）过程是否真正实现了节能减排，而不是自欺欺人，这为燃料电池真正实现节能减排提出了一些限定条件，为行业发展指明了正确方向。

关于第三点，众多学者做了分析与评估。LIU Feiqi 等通过中国案例评估了未来燃料电池道路运输车辆的部署对温室气体（Greenhouse Gas，GHG）排放的影响，指出如果FCV 在中国的销量在2050年达到800万辆，与无FCV的情况相比，整个道路车辆的GHG排放量将减少约13.9%，重型货车在其中的贡献率约为1/5，同时强调制氢途径在未来将至关重要，如果使用低效的氢气路径，FCV可能无法真正实现减排目标，只有清洁能源才能减少GHG 的排放量。WANG Qun 等通过对WTW的分析，估算了2017-2030 年中国12 条氢路径下FCV 的WTW 化石燃料消耗，与传统内燃机相比，11 条路径均能减少化石燃料消耗（减少约11%～92%），而通过国家电网的现场水电解制氢，化石燃料消耗反而增加了10%，这是因为目前电网2/3以上电力仍由火电产生。在不久的将来，考虑到氢仍将主要由化石燃料生产，充分利用工业副氢将有助于中国的低碳发展，而从长远来看，氢气通过可再生能源供应才是确保脱碳、清洁以及可持续的正确方向。ÇABUKOGLU 等通过对瑞士全国的道路运输重型货车进行分析研究，考虑到每辆车的日常运行模式来评估FCV应用的可行性，指出氢燃料电池技术是一种非常有吸引力的重型汽车减排方案，但需要大量的投资来确保氢气的绿氢属性，同时在白天要有足够的机会获得氢补给。

胡浩然等指出，氢气在制备、存储和运输方面面临的挑战远大于燃料电池系统的技术和成本，不能满足商用汽车的要求，而固态氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）由于具有超过60%的最高能源转换效率和使用燃料的多元性，所以是车用动力的最佳选择，值得持续关注。

1.2 纯电动与燃料电池路线互为补充关系

在货车电动化的路线选择上，纯电动与燃料电池不应是零和关系，而是不同应用场景与不同减碳途径互为补充的关系。

第一，实践证明了纯电动路线在中短途运输领域，尤其在公共领域的应用是成功的。例如，在城市环卫车辆上的广泛应用，规模化的应用带来了技术的进步与价格的进一步降低，纯电动路线会在一段时间内比燃料电池路线更具价格优势。随着燃料电池技术的逐步成熟与成本的下降，预测FCV会渐进式进入纯电动汽车的应用领域。由于燃料电池路线更适合应用于长途重型货车，从而形成与纯电动路线互补的覆盖更多应用场景的格局。

第二，纯电动与燃料电池汽车均能起到电力消纳的作用，纯电动汽车的电力主要来源于国家电网，在电力负荷低谷时（如夜间）进行充电能达到很好的收益。燃料电池的氢气燃料来源于多种途径，更重要的是氢气作为一种能量载体，对解决电力消纳，尤其是走出可再生能源的消纳困境意义深远，可削弱可再生能源的随机性与间歇性的影响，减少“弃电”情况的发生，对推动以可再生能源为主体的绿色、低碳能源体系建设这一国家战略意义重大。

第三，燃料电池系统比庞大的纯电动电池系统环境更友好。从材料应用上看，燃料电池和氢瓶本身的危废量较为有限，而质量巨大的锂电池系统含有众多的污染物，且当前普遍存在正规回收率低、回收处置不当、污染控制不力等问题，这极有可能使锂电池在生产和再生过程中产生的污染物进入自然环境。随着纯电动普及化率的提高，锂电池环境安全问题将逐渐凸显，这可能是未来燃料电池在全领域挑战纯电动的突破口。

2 燃料电池重型货车的发展现状与主要矛盾

2.1 氢燃料电池重型货车发展现状

当前，世界主要汽车大国都把燃料电池重型货车作为重要战略发展方向之一，然而发展的道路并不顺畅甚至充斥着一些夸大宣传。2016年末，美国尼古拉公司展出了一款名为Nikola One 的燃料电池原型车，这款8 级、总质量36 t 的车辆宣称一次加氢可达到近2 000 km 的续驶里程，甚至每百公里氢耗低于5 kg，所以单车储氢量需达到100 kg 以上，并计划2020 年投入量产。“光鲜”的数字一时牵动众人的神经，大家对Nikola One 如何实现如此低的整车能耗与大质量的储氢技术满怀期待，若真能实现，无疑是行业的巨大进步，然而时至今日，尼古拉也未实现当初所谓的技术承诺，反倒是负面信息不断被披露。

欧洲老牌商用车企业如奔驰、沃尔沃等，也在积极探索燃料电池重型货车在不同场景中的应用，中国货车企业也在近两年开启了FCV 开发的热潮，几乎都做出了样车和试运营车辆，这些企业比尼古拉公司似乎走得更稳些。表1 列举了国内外一些燃料电池货车的开发情况。

表1 国内外燃料电池重型货车开发情况［13-14］

国内长途重型货车市场主要以半挂牵引车、重型载货汽车和中置轴车为主，截止到345 批公告（2021年7 月），查询显示，驱动形式为4×2 与6×4 的燃料电池半挂牵引车公告数量为25 个，未查询到燃料电池重型载货汽车与中置轴车的车辆公告。表2 列出了部分牵引汽车公告型号，以及环保信息公开数据所公布的锂电池容量及续驶里程数据，据了解，该续驶里程多采用40 km/h等速法进行申报，车辆在实际道路上运行时，实际续驶里程将远低于该里程数。目前国内的普遍水平，是单次加氢的续驶里程只适合城市配送（200 km 以下）及中短途运输（200～500 km），不能满足更长路程（500 km以上）的运输需求。

表2 国内燃料电池牵引车公告及参数

2.2 主要矛盾——低储氢量带来的低续驶里程

从整车开发角度看，当下最突出的问题是低储氢量所带来的低续驶里程，不解决这一主要矛盾，便不能实现燃料电池在长途重型货车上的成功应用。车辆低储氢量的根本原因是氢气过低的体积储氢密度。

在众多燃料中，同质量下氢气所含能量（120 MJ/kg）是最高的，为柴油所含能量（约为43 MJ/kg）的3 倍，这是氢气的优势。然而，从体积能量密度比较，情况则正好相反，柴油为36 MJ/L，而液态氢约为8 MJ/L，气态氢更低，分别为4.8 MJ/L（70 MPa）和2.8 MJ/L（35 MPa），这意味着为了和柴油含有同等的能量，氢气（35 MPa）所占体积将是柴油的12.8倍。几种燃料的质量能量密度与体积能量密度之比，如图1所示。

图1 基于低热值的几种燃料能量密度比较［15］

为满足高压需求，氢瓶需要有厚厚的外壳，呈内胆加纤维缠绕层结构，分别是铝内胆纤维缠绕瓶（Ⅲ型氢瓶）和塑料内胆纤维缠绕瓶（Ⅳ型氢瓶）；此外，柴油存储于方形油箱内，在车辆上布置方便且空间利用率极高，高压氢瓶为细长形胶囊状，胶囊形状空间利用率较低。相对于整个储氢系统体积，这两个因素更加剧了空间储氢密度的大幅降低。

胶囊形氢瓶结构如图2 所示。图中，为氢瓶空腔半径，mm；为氢瓶外半径，mm；为氢瓶长度，mm；为氢瓶圆柱部分长度，mm。

图2 胶囊形氢瓶简图

氢瓶所占长方体空间体积为：

式中：

胶囊形状空间体积计算公式为：

把和代入式（3），可分别得到氢瓶的空腔部分容积（水容积）和氢瓶所占空间体积。根据斯林达某3 款典型氢瓶参数，按上述方法计算可得出体积储氢密度，见表3，表中氢瓶存储水容积、储氢量通过测试已知。

表3 货车用典型氢气瓶体积储氢密度对比

目前普遍使用的35 MPa 氢瓶，对比所占长方体空间，储氢密度约为13.5 g/L，体积能量密度约为1.62 MJ/L。考虑油箱包装空间的柴油体积能量密度约为36×90%=32.4 MJ/L，所以在相同储能下，氢气存储空间需求约是柴油的20 倍，对于各类长途重型货车，在不影响货物空间及载货量的情况下，这几乎是无法实现的。基于以上分析，目前燃料电池重型货车车载能量远低于柴油汽车，续驶里程也远低于柴油车。

如图3 所示，通过简单地增加氢瓶数量来提高续驶里程，不但影响了挂车的前回转半径，同时大大增加了车辆整备质量，降低了运输效率，不能体现先进的技术发展方向。

图3 某国产牵引汽车氢瓶布置

3 提升整车续驶里程应对研究

当前，亟待通过各种方法来提升燃料电池重型货车的续驶里程，以满足长途运输场景的需求，只有这样才能进一步推动试运营工作的展开，为实现更长期的碳减排目标走出关键的一步。提升对策应基于两个前提：首先，可以在一定时期内能实现，要具有可操作性与现实意义；其次，要有一定的前瞻性，能代表先进的技术发展方向。

图4分析总结了影响整车续驶里程的主要因素，为提升续驶里程需从以下三方面出发制定相应对策：一是车载储氢量尽可能地大；二是降低车上能量损耗，以便能有更多的剩余能量来驱动车辆，获得更大的续驶里程，其中包括提升电堆及燃料电池系统的效率，提升各类机械系统、电力电子系统效率，减少各种辅助系统（如空压泵电机、转向泵电机）的负载功率损耗等；三是降低车辆的行驶阻力（主要降低车辆的空气阻力）。

图4 车辆续驶里程影响因素分析

以上分析忽略了锂电池容量、车辆轻量化，以及先进的能量管理策略对车辆续驶里程的影响。匹配更大容量的锂电池固然能增加续驶里程，但也占用了更大的车辆布置空间，从而增加车辆的整备质量，这与“大功率燃料电池＋小容量锂电池”能量跟随型混合功率模式的发展趋势相悖。轻量化技术能带来运输效率的提升，在相同的载货量下，整车总质量更低，行驶里程更远，本文不做过多叙述。有研究表明，通过考虑现实场景来验证能量管理策略并获得稳健的设计，同时实现氢经济性与系统寿命的多目标优化，对于某明确的目标车辆，利用现有驾驶信息最大化氢经济性，有助于降低车辆能耗、增加续驶里程。先进的能量管理策略是提升续驶里程的有效手段，稳健的策略会涉及到具体的车辆和道路信息，本文也不展开论述。

如图4 所示，电堆效率及燃料电池系统效率过低是带来能量过多浪费的关键，当前电堆的效率大约为50%～65%，燃料电池系统的效率更低，普遍为40%～55%。然而，要提升电堆及电池系统的整体效率水平，需依靠关键材料的技术突破，依靠电池系统本身的技术进步，整车企业作为应用单位，似乎无能为力。可以做到的是让燃料电池尽可能工作在高效率区域，来提升氢经济性与整车的续驶里程。

下文将重点在提高车载储氢量与降低车辆行驶能耗（主要指降低空气阻力）两个方面进行探讨，分析对整车续驶里程的影响，从整车角度出发，具有可操作性与现实意义。

3.1 提高车载储氢量

提升车载储氢量是最直接的增加续驶里程的方法，然而由于储氢体积密度的影响，储氢量并不容易增加。开发推进车载储氢技术的发展，为车辆提供足够的氢气能源，使燃料电池汽车能够满足客户对续驶里程、货物空间、加注时间和车辆性能的期望，是当前一项紧迫且重要的工作，为此，美国能源部氢能和燃料电池技术办公室（HFTO）为行业指出了两条战略路径，近期侧重于高压存储，使其能够达到70 MPa 的压力，远期则向深冷高压储氢和基于材料的储氢技术方向发展。

当前，国内普遍采用35 MPa Ⅲ型氢瓶，70 MPaⅢ型氢瓶也已经开发出来，由于受到加氢站加注压力等诸多因素的限制，所以应用得还较少。而70 MPa Ⅳ型氢瓶，由于采用塑料内胆，使氢瓶重量有了显著降低，必将替代Ⅲ型氢瓶。目前，开发70 MPa Ⅳ型瓶遇到的最大瓶颈是在储氢瓶口与出口阀的结构部位，如何通过设计来确保阀门在高压下不会像炮弹出膛一样被冲出，对可靠性与安全性的要求更加突出。至2021年上半年，据报道，仅有斯林达70 MPa Ⅳ型氢瓶通过了国家安全认证。

根据表3 计算结果，采用70 MPa Ⅲ型氢瓶替代目前普遍使用的35 MPa Ⅲ型氢瓶，相对包装空间的（长方体）体积储氢密度将由13.5 g/L增加到18.2 g/L，储氢量是原来的1.35 倍，低于氢气在两种气压下同等体积的质量差距（约39.9/23.8=1.67倍），这是由于Ⅲ型瓶在提升到70 MPa 后，氢瓶厚度大幅增加所致，造成腔内水容积对比氢瓶体积（胶囊型体积）密度变小。如果采用70 MPa Ⅳ型氢瓶，相对包装空间（长方体）体积储氢密度可达20.6 g/L，相同布置空间下，是35 MPa Ⅲ型氢瓶储氢量的1.53 倍。如表1 所示，长城（未势能源）6×4牵引重型货车，采用斯林达70 MPa Ⅲ型氢瓶，并将其双排布置在驾驶室后侧，每排上下5 个，总的水容积为198 L×10，按70 MPa的密度40 g/L 计算，储氢量近80 kg，该车验证了同类牵引汽车的空间储氢能力，待70 MPa Ⅳ型氢瓶的技术成熟后，车载储氢能力可接近90 kg。现阶段国内商用车用氢瓶的规格参数见表4，其中包含70 MPa Ⅲ型瓶和Ⅳ型瓶。

表4 国内氢瓶规格参数

液氢就其本身密度而言，拥有比气态氢更大的体积储氢密度，约为70 g/L，这里不含储氢装备的体积。根据对奔驰GenH2 燃料电池概念车的介绍，将两个液氢存储装置布置在牵引车车架两侧，不占用驾驶室后侧空间，便可达到80 kg的车载储氢量。从2021 年中国电动汽车百人会年会高层论坛获悉，国内福田搭载亿华通电池的某8×4 载货车样车，采用液氢系统，可达到1 000 km 的连续行驶。然而，这种探索性方案似乎比高压储氢方案离客户的距离更远，要实现车载液氢商业化应用首先要跨过两大障碍：一是氢气液化消耗的能量约占氢气初始能量的25%～40%，因此在不保证氢气以及提供液化氢气能量是绿色的前提下，任何车辆的提前布局都是无意义的；二是液氢存储的安全性以及道路运输危险化学品的属性。

相比气态及液态储氢，固态储氢具有体积储氢密度大的优势，对于储氢布置空间紧张的重型货车，提供了一种增大车载储氢量及续驶里程的可能，而不足之处是目前普遍质量储氢密度过低，导致整车整备质量的增加，降低运输效率，同时需要适当的能量才能让氢气释放。表5 介绍了不同储氢形式的质量与体积储氢密度的对比。

表5 不同储氢形式及参数对比［17-18］

日本丰田公司等企业很早之前就提出高压复合储氢罐的概念，即在高压罐内存储一定量的氢化合物（一体式），从而实现气-固混合储氢。周超等介绍了NaAlH和AlH是未来极具发展潜力的高压储氢材料，可有效提升高压储氢体系的质量储氢密度和体积储氢密度；徐双庆等通过建立模型进行数值分析，得出某国产70L 35MPa 氢瓶，通过填充40%的MH 固态氢化物，能获得与70 MPa氢瓶相当的体积储氢密度（40 g/L），目前未发现对Ⅳ型氢瓶的气-固混合储氢模式的研究。

随着新材料技术的发展，如果能发现一些更高质量储氢密度，吸/放氢焓变量更小，易活化且寿命足够的固态氢化物，车载储氢有可能会向固态储氢模式或车载固-气混合储氢模式演进。

按照不同储氢状态对典型牵引车的储氢系统进行空间布置，以此探讨车载储氢能力。选取驾驶室后侧车架上端为布置空间，要求储氢系统向不超过1.2 m，宽度为2.5 m，考虑布置高度不能超出车辆总高度4 m 的限值及驾驶室的最高点，选取布置空间向高度为2.6 m，整个布置空间长方体体积为7.8 m，可布置10 个高压氢瓶，或2 个圆柱状液氢罐，该评估简化了液氢罐复杂的附件结构，假定其他附件安装于罐体轴向而不影响液氢罐在车上的双层布置。不同储氢状态车载储氢能力评估如图6 所示，评估显示：液氢储存比气态高压储存在储氢能力及系统质量上均有很大的优势，能给车辆带来更大的续驶里程；如果采用固态金属氢化物储氢，并达到和液氢相同的储氢量，需求空间会大幅减小，考虑固态储氢材料氢的质量密度一般在1%～4.5%左右，仅材料本身质量就可能在3.1～14 t，系统质量则＞4 t，车辆可能无法承受。固态氢化物车载储氢技术目前仍处于探索阶段，还有许多亟待解决的问题，不仅要找到适合车载的固态储氢材料，同时还与罐体的结构有关，如需要解决罐体的体积膨胀、传热、气体流动等问题，有必要加一个大容积的“蓄气池”，这将消减其空间上的布置优势。从实现商业应用的难度考虑，车载气态储氢易于液态储氢，车载固态储氢商品化道路更远。

3.2 降低整车空气阻力能耗

车辆在行驶过程中，各种运动阻力所消耗的功率共同作用来影响整车的能量消耗率，分别是滚动阻力功率，空气阻力功率，坡度阻力功率及加速阻力功率，总的阻力功率（kW）为：

式中：为车辆总重量，N；为滚动阻力系数；u为车速，km/h；为空气阻力系数；为车辆迎风面积，m；为道路坡度，%；为汽车旋转质量换算系数；为车辆总质量，kg。

车辆行进时，时刻影响功率消耗且总能耗巨大的为滚动阻力与空气阻力两部分。滚动阻力主要的外部影响是滚动阻力系数，滚动阻力系数与轮胎及行驶路面情况相关，可改善的空间有限；而空气阻力大小主要受车辆的空气阻力系数与迎风面积以及车速的影响，由于我国货车驾驶室基本都采用平头式，且在过去很长时间对列车的气动造型不够重视，造成如今空气阻力系数偏大的现实，存在巨大的优化空间。降低空气阻力主要从两个方面展开：一是为车辆加装减阻附件，二是新开发更具流线型、空气阻力系数更优的驾驶室。

表6 不同储氢状态车载储氢能力评估对比

杨帆等通过对牵引车与挂车车身连接处以及货箱尾部两处增加减阻附件，减弱货箱前部气流分离和尾部涡量，实现货车空气阻力系数降低16.2%；王庆洋等对某款平头重型牵引车进行了详细的研究对比，在牵引车区域、牵引车与挂车间距区域和挂车尾部区域等3 个气动敏感区域，分别加装不同类型的减阻附件（图5），得到最佳减阻附件组合，且减阻率达到27.4%；晏强等对4 种不同类型的驾驶室模型进行外流场分析，得出具有更大倾角的前围，且A 柱采用流线型设计，整车空气阻力系数比常规平头车降低15.2% ，达到0.415；国内如重汽黄河X7 车型采用A 柱后倾，且前悬加长的流线型设计，通过匹配低空气阻力挂车，使整车空气阻力系数低至0.4以下；欧洲新一代达夫牵引车也采用大倾角流线型造型，尽可能降低空气阻力，其造型已经不同于常规的平头驾驶室；奔驰GenH2 概念车也采用了更具流线型的车身造型，以及电子后视镜来降低空气阻力（图6），根据已有研究可知，传统后视镜影响空气阻力占比约4.15%，不可忽视。

图5 多种气动附件的组合模型［21］

图6 奔驰与达夫概念货车造型

当前国内主流牵引车，前导流板、顶部导流罩、后侧导流罩等都已成为标配，整车空气阻力系数大约在0.6 左右的水平，而挂车前气动附件、挂车尾部气动附件、挂车底部导流装置等少有应用，同时牵引车与挂车匹配性较差，中间间隙较大影响了中间涡流的产生，这几点为进一步降低整车空气阻力系数提供了很大的空间。

一直以来，中国和欧洲对不同类型货车的总长度均有法规上的限值，因此，为实现货物装载及运输效益的最大化，都不约而同地选用了平头驾驶室造型，然而与前部大弧度、大倾角的造型风格相比，方方正正的平头驾驶室在气动造型上具有天然的劣势。为了更大限度地降低燃油消耗，提升整车效率，欧盟通过（EU）2015/719法规来鼓励引入新的空气动力学驾驶室，可以在不减少货箱长度的前提下，允许驾驶室适当增加一定长度，使前围和前挡风玻璃具有更大的倾角，以此获得更优的气动造型，同时允许整车长度有相应的增加。欧盟法规（EU）No 1230/2012（欧盟对车辆的质量和尺寸型式批准要求的规定）在2019 年12 月对涉及到的空气动力学驾驶室补充了型式认证要求，该要求把空气动力学驾驶室分为两类：一是安装了前空气动力学装置的驾驶室，二是更具流线型的加长型驾驶室，并于2020 年9 月1 日起正式实施。欧盟相关法规的动向基本明确了下一代货车的发展方向，既鼓励引入空气动力学驾驶室，如图6 所示，达夫新款驾驶室造型，采用前悬加长的流线形设计，验证了欧盟发展新动向。欧洲货车长期以来是我们的风向标，空气动力驾驶室也将是我们的发展方向，基于这一前提，新一代驾驶室采用更具优势的气动造型，还有很大的降低空气阻力的空间。

图7显示了在两种空气阻力系数下，基于等速行驶工况，车辆的空气阻力能耗在总行驶能耗（空气阻力+滚动阻力）中所占的比重，以及对续驶里程的影响。该车型为42 t 高速长途牵引车，迎风面积=9.86 m，整车空气阻力系数通过CFD 仿真得出=0.597，符合目前的普遍水平，轮胎采用315/80R22.5的同时采用ISO 28580测试法，忽略车速的影响，得到其滚动阻力系数=0.005，此时假设整车在经过优化后，空气阻力系数达到0.4，不同类型阻力功率对应的计算公式参照式（4），其中两车滚动阻力功率在相同车速下一致。可以看到，车辆行驶速度越大，空气阻力能耗所占比重愈大，空气阻力系数降得越低对整车降耗的作用愈明显。对于高速牵引车，常用车速为70～90 km/h，通过空气阻力系数优化可增加续驶里程约18%。

图7 两种空气阻力系数下能耗与续驶情况对比

3.3 续驶里程的评估

国内牵引车整车总质量普遍在40～49 t，在公路运输车辆中总质量最大，对于其高速公路运输工况的实际油耗，目前有充足的实际测量数据，普遍油耗在30～36 L，由于同类别燃料电池汽车无相应的统计数据支撑，可按式（5）～（6）进行氢耗估算：

式中：为柴油车某实际工况路段下的行驶能量需求（滚动阻力、空气阻力、加速、爬坡）；为燃料电池汽车同路段下的行驶能量需求，两者理论相同；为燃料消耗量，kg/（100 km），燃油车油耗保守取值36 L/（100 km），约29.88 kg/（100 km）；为燃料低热值，氢为120 MJ/kg，柴油为43 MJ/kg；为轮胎前的所有效率综合值，柴油车取值=40%，燃料电池车辆效率高于柴油车，保守取值=45%，根据式（5）～（6）得出同类燃料电池牵引车的氢耗在该路况下约为9.5 kg/（100 km）。

因此，燃料电池长途牵引车，在当前车辆能耗状态下，如果采用70 MPa 氢瓶，车载储氢量达到90 kg，车辆续驶里程可达900 km 以上。随着燃料电池技术的发展及系统效率的继续提升，以及新一代更优气动造型驾驶室的开发应用，整车续驶里程将会进一步提升，可超出1 000 km。根据《节能与新能源汽车技术路线图2.0》，到2030年，新能源汽车的续驶里程能够达到800 km。

3.4 加氢站配套是关键

随着技术的进步，燃料电池货车在可预期的将来能达到不错的续驶里程，但同时也应深刻认识到，加氢站的快速发展与合理布局才是解决氢能与燃料电池汽车产业可持续性健康发展的根本举措，是氢能健康发展中不可或缺的关键环节。燃料电池汽车在我国刚刚起步，加氢站布局发展体系也未成形，在技术和经验上与国外尚有不小差距，需要有针对性地朝着布局规模化，技术和设备自主国产化，以及操作流程安全化的方向发展。

4 结论

本文指出了燃料电池重型货车整车开发面临的主要矛盾、难点、结论及展望，结论如下：

（1）当前燃料电池重型货车整车开发的主要矛盾，是低车载储氢量所带来的低续驶里程问题，使之无法与柴油车相比拟，不能很好地适用于长途运输场景，根本原因是氢过低的体积存储密度。

（2）在相同的车载能量下，H（35 MPa）存储空间需求约是柴油的20 倍，对于各类货车，在不影响货物空间及载货量的情况下，这几乎是无法实现的目标。

（3）当前，努力提升车载储氢量和降低车辆行驶能耗（主要指空气阻力能耗）是提升续驶里程的两个最有效且具有操作性的方法；应用70 MPa Ⅳ型氢瓶，在同样包装体积下，储氢量是35 MPa Ⅲ型氢瓶的1.53倍，对于牵引车在驾驶室后布置双排氢瓶，可实现90 kg的车载储氢量。

（4）目前驾驶室和整车的普遍空气阻力系数偏大，通过增加气动减阻附件，以及开发新一代流线型驾驶室，来降低车辆空气阻力能耗，估计能增加续驶里程18%。

（5） 根据《节能与新能源汽车技术路线图2.0》，燃料电池重型货车到2030 年达到800 km 的续驶里程是能够实现的。