新能源电动重型载货汽车应用现状及发展趋势分析

张俊生，牛 斌，李达峰，王文君，殷传峰

（1.山西省交通运输厅，山西 太原 030001；2.山西省交通科技研发有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

在“双碳”战略、深入打好污染防治攻坚战、电动汽车换道超车等新能源汽车利好政策下，国家又出台了相关政策，比如《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》[1]明确提出了“加快充换电基础设施建设”和“鼓励开展换电模式应用”，为电动重型载货汽车的研发和应用提供了政策支撑。车用电池技术的不断改进发展、创新的商业模式为电动重型载货汽车提供了技术和市场发展路径，为探究电动重型载货汽车发展趋势和方向，本文对电动重型载货汽车技术发展、应用现状、充换电补能设施发展，以及存在的问题、潜在风险及发展趋势进行分析，提出现阶段应审慎考虑电动重型载货汽车的大面积推广应用，宜先行开展特定场景的试点示范。

1 电动重型载货汽车特点与技术发展现状

电动重型载货汽车在减污降碳、操作使用及补能成本等方面具有一定优势。电力驱动可实现使用端零排放，具有噪声低、振动小、换挡易等特点，极大改善了驾乘体验。在部分应用场景中，电耗成本远低于燃油车，经济效益明显。

电动重型载货汽车的关键技术集中于电池、电机、电控。动力电池的价格、续航、充电时间和安全性等关键要素制约着整车的推广。电动汽车要求动力电池同时具备高能量密度、快速充电、深度放电能力、长寿命、高安全性、低成本、免维修、低污染和易回收等一系列技术要求。目前，电动重型载货汽车的车用电池以磷酸铁锂为主，因为在安全稳定性方面，磷酸铁锂电池比三元锂离子电池有优势，且成本更低，但磷酸铁锂电池的理论能量密度大概在160 W·h/kg，导致其技术提升空间有限。通过对磁、电、热耦合优化以及超导、非晶高导低损材料的应用，可有效提高电机功率密度，电机效率目前最高可达95%，功率密度可达3.8～4.0 kW/kg[2]。电机控制器的作用是通过对输出电流、电压和频率的控制，进而控制电机的转速和转矩。电控系统伴随着自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展而逐渐成熟，目前，电动重型载货汽车的电控系统以MOSFET和IGBT为主流算法，电控系统相关技术已经基本成熟。

2 电动重型载货汽车充电设施需求

根据电动重型载货汽车的使用特点，设计符合其载重大、功耗高要求的动力电池模块，才能满足运输需求。充电基础设施建设经过多年的政策扶持，已成规模。但是，由于早期规划的局限性，产生技术标准不统一、供给和需求未能恰当匹配的问题。对于电动重型载货汽车而言，一般为用户、运营商或第三方投资建设的专属充电桩，多为直流快充。大功率快充设施配置不足成为制约电动重型载货汽车推广的重要因素。

充电模式具有显著的优势。充电桩的电力供应稳定且充电技术难度较低，建设投入成本低；兼容性好，一般能够向下兼容；充电桩功率低，接入电网容量小，对电网冲击小；人工操作安全简易，无需考虑漏电等设施问题。但其劣势也很明显，如充电时间长，运营低效，无法满足长距离运输要求，充电模式重型载货汽车采购成本较同级别燃油车价格高，电池自重较高，降低了载货量，电池快充加速寿命衰减，电池更换成本高。

由于纯电动重型载货汽车载重大、功耗高，如采用传统的充电模式，每天需多次补充电能，补充时间约为2 h，导致运营效率不高。作为城际货运的主力，重型载货汽车多行驶于国省干线和高速公路，然而，受动力电池容量和车型的限制，纯电动重型载货汽车的续航里程在200 km以内，加之途径路线极少建设大功率充电设施，无法实现中长途运输。国内外品牌纯电动重卡车型及充电时间如表1所示。

表1 国内外品牌纯电动重卡车型参数

3 电动重型载货汽车换电模式发展

在补能方面，新能源汽车换电模式和快充模式相比，快充模式在现阶段占有了一定优势，但电压提升带来安全性、对电池性能损害的问题，使得其存在发展局限。而换电模式在短时间内限于技术、标准等因素，难以成为市场主流。但从长远角度来看，部分专家学者认为若突破技术瓶颈，换电模式相较于快充模式更具有一定的战略意义。

3.1 换电模式的优势

3.1.1 车电分离 降低购车成本

车电分离可以实现用户只购买车辆主体，不购买电池，从而大大降低消费者的购车成本。

3.1.2 消除里程忧虑 提升运营效率

服务于沿海港口、大型物流园、矿区等地的重卡、矿卡耗电量高，单日补能次数更多；同时电池容量大，充电时间较长。采用换电后可有效提升运营时间，实现连续运营。重卡电池普遍容量为282 kWh，续航里程150～200 km，按单日行驶里程300～500 km计算，单日需补能2次，快充补能时间为1～1.5 h/次，换电相比快充可为司机节省出2～3 h的工作时长，提升了盈利能力。

3.1.3 延长动力电池寿命 提升安全性

电池由运营商进行统一管理，在适合的温度下以稳定的电流统一充电，可有效提高电池的安全系数。

3.1.4 利用峰谷电价差降低充电成本

专业电池运营公司可以利用峰谷优惠电价时段和错峰时段充电，从而实现最大的经济效益和削峰填谷的社会效益。

3.1.5 催生新的服务业态

未来可能出现网络预约换电业务，车主通过相关软件提出换电需求，换电车根据需求及时抵达，提供便捷的换电服务，或可催生新业态。

3.2 换电模式存在的问题

3.2.1 电路接口的可靠性问题

电动汽车面对的是户外大振动使用环境，电池组在高电压、大电流、强震动的环境下，其换电接口部件寿命、安全、可靠性是需要考虑解决的问题。

3.2.2 新技术迭代和换代风险

新能源汽车动力电池由小到大的组装关系为：电芯-模组-电池包。新能源汽车车身与电池结构技术，业内普遍认为大致经历3个时代，即第1代传统阶段（电芯-模组-电池包-车身）、第2代CTP阶段（电芯-电池包-车身）、第3代CTC阶段（电芯-车身）。目前新能源汽车基本采用第2代技术，但被视为技术变革又一风口的CTC电池车身一体化的第3代技术，已由特斯拉在柏林工厂正式投产的Model Y车型上实现。换电技术面临第3代技术的挑战和挤压。

3.2.3 庞大的资金压力与资源调配问题

为了实现换电的优势，让车主体验其便利性，要求换电运营商具备以下必要条件：足够数量的换电站；投入巨额资金，配备足够数量的备用电池；协调相关产业链、不同厂家技术标准；承担电池技术迅猛发展带来迭代和换代技术的风险和不确定性。

3.2.4 安全与责任界定问题

换电模式的发展有可能彻底改变汽车企业、能源企业和消费者的三方结构，出现电池制造商和充电运营商等参与方。在新商业运行模式中，电池的日常维护工作由谁来承担，当出现安全问题时责任如何界定等都是有待解决的难题。

4 新能源重卡推广风险及未来发展方向

4.1 重卡换电模式推广的潜在风险

2020年9月，中汽协、电池产业联盟、充电联盟、一汽、上汽、东风等20家企业，成立了车电分离生态圈建设[3]，旨在促进换电平台、技术、电池包等标准的研究和制定。需要对相关企业的产品、车身型式、尺寸进行兼容整合，才能形成统一的换电标准并执行，短时间内难以实现。其次，存在经营风险。换电站的建设及运营是换电模式的核心，面临审批难度大、选址与配电接入难、建设耗费投资大、换电共享化与智能化推动难、短期投资收益预期少等问题。换电模式应用初期主要集中在城市出租、网约车等公共用车领域，重卡换电刚刚起步，其运营模式、盈利逻辑还未清晰。最后，技术迭代风险。经过电池和汽车生产厂家的试点运营，换电站在运营和技术方面的风险已基本掌握并在可控范围之内，但随着新技术的发展和应用也会带来新的风险。

4.2 新能源重卡未来发展方向

新能源重卡尚处于起步阶段，市场也在按照不同的场景需求不断变化，行业现在还不能将纯电作为重卡唯一的发展方向。对于新能源重卡，现在无论是纯电动技术、还是氢燃料电池技术，都存在一些技术不成熟之处。未来到底是充电的纯电动，是换电的纯电动，还是氢燃料电池，亦或是甲醇燃料电池，可能还要随着技术的发展进一步观察和探索。根据不同的应用场景，需要制定不同的技术方案，比如：市政环卫与城配物流等适合纯电动商用车及换电技术路线；氢燃料电池是长途货运车辆重点技术方向；增程式技术路线适合中、长途运输场景。在重载领域，氢燃料电池有一定的优势，被部分业内人士视为重型商用车的终极路线。

5 结语

山西省仅大运汽车开展了电动重卡的制造，但不完全掌握电池制造、电机制造、电控系统、充换电技术、充换电装备制造等上下游产业技术，有必要进一步深入开展技术研发和市场调研。宜采用“典型引路”方式，在局部开展试点应用，山西省一些矿区、场区已开始电动重卡应用尝试，例如智慧交通产业园已结合自身区域、场景特点尝试电动重卡换电应用探索，其技术经济等诸多指标尚需一定时间观察总结。因此，建议审慎开展电动重卡的大面积推广应用，待典型示范应用取得一定成果、相关技术成熟、盈利模式清晰后，再适时导入中、长距离运输场景，进行全面推广。