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洞见 | 新能源货车技术发展趋势

盛世投资

2022-10-13

新能源货车作为承接国家新能源汽车战略和双碳战略的重要变革领域之一，技术发展一直是业内人士关注和突破的重点。货车由于种类繁多，应用的场景也是差异化非常的大，因此判断新能源货车的技术发展趋势就要从场景化、零排放、智能化、网联化和共享化等方面探讨商用车需要关注的核心技术趋势。

货车作为长途运输、港口运输、市政专用车、城市渣土、短倒和城市物流的重要工具车型，新能源化率还相对较低。由于对于物流效率的要求，用户对于新能源货车有着长续航、充电快、强动力、高可靠和低能耗等综合性能更高的要求，同时也要性价比高。因此判断新能源重卡从场景上区分，长途运输的重卡将在中短期以多种新能源技术路线并存的方式发展，如纯电、换电和氢燃料技术路线等，但从长期趋势来看氢燃料将时新能源重卡的终极形态。而港口运输、市政专用车、城市渣土、短倒的重卡和城市物流车，由于对于续航能力并未有这么强烈的需求，因此，纯电动仍然是其主要的技术路线。

一、就氢燃料电池本身的技术趋势而言，在货车上具有三大关键技术趋势：

（1）>250KW的大功率电堆系统

随着电堆价格的下降，大功率燃料电池系统有助于减少电池用量，同时满足重卡对功率的要求。例如，奔驰GenH2氢燃料重卡采用2个150KW的燃料电池电堆，燃料电池系统功率输出可达300KW。

（2）金属双极板应用

当前，兼具寿命和效率的石墨双极板电堆是氢燃料重卡应用主流，但石墨双极板存在功率密度上限。未来3-5年内，随着重卡对功率和功率密度要求的提升并逐步克服金属双极板寿命低的问题，重卡电堆中金属双极板将逐渐上升，电堆体积功率密度有望从当前的3-3.5KW/L提升至7-8KW/L。

（3）高压/液态储氢系统推广

当前，氢燃料电池车主要使用III型铝内胆35MPa氢气储罐。未来3年内，车用氢气储罐仍然以气氢储罐为主，但将由III型35MPa向IV型70MPa气氢储罐过渡。

二、就纯电动本身的技术趋势而言，在货车上具有五大关键技术趋势：

（1）800V整车高压电气平台

目前，纯电动重卡主要为400-600V系统（电机额定电压），存在充电速度慢的问题，影响纯电动重卡的推广使用，通过提升整车电压，可以提升充电效率。要提高整车充电功率，技术手段上要么加大充电流要么提高充电电压。但是如果要采用大电流快充，那发热量会成平方的增加以及更多附属设备瓶颈，同时充电电缆会变得很粗而且更重，不方便实际装配和轻量化设计。所以提高电压成了提高功率的更为常见的手段，而充电电压提升则有更大的设计自由度，这直接推动了400V电压平台向800V电压平台转换，选择高压架构也成为了车企实现大功率快充的必经之路。切换800V高压电气平台，能够使充电时间减少一半。如在250A同流能力下，400V只能支持1C充电，而800V可支持3C充电。而在在500A同流能力下，400V只能支持3C充电，而800V可支持6C充电。相比400V系统，800V高压系统充电电流小，电池损耗，线束损耗以及充电桩损耗都可以降低，实现充电节能。

但若800V电压平台的电车能够使用之前400V的直流快充桩，则需要在车端增加额外的DC/DC转换器进行升压，达到800V及以上才能够对动力电池进行充电。除去可能新增DC/DC升压部件之外，在原本的整车高压电气架构中直接与高压系统直接连接的子系统部件如：动力电池系统、动力系统（电机、电机控制器）、电源系统（DC/DC、OBC、PDU）以及车内的空调压缩机、加热系统等需要提升部件耐压等级。在这些子系统部件提升耐压等级从400V平台升至800V平台后，其所采用的元器件及材料如：线缆、连接器、继电器、保险丝、电容、电阻、电感及功率半导体等耐压等级需提升至800V及以上。

（2）集成电驱动桥总成

当前，新能源轻型商用车已经开始逐步商业化集成电驱动桥，而重卡仍主要采用中央直驱的模式，主要由于直驱对于整车平台的改动较小且所需的研发投入低，但其并非最高效率传动方案，且底盘空间占用较大。未来，新能源车底盘将更多采用电驱动桥的传动形式，通过集成化设计释放更多底盘空间给到电池和储氢系统，且整车重量有所降低，传动效率得到提升，但当前面临着开发成本高和可靠性方面的挑战。就集成电驱动桥而言，国内厂家目前主要关注平行和同轴式，而国外头部厂家则关注垂直式，从技术实现难度上看，未来国内将主要商业化平行和同轴式电驱桥。同时为提升电驱动效率和集成化，电机的功率密度将进一步提升，既可以满足更高的集成要求，如集成到轮边甚至轮毂，另也可通过电机高速化提升功率密度，可以实现电机小型。

（3）高功率密度发卡扁线电机

目前整车对电驱系统的主要需求包括高效率、高功率密度、低噪音、高集成性和低成本，而高功率密度发卡扁线电机相比圆线电机完全契合了上述要求。

大家都知道，永磁同步电机主要由定子组件、转子组件以及其他辅助件组成，而定子组件是决定电机性能的关键，由定子铁芯、绕组、引出线、以及绝缘材料组成，所谓扁线电机就是定子绕组中采用扁铜线，先把绕组做成类似发卡一样的形状，穿进定子槽内，再在另外一端把发卡的端部焊接起来。采用扁线可以提高槽满率（指线圈放入槽内后占用槽内空间的比例）20%~30%。通俗来讲，槽满率越高，就代表着线圈中导线越多，产生的磁场会更强，那么电机的功率就会更大，体积也更紧凑、更节约材料。而在相同体积情况下，扁线电机可以塞进更多的定子绕组，这样在相同损耗下扁线电机可以能输出更高的功率和扭矩。反映在整车上，扁线电机能提供更优越的加速性能，并且噪音更小，大幅提升了整车性能。相比起传统的圆线电机，扁线电机能降低8%-12%的有效材料成本。如果再考虑给整车性能、电耗等方面带来的优势，扁线电机能将成本降低大约15%。

不过，扁铜线绕组制造过程非常复杂。需要先将导线，制作成发卡的形状，然后通过自动化插入到定子铁芯槽内，然后进行端部扭头和焊接。相对圆线电机，扁线电机无法进行手工制造，想批量化高效率生产，必须要建立自动化产线，产线和设备投入较大。

（4）第三代半导体电机控制器

第三代半导体的电机控制器是保障电驱系统实现高效化、高速化、高密度化的关键部件。SiC材料与常用的Si相比，具有3倍的禁带场强、10倍的临界击穿场强、2倍的电子饱和漂移速率和3倍的热导率等优势，具有更高频、高效、耐高压、耐高温等特点。从Si基器件切换到SiC基，可实现控制器体积和重量大幅减小，体积功率密度可达到40kW/L以上，峰值效率可达到99%以上。根据相关测试结果分析，采用SiC材料的控制器组件与Si基器件相比，控制器体积可以减少1/5，重量减轻35%，电力损耗从20%降低到5%，效率达到99%以上，整车续航里程提升5%以上，社会经济效益十分明显。车载电源已经开始大规模的应用SiC器件，同时汉车型已经搭载SiC电机控制器、蔚来ET7也将搭载SiC电机控制器。

（5）自动化和智能化

自动驾驶系统结构可分为感知层、决策层与执行层。其中，感知层带来的市场增量主要来自于传感器。随着自动驾驶等级的提升，车辆所需的传感器数量也在增加。此外，商用车行驶中所需的更远的感知距离与更全面的车身环境定位，也在倒逼传感器精度及稳定性提升。自动驾驶的等级越高，对决策层芯片的算力等要求也更高。商用车由于质量、体积较大等原因，操作难度较大、响应较为迟缓、转弯半径大，基于不同载重的重量差距也大，因此在决策层需要更具有针对性的算法。

商用车的生产资料属性要求其必须具备低成本、高安全、高可靠的特性，使得ADAS以及较高等级的自动驾驶技术容易在商用车上实现大规模商业化落地。领先商用车主动安全系统提供商采用外部合作与自主研发相结合的技术路线，加速技术积累并逐步升级自动驾驶核心技术，以降低可能产生的风险。因此，满足L2辅助驾驶，系统需要分布式控制架构、横纵独立控制、可接受外部控制请求、驾驶员冗余、失效退出电控系统等功能；满足L3辅助驾驶，系统需要分布式控制架构、横纵独立控制、可接受外部控制请求、CANFD、控制电源通讯双备份、失效功能降级、功能安全ASILD等功能；满足L3辅助驾驶，系统需要分布式控制架构、横纵独立控制、可接受外部控制请求、CANFD、控制电源通讯双备份、失效功能降级、功能安全ASILD等功能；满足L4自动驾驶，系统需要底盘域控制架构、横纵独立控制、垂向半主动控制、感知决策执行、以太网、系统失效功能降级、功能安全ASIL D和OTA等功能；满足L5全自动驾驶，系统需要域融合控制、横纵垂融合控制、感知决策执行、以太网、失效全功能、功能安全ASIL D和OTA等功能。

三、总结

未来随着电动汽车的大规模应用，成本将持续降低，性能也将更加的优异，车企们如何突出技术优势，将决定其在新能源汽车产业浪潮中是否笑到最后。

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