1. 背景

汽車行業(yè)是全球溫室氣體排放的主要領(lǐng)域之一，且隨著我國汽車保有量的不斷提升，如何減少汽車行業(yè)碳排放是實(shí)現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)中十分重要的一環(huán)。我國新能源發(fā)展成就舉世矚目，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)、創(chuàng)造了良好條件、提供了重要保障。在碳達(dá)峰、碳中和背景下，新能源汽車行業(yè)發(fā)展是十分必要的。作為新能源汽車的重要組成部分，新能源商用車迎來了更多的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。新能源商用車應(yīng)用場景多為長途行駛，這種使用方式的原因，要求新能源商用車能夠擁有更長的續(xù)航里程，更便利高效的充電方式。其中對新能源商用車實(shí)用性提升影響較大的是充電方式，經(jīng)過對目前新能源商用車充電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀的初步整理，本文重點(diǎn)介紹駐車狀態(tài)下快速充電和行車狀態(tài)下充電的現(xiàn)狀及發(fā)展分析。

2.新能源商用車現(xiàn)狀

商用車與乘用車相同，也可以分成如下幾大類：混合動力電動汽車（HEV）、插電混合動力電動汽車（PHEV）、純電動汽車（EV/BEV，包括太陽能汽車）、燃料電池電動汽車（FCEV）、其他新能源（如超級電容器、飛輪等高效儲能器）汽車等。

HEV

燃油費(fèi)用減低，但車輛整體價格上漲，省下來的燃油費(fèi)用也不多。

BEV、PHEV

商用車所需的超長續(xù)航距離無法滿足；

需要必要的充電時間，影響商用車使用整體有效時間，無法實(shí)現(xiàn)和燃油車相同的使用便利性；

由于電池的搭載，對商用車的最大載荷能力（承載重量、搭載體積等）產(chǎn)生影響；

由于電池充放電特性影響，電池性能受環(huán)境溫度影響比較大；

商用車電池儲電量大，充電時間相對較長。

3.FCEV

氫能源車輛成本高。雖然氫能源汽車的續(xù)航里程比電動汽車更長，但氫能源車輛的加氫成本更高，部分原因是氫的生產(chǎn)成本太高。

FCEV加氫基礎(chǔ)設(shè)施目前也嚴(yán)重缺乏?；A(chǔ)設(shè)施是FCEV的第二大障礙，如果未來加氫站布局不足，F(xiàn)CEV的市場會存在很大的挑戰(zhàn)，截至目前，中國有59座加氫站在運(yùn)營，53座在建，20座在規(guī)劃，而且發(fā)展很慢。

氫燃料的制造過程中存在大量排放。氫能源汽車面臨的另一個挑戰(zhàn)是氫氣的制造，盡管氫燃料電池汽車可以自己無排放運(yùn)行，但制造氫燃料的工廠通常通過燃燒化石燃料，這一過程稱為蒸汽重整。如果這種情況繼續(xù)下去，F(xiàn)CEV將無法盡可能多地保護(hù)環(huán)境，也不能真正被稱為零排放汽車。

3.新能源商用車現(xiàn)狀相關(guān)開發(fā)動向

針對上述內(nèi)容整理出的BEV、PHEV的續(xù)航里程、充電時間、最大載荷相關(guān)問題，電池能量密度提升、制動力回收效率提升以及各種車輛周邊設(shè)備成本降低等，都可以作為這些問題解決方向，除此之外，通過改變外部供電方式來減少搭載電池搭載容量也是一種解決問題的方式。也是就是靜止?fàn)顟B(tài)下快速充電和行駛狀態(tài)下充電。下面就這兩個技術(shù)開發(fā)方向進(jìn)行介紹。

3.1  靜止中快速充電技術(shù)方案

靜止中的快速充電系統(tǒng)除了手動的快速充電之外，還有橫向插拔式、受電弓式、靜止中非接觸式（SWPT），以及電池交換式等。針對各種方式的特征進(jìn)行了整理和總結(jié)。

橫向插拔式：充電輸出和效率都比較高，但由于需要與充電樁配合使用，充電場所選擇不自由，而且也不能和乘用車共同使用。結(jié)構(gòu)方面，充電用的插拔結(jié)構(gòu)設(shè)計在車身量產(chǎn)，這種設(shè)計也會是物料成本提升。

圖1  橫向插拔式充電示意圖

 受電弓式：大家見到的最早的電動商用車其實(shí)可能是有軌電車，有軌電車在車頂有個類似天線的設(shè)備，與行車路徑上方架設(shè)的供電設(shè)備接觸取電，這套設(shè)備使用的就是受電弓。和橫向插拔式類似，也是有著空間上的不便利性。

圖2  受電弓式充電充電設(shè)備示意圖

靜止中非接觸式（SWPT）：一般最高可以輸出200kW的程度，電量傳輸效率比接觸式的要低一些。而且地面?zhèn)入姶鸥袘?yīng)線圈和車兩側(cè)電磁感應(yīng)線圈之間，如果夾著金屬異物，會存在因溫度升高而引起火災(zāi)的風(fēng)險，所以這個情況需要進(jìn)行專門的防護(hù)措施。目前國外小批量裝車的有寶馬和邁凱倫；同時大眾、FCA、奧迪、邁凱倫等多家主機(jī)廠正在進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品預(yù)研和量產(chǎn)開發(fā)。寶馬的530e在北京、成都等地還投入了一部車輛商業(yè)運(yùn)營。2020年工信部發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》中明確指出，支持無線充電等新型充電技術(shù)的研發(fā)。隨著我國新能源汽車技術(shù)的發(fā)展，新能源汽車向“四化”邁進(jìn)的過程中，無線充電技術(shù)也得到了越來越多主機(jī)廠的重視，尤其無線充電與自動泊車技術(shù)結(jié)合的應(yīng)用，將極大地促進(jìn)無線充電技術(shù)的發(fā)展。

圖3  靜止無線充電式充電設(shè)備示意圖

電池交換式：換電站預(yù)先將電池充電并檢測，車輛搭載的電池電量用完以后，可以直接到換電站換一塊電池，整個過程不到三分鐘，省去了充電等候時間，比燃油車加油還要方便，這是換點(diǎn)的最大優(yōu)勢。充電輸出及傳輸功率方面也是沒問題的，但換點(diǎn)系統(tǒng)使用的電池更換設(shè)備需要進(jìn)行布設(shè)，這點(diǎn)可能會受到不同車型，不同電池拆裝方式的制約。因此，自動化換電站的建設(shè)使基礎(chǔ)設(shè)施方面的投入成本大幅增加，并且商用車的換電站和乘用車的不能通用。除此之外，大量的電池儲存在換電站內(nèi)，也提高了換電站設(shè)施的火災(zāi)發(fā)生風(fēng)險。

圖4  電池交換式充電設(shè)備示意圖

3.2  行駛中充電技術(shù)方案

行駛中充電系統(tǒng)（ERS）是一個相對新穎的概念，在過去十年中發(fā)展迅速。ERS被廣泛理解為一種能夠在車輛之間進(jìn)行動態(tài)動力傳遞的系統(tǒng)以及它行駛的道路。靜電充電本身不被視為ERS，而是互補(bǔ)技術(shù)，然而許多創(chuàng)新都植根于靜電系統(tǒng)。一般來說，ERS分為三組包含有感應(yīng)式（無線）、導(dǎo)電懸架、導(dǎo)電軌，雖然概念之間存在顯著差異，但三種方式都能提供相同的功能和服務(wù)，在車輛行駛時為電動汽車提供所需的電力傳輸。針對各種方式的特征進(jìn)行了整理和總結(jié)。

圖5  行駛中充電方式示意圖

圖6  OVERHEAD方式充電設(shè)備示意圖

OVERHEAD式：是西門子等公司研究開發(fā)的第三代供電系統(tǒng)。電力輸出為600kW，傳輸效率可到達(dá)97%以上。當(dāng)車輛檢測到電池閾值電壓后，位于車輛頂部的供電受電弓，自動延伸以與架空線路接觸，電量通過受電弓轉(zhuǎn)移到車輛中，用于電池充電或者直接驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行。因?yàn)樯逃密嚨能嚿砀叨吮容^高，所以受電弓設(shè)備對道路中其他交通參與者的影響較小。車身方面受電弓設(shè)備需要安裝在車頂部，這使車輛自身成本有所增加。作為路側(cè)供電設(shè)備的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面也需要同步進(jìn)行，同樣會產(chǎn)生比較高的成本，但這種方式乘用車也是可以實(shí)現(xiàn)共用的。

側(cè)面滾輪式：本田開發(fā)出這種供電方式，并在測試路段進(jìn)行了應(yīng)用。電力輸出為450kW以上，可以滿足商用車行駛所需的電力。傳輸效率也可到達(dá)95%以上。在原理上與架空受電弓的概念相似，同樣依賴于電源和車輛之間的直接接觸（通過機(jī)械臂/受電弓）傳遞能量。使用車輛側(cè)面的滾輪，與道路旁的供電設(shè)施進(jìn)行接觸，使電力傳輸?shù)杰囕v上，實(shí)現(xiàn)電動車的充電。因?yàn)槭褂玫氖菑能囕v側(cè)面伸出的接觸式滾輪結(jié)構(gòu)，使用過程中對其他交通參與者會產(chǎn)生影響。同樣作為供電設(shè)備的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也是必要的，成本預(yù)計是無線充電路側(cè)設(shè)備成本的1/20，比無線充電的道路基礎(chǔ)設(shè)施要便宜很多，也更容易在現(xiàn)有道路上進(jìn)行改造建設(shè)。而且建成的設(shè)施，乘用車也是可以通用的。

路面導(dǎo)電軌式：也是接觸式供電的一種方式，使用路面下設(shè)置的軌道進(jìn)行供電，供電電力輸出可以達(dá)到240kW，傳輸功率最大可以達(dá)到97%。系統(tǒng)檢測到車輛沿軌道行駛時，車輛沿著軌道行駛速度到達(dá)供電啟動閾值后，機(jī)械臂自動從車輛后底側(cè)延伸與導(dǎo)軌連接，從而實(shí)現(xiàn)接觸式供電。因?yàn)閷?dǎo)電軌鋪設(shè)在道路表面，對于行人觸電事故風(fēng)險需要進(jìn)行嚴(yán)格的管控。成本方面，自動感知連接供電設(shè)備使車輛側(cè)的成本增加?；A(chǔ)設(shè)施方面，建設(shè)導(dǎo)電軌成本預(yù)算大約需要280~950萬元每公里，建成后商用車和乘用車可以共用。

DWPT式：DWPT的原理其實(shí)就跟常見的手機(jī)無線充電一樣，透過在道路下方埋入電磁感應(yīng)線圈，安裝接收裝置的電動車行駛在這段道路上就可以達(dá)到無線充電的目的。Stellantis集團(tuán)表示，其與多個機(jī)構(gòu)共同研發(fā)合作的動態(tài)感應(yīng)充電（DWPT）示范道路在意大利建成，該道路長度為1050米，可輸出電量1000kW。目前國內(nèi)應(yīng)用于高度鐵路的動態(tài)無線充電傳輸效率也可以達(dá)到92.4%。但駕駛中無線充電時，會有駕乘人員在車輛內(nèi)部，長時間暴露在無線充電的高功率電磁波環(huán)境內(nèi)，對人體的影響，目前還在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之中。和靜止?fàn)顟B(tài)下無線充電相同，異物也會對充電造成風(fēng)險。成本方面，車輛側(cè)需要安裝充電感應(yīng)線圈，如果有預(yù)裝的話，對車輛來說沒有什么新成本增加。但無線充電道路方面，鋪設(shè)無線充電道路成本預(yù)算大約需要510~2900萬元每公里，路側(cè)設(shè)施建設(shè)成本非常高。建成后商用車和乘用車可以共用。

圖7  DWPT方式充電道路示意圖

總結(jié)：無論是BEV、PHEV、HEV以及FCV從實(shí)用性角度出發(fā)，按照車輛使用1天內(nèi)的行駛距離和車輛總重量關(guān)系進(jìn)行分析：

行駛距離短的短途配送輕卡和環(huán)線公交汽車更適合使用隨機(jī)充電或者支持換電的BEV車型。行駛距離長的長途運(yùn)輸卡車和長途巴士公共汽車需要在途中靈活的進(jìn)行電量補(bǔ)給，所以適合采用HEV、BEV或者PHEV車型。

換電這種方式更適用于輕型、有固定線路的運(yùn)輸工作場景，如配送車輛、公交車輛等，在這些工作場景中大部分車輛使用較為頻繁，沒辦法等待車輛充電。

無線充電方式是最便捷、也是最容易被使用者接收的方式。靜止中無線充電已實(shí)現(xiàn)了市場應(yīng)用，但受限于地面?zhèn)仍O(shè)施較少，目前市場占有率還不是很高。行駛中動態(tài)無線充電技術(shù)已基本成熟，在靜止充電普及后，結(jié)合道路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷完善，勢必能夠進(jìn)一步推動新能源電動汽車在市場上的普及與發(fā)展。