最佳替代性动力总成技术：传统电池or燃料电池？

本期内容旨在制造一个供大家探讨的话题，且属于作者个人观点，而非公众号观点，内容中有一些公众号技术人员与作者的探讨，更期待一些持有不同意见的读者朋友参与进来，大家一起进行探讨。

乘用车领域已经出现了纯电和燃料电池两种替代性动力总成，而且两者还能共存。与之不同的是，在重型商用车未来的替代性动力总成方面，同时适用于所有细分市场和运输任务的主要解决方案尚未出现。对重型商用车而言，纯电和燃料电池系统目前正处于被开发为成熟系列产品的进程之中，未来重型商用车最佳替代性动力总成技术的选择面临哪些挑战？

Aion LX Fuel Cell

一、日益严苛碳排放法规倒逼重型商用车电动化转型

为减少温室气体排放，卡车制造商必须在2025年之前将欧盟市场车队的二氧化碳排放量减少15%，在2030年之前减少30%，否则将面临巨额罚款。而到2050年，欧盟希望运输领域能实现90%的碳减排比例。长期来看，使用电池或氢燃料电池的电动动力总成被视为最有市场的替代选择。虽然纯电动力总成在乘用车领域中越来越流行并且正逐渐成为定义未来车辆的实际标准，但关于商用车未来动力总成类型的讨论仍在进行中。

较高的储能密度和较短的加注时间是燃料电池的优点。然而，从电池技术的不断进步和建设兆瓦级充电基础设施的愿景来看，纯电动力总成似乎也在迅速发展为长途运输可考虑的选择。德国汽车工业协会表示为进一步减少出行领域的二氧化碳排放，未来重卡也将配备电动动力总成。重卡行业目前正在开发相应的纯电车型。因此，“将纯电商用车和燃料电池卡车分别用于区域配送和长途及重型运输”这一受到热议的未来愿景开始变得模糊。

探讨点1，燃料电池重卡是可以理解的，毕竟燃料电池的能量密度是非常高的与传统燃油车相差不大，但是重卡纯电车型不敢认同，以目前锂电的能量密度来看，达到传统燃油车相同使用情景怕是只能背着一车电池跑了，且背着这么多电池，充电时间更是个问题。

作者思考：此前卡车行业共识一直倾向于长途重载卡车采用氢燃料电池，唯一明确只做长途纯电的仅有特斯拉（Tesla）的Semi，现在斯堪尼亚（scania）、曼恩（MAN）和纳威司达（Navistar）的母公司大众集团卡车部门Traton公司也加入了看衰氢燃料电池卡车前景的行列。本文章仅摘述各大卡车制造商的展望及技术路线选择，诚然传统电池也存在问题，但也是一个发展方向。

二、卡车“大厂”如何看待能效之争与路线选择？

纯电动力总成和氢燃料电池系统的系统效率对比

探讨点2，该图是否过于理想化，太阳能风能电能质量差，德国之前面对风能和太阳能的排斥也是众所周知，且目前风能太阳能馈网更是弊大于利，所以这个图是否正确需要给出一定解释。

作者思考：此图摘自卡车制造商Traton的技术资料，笔者看了之后也有氢能效率过于贬低的想法，其主要指出目前氢能在车辆全生命周期利用过程中的损耗及效率（主要是由于生产-运输-加注等环节目前尚未形成低成本成熟方案），本文也仅摘述阐释其观点供大家讨论。

从拥有曼恩和斯堪尼亚等企业的卡车制造商Traton的角度来看，大多数情况下（尤其在长途运输方面），纯电卡车是比氢能卡车更便宜和更环保的解决方案。

探讨点3，该处观点有点问题吧，长途运输的优势在于运输路线固定，补给点可以计算最优解固定，建氢站虽然成本高但是长期运营是可行的，若纯电的话，运输线上怕是建立充电桩成本会更高，充电时间上也根本错不开。

作者思考，这仅是卡车制造商Traton的观点，本文也只是摘述直陈未有私自加工，供大家讨论。目前国内已经有运营的重卡换电模式，但是长途运营的燃料电池重卡应该还只是尝试阶段。

另一方面，氢能应该更多地用于炼钢厂等难以脱碳的领域。Traton公司认为氢燃料电池的能源链效率低是原因之一，仅约四分之一的输出能量传入驱动装置，剩余四分之三因转换损耗而丢失。而在电动卡车上，这两项数据迎来了反转。早在2021年，Traton公司就认为，未来十年，氢能卡车将在市场上拥有越来越多的应用场景，但同时也将逐步被纯电卡车取代，因为后者的维护成本更低，越来越适合日常使用。Traton公司预测到2030年，只要充电基础设施的建设到位，在Traton新上市的长途运输卡车中，纯电卡车的销量占比或许已经能达到50%。

探讨点4，此处观点抱有疑问，需要进一步证实真实性。充电基础设施建设到位不仅仅是装几个充电桩就完事，配电线路，电网分配，充电利用率等等都是需要考虑的原因。

作者思考，此观点来自于卡车制造商Trton的认识，本文也只是摘述直陈未有私自加工，供大家讨论。

三、区域性短途运输场景

为重卡引入纯电驱动系统的举措在初期将以区域配送形式实施。弗劳恩霍夫系统与创新研究所（Fraunhofer ISI）在2021年发表的一份基于企业真实数据的可行性研究报告显示，道路货运车辆的电动化转型在短期内是可行的，并且会为企业带来经济效益。Fraunhofer ISI以一家食品零售集团在德国整个东北地区的物流业务为例，对重卡电动化的经济及技术可行性进行了研究。研究结果显示，在纳入考虑范畴的车队中，近六成已具备实现电动化的条件，大约四成车队转用电动卡车将产生经济效益。该研究表明，在评估了开往540多个物流点的全部9500次卡车行程后，发现目前纯电卡车的续航里程显然已基本足以满足研究中分析的所有城市卡车行程需求和近一半的区域行程需求。有了经优化的路线规划和临时充电设施后，纯电卡车的潜力将更甚于此。

探讨点5，纯电重卡距离落地的四个老大难   1.自重，2.续驶里程，3.成本，4.充电效率。不管哪个都是致命问题。

作者思考，此段落陈述的是区域性短途物流场景，研究认为在现有技术背景下，应该短途物流商用车采用电动化方式是可行的，因为城市间短途物流不需要配置更长的续驶里程、过于沉重的电池。目前国内此场景下的商用车电动化趋势也是比较明显的。燃料电池的成本确实过于高，而且后文也指出了续驶里程更长的重型卡车使用传统电池也面临着挑战。

不过，从目前在售的车型来看，电动化对于每日行驶里程非常长的26吨以上重卡而言仍是一项挑战。

该研究建议，由于现今的城市及区域送货模式具备高度可替代性和潜在成本优势，卡车运营商应考虑将其车队的运营模式转换为此。越来越多的卡车制造商开始提供适配这种模式的系列车型。2020年8月，斯堪尼亚首发了一款纯电送货卡车，并于2021年起在德国销售。该车电机输出功率约为230kW，装机容量为165kWh（含5块电池）或300kWh（含9块电池）。5块电池版本的续航里程约为130km，9块电池版本则高达250km。

探讨点6，国内纯电物流配送车，冷链车等都有纯电身影，只不过关注点在燃料电池车上，目前国内每年配套的上述燃料电池车辆有上百台，若按照上述所说，此处没有表现技术优越性。

作者思考，首先此段内容也是摘述Fraunhofer ISI研究所的在区域短途运输场景下的技术路线选择建议，未有个人观点，拿出来供大家讨论。这个场景本人也倾向于研究建议，因为燃料电池的加氢确实是问题，至少在现阶段技术背景下。

斯堪尼亚的姊妹公司曼恩也计划从2024年起推出纯电送货卡车，相关关键技术数据或将于2022年公布。沃尔沃卡车公司已推出了总重达27吨的电动卡车，用于配送服务和垃圾收集。其中，面向欧洲市场的车型为FL Electric和FE Electric，面向美国市场的车型为VNR Electric。2022年，沃尔沃卡车计划推出总重均为44吨的电动重卡FH、FM和FMX，将用于欧洲地区的区域运输和城市建设作业。沃尔沃卡车声称，FH、FM和FMX的电机最大输出功率均为490kW，总峰值扭矩高达2400N·m。车辆内置540kWh电池，续航里程达300km。随着电池技术不断发展，预计未来几年内电池支持的续航里程将进一步提升到长途运输所需的水平。韩国卡车制造商现代是燃料电池的支持者，该公司拟于2025年前向瑞士提供1600辆Xcient燃料电池卡车。该车充满氢气后续航里程达400km，其储氢系统由佛吉亚提供，相关零部件将在法国巴旺（Bavans）生产。现代预计，到2030年约有35万辆商用车可配备燃料电池技术。

四、 城际间长途货运场景

运输业实现电动化转型的下一个环节是长途运输业务。几年前，特斯拉便已发布了纯电长途卡车的概念产品——特斯拉Semi。据称，该车的单次充电续航里程达800km（具体取决于电池尺寸），计划于2022年上市。像特斯拉这样的车企只专注于纯电动力总成，其它汽车制造商则活跃于燃料电池技术领域。例如，美国车企Nikola和依维柯已达成自2023年起在乌尔姆（Ulm）联合生产燃料电池卡车的协议，车辆的燃料电池系统将由博世提供。Nikola和博世已经开发了一款可扩展的模块化概念产品，能够适配不同应用场景。区域运输半挂卡车Nikola Tre预计将于2023年在美国投产，根据目前的计划，随后还将推出续航里程超过1000km的Nikola Two长途运输卡车。现代也在开发一款用于长途运输的燃料电池卡车，其满氢续航里程为1000km，计划晚些时候在包括欧洲和北美的全球市场推出。

沃尔沃设计的电力驱动模块

沃尔沃卡车公司、戴姆勒卡车公司和曼恩卡客车公司（MAN Truck & Bus）正推行双重战略，同时开发纯电系统和燃料电池系统。曼恩的系列化开发重点是配有电池的动力总成。燃料电池系统基于纯电架构开发，并将作为可提供车载充电功能的增程器来补足纯电架构，从而令电池的实际尺寸大幅缩小。曼恩计划从2022年起对配备氢燃料电池的原型车进行上路测试，这些原型车的开发将由德国联邦数字化和交通部资助。曼恩计划在2024年成立一支验证车队。沃尔沃同戴姆勒合作开发并生产燃料电池已有一段时间，为此专门成立了合资公司Cellcentric。

Cellcentric公司计划于2025年投产，中期计划是建立欧洲最大的燃料电池系统量产设施之一。戴姆勒计划于2023年启动GenH2 Truck燃料电池卡车的客户测试，该车预计在2025-2030年之间投产。量产版GenH2 Truck的有效载荷为25t，车辆总重为40t，续航里程将超过1000km。这款燃料电池概念卡车的核心是液氢的储存。与压缩到350或700bar的气态氢（如用于燃料电池乘用车的气态氢）相比，液氢的能量密度高得多。

探讨点7，任何理想切实的燃料都应该是液态，但是液氢的实现、运输、存储这些才是问题的关键，虽然是概念，但是有点太玄学了。

作者思考，这里是制造商探索研究车辆上液态氢存储的可行性，是比较前沿的研究，并未来得及考虑液氢的实现、运输。毕竟重卡消耗量大，液态能储存更大量，目前阶段仅是使用车辆端的尝试。

因此，使用液氢的燃料电池卡车能够安装尺寸小得多的燃料罐，而且由于液氢压力较低，燃料罐可以做得相当轻。这使得这类卡车能够拥有更大的装载空间和更高的有效载荷重量。同时，这类卡车还能储存更多的氢气，从而大大增加续航里程。尽管氢气必须冷却到-253℃才能液化，但这已是工业或加氢站等固定应用场景下的普遍做法。这种做法也适用于以液氢为有效载荷的运输作业。鉴于上述原因，戴姆勒认为在GenH2 Truck上使用液氢不存在温度方面的问题。

Cellcentric公司为重卡设计的双燃料电池系统

梅赛德斯-奔驰的纯电卡车eActros LongHaul预计于2024年投产。该车是GenH2 Truck的同级别车型，单次充电续航里程约为500km。戴姆勒认为，比燃料电池更高的能源效率是纯电概念最重要的立足点。据戴姆勒计算，在运输业的常见运营场景下，大部分长途运输作业对车辆续航里程的要求最多在500km左右。

探讨点8，目前的重卡1000公里是很长的，且货车出一次货肯定是需要尽可能拉更多的货物，这货物重量上去了续驶里程在原本有限的基础上又下去了，这500公里先不谈能否实现，就是可以实现也与传统的1000公里相差很远。

作者思考，同意抛出的疑问及观点。此段500km是引自戴姆勒的技术报告，未经删改，可能是基于德国或欧洲的使用场景，与中国实际场景有偏差。另外，纯电动可能考虑电池重量的原因不能配置更高的续航里程。

燃料电池和传统电池之间的正面竞争仍然令人兴奋。加氢或充电基础设施是关键因素，这些基础设施仍需为满足燃料电池和纯电长途卡车的需求而建设，并且最好在全球范围内按照统一标准进行设计，而不仅仅限于欧洲。

综上所述，从世界上最先进卡车“大厂”的最新布局和研发动作可以窥视到重型商用车电动化的端倪。

重型商用车最佳替代性动力总成技术会倾向选择传统电池还是燃料电池技术路线，还要看各自的技术进步和突破、全生命周期的系统效率和碳排放以及成本，比较重要的还有车辆的使用场景。