蔡浩浩，徐晓美

（210037 江苏省 南京市 南京林业大学 汽车与交通工程学院）

0 引言

为推动我国新能源汽车行业的高质量发展，国务院办公厅于2020 年制定了《新能源汽车产业发展规划（2021-2035 年）》，对扩大新能源汽车产业发展规模、加速新能源汽车关键技术突破、实现绿色交通等提出了较明确的要求。

由生态环境部提供的《中国移动源环境管理年报（2020）》显示，2019 年保有量约占汽车总量12%的货车，其CO 与碳氢化合物排放量约占汽车排放总量的30%，NOX与颗粒物排放分别占83%与90%。由此可见，从环保角度来看，实现货车电动化非常迫切，其现实意义非常重大。但现阶段，新能源汽车行业较重视电动乘用车和客车的研究与应用，并已陆续开始了商业化运营，取得了很好的环保效果，货车的电动化步伐总体较慢。但随着电池、电机以及电控技术的发展，近几年电动货车的研究也越来越受关注。基于此，本文主要对目前电动货车的分类、能源供给系统、路径规划和控制策略等进行综述与分析，指出目前电动货车研究存在的不足，并对其未来研究进行展望。

1 电动货车类型

从动力源的角度来看，目前研究与应用的电动货车主要有3 种类型，即插电式混合动力货车、纯电动货车和氢燃料电池货车。

1.1 插电式混合动力货车

插电式混合动力货车的动力源由传统燃油发动机和电机提供，根据驱动模式可分为串联式、并联式和混联式[1]。并联式驱动系统因其技术成熟、造车成本较低、燃油经济性较好、能量损失小等优点，成为电动货车的主要驱动模式。

日本最先将混合动力汽车实现市场化生产，其电动货车主要应用在城市物流。欧美等国家近年也开始快速发展混合动力货车，通过政策与技术的双重支持，已在电动货车领域取得诸多成果。我国早期主要注重混合动力乘用车和客车的研究，混合动力货车数量较少。近年来，随着对环保要求的提高和国家发展战略的调整，混合动力货车行业逐步发展起来。2020 年工信部制定的第337 批与第340批新车公告中共有4 种插电式混合动力功能型货车，相关动力配置如表1 所示。这些混合动力货车主要应用在港口和城际物流运输领域。

表1 插电式混合动力货车的动力配置Tab.1 Power configuration of plug-in hybrid electric trucks

1.2 纯电动货车

纯电动货车各部件集成度较高，动力源主要来自货车的电力系统。受制于电池电机等技术，纯电动货车的续航里程较短，但因其运输效率高、污染少、噪音小，在短途运输市场具有巨大潜力。目前，特斯拉与奔驰集团均在积极研制纯电动货车。主要厂商研制的纯电动货车的动力配置如表2 所示。

表2 纯电动货车的动力配置Tab.2 Power configuration of pure electric trucks

可以看出，目前的纯电动货车的续航大约为300 km，因此基本以短途城市内物流配送为主，兼顾部分短途的特殊工况条件下的专用车，比如环卫车、洒水车等。环卫车是我国重点推广的公共领域用车，近几年受到了纯电动汽车企业的关注，十几家环卫改装汽车企业已经布局了纯电动环卫车。

1.3 氢燃料电池货车

氢燃料电池货车在结构上与纯电动货车相似，比纯电动货车多了一套产生电能的燃料电池和储氢系统。氢燃料电池发出的电经逆变器、控制器等给电动机供电，再经传动系统、驱动桥等驱动车轮转动。

相比锂电池，氢燃料电池短时过载能力可达额定功率的200%或更大，更适合货车的加速、爬坡等工况。在能量补充方面，目前锂电池快速充电至80%SOC时一般需30 min。以特斯拉Semitruck 为例，30 min 充电至80%SOC 后，载重36 t 可续航800 km。而某氢燃料电池货车加氢7 min，载重36 t 的续航里程可达400 km。因此，从货车运营生命周期看，可通过“多拉快跑”弥补氢燃料电池相比锂离子电池在制造、储存、运输、加氢等产业链成本上的不足。

国内已有东风、申龙、中通、福田、解放等15 家车企进入氢燃料电池物流车市场，产品绝大部分集中在7.5～9.0 t，仅有东风和上汽大通生产少量12 t 及以上产品，产品类型涵盖厢式运输车、冷藏车、邮政车、保温车。现有的纯电动环卫车基本可满足环卫使用工况，氢燃料电池环卫车与纯电动环卫车在大部分细分市场覆盖区域有重合，在购置成本和使用成本没有大的降幅情况下，氢燃料电池环卫车在新能源环卫市场的竞争上还没有优势。在可预见时期，氢燃料电池车型基本与纯电动车型相辅相成，以中长途城际物流配送为主。奔驰集团于2020年研制一种可续驶1 000 km的氢燃料电池货车。

表3 为部分氢燃料电池货车的性能与使用情况，包括工信部2020 年制定的第339 批新车公告的3 种氢燃料电池货车。

表3 氢燃料电池货车的性能及使用情况Tab.3 Performance and application of hydrogen fuel cell trucks

虽然目前氢燃料电池车型受限于燃料电池系统技术水平和加氢站等配套设施，但根据英国石油公司（BP）发布的能源技术展望报告预测，未来5～10 年氢燃料电池的制造成本会逐步下降到与汽油发动机持平的价格。我国2020年发布的2.0版《节能与新能源汽车技术路线图》指出，2030～2035 年，我国将实现燃料电池汽车的大规模推广应用，使燃料电池汽车保有量达到100 万辆左右，建立完备的燃料电池材料、部件、系统的制备与生产产业链。

2 电动货车能源供给系统

纯电动货车与混合动力货车的能源供给方式主要有充电和换电两种[2]，充电又细分为普通慢充和快速充电，根据充电是否需要导线又分为有线充电和无线充电。氢燃料电池汽车氢燃料的储存与供给是其区别于一般电动车的特有技术。

2.1 供电技术研究

对于电动车的充电，国外的研究主要集中于无线充电和快速充电。高通QUALCOMM HaloTM无线充电技术的充电功率最大可达22 kW。丰田、奥迪等公司也在积极开展无线充电技术研究。表4 为国外研究应用的几种快速充电系统。

表4 快速充电系统Tab.4 Quick charging system

2019 年，德国西门子研发了一种类似无轨电车的e-Highway 供电模式，设置了新能源专用高速公路，在车辆上方加装受电弓，在专用的行驶线路上方设置受电弓的接触网。当混合动力货车燃料不足时或纯电动货车的车载电池电量不足时，电动货车升起受电弓，使其与接触网接合，给车辆供电。

目前，国内对电动车供电系统的研究主要集中于快充技术与换电技术。2020 年，国家电网正在研制的超级充电技术预期充电功率可达900 kW。目前的快速充电技术主要有以下3 种：分段恒流充电、脉冲充电和间歇充电。其快速充电的核心原理都是通过合理控制蓄电池的放电过程，使充电可接受电流值的增加速度远大于放电量的增加速度，从而有效提高充电效率。同时放电深度和放电率也会影响充电接受率，在放电率足够大的情况下，蓄电池的充电接受能力也会随之提高。华北理工大学的龚瑞昆[3]等人采取分段限压定电流间歇正负脉冲充电方法，通过优化充电过程中各参数，提升充电效率；西南科技大学的叶剑晓[4]等人提出分段恒流结合脉冲充电方法，可靠性较高，结合二者优势，削弱极化效应，提升充电效率。此外，快充技术的进步是高性能的电池与电控技术共同支持的结果，只有这样才能大幅提升能源供给系统的整体性能。

在换电方面，2020 年全国两会政府工作报告首次将“建设充电桩”扩展为“增加充电桩、换电站等设施”，换电站作为新基建的重要组成部分第一次被写入政府工作报告。表5 为部分电动货车换电站概况，除此之外，我国已在内蒙、青海等矿区建成了10 座重型货车换电站。

表5 部分电动货车换电站Tab.5 Partial battery-changing stations for electric trucks

2021 年工信部制定的第342 批新车公告中包含13 辆换电式电动卡车，其类型分布如图1 所示。相比上一批新车公告，其数量环比增长了160%。可见，换电模式在电动货车领域已被逐渐认可。

图1 各类型换电式电动货车占比Fig.1 Proportion of various types of electric trucks with replaceable batteries

2.2 储氢与供氢技术研究

目前，我国的储氢技术主要包括以下4 种[5]：低温液态储氢、高压气态储氢、金属氢化物储氢和有机液态储氢，其应用情况如表6 所示。

表6 4 种储氢技术应用概况Tab.6 Application overview of four types of hydrogen storage technologies

低温液态储氢技术仅应用于航空航天领域，短期内普及大众市场的可能性较低，且该技术成本高，暂不具备商业化前景。高压气态储氢技术较成熟，已在加氢站中普遍使用，但该技术存在安全隐患和体积比容量低的问题，在氢燃料汽车上应用并不理想。金属氢化物储氢技术体积比容量大，成本较其它技术低，安全方便，理论上应用于氢燃料电池汽车优势明显，但目前该技术仍存在一些难点，短期内较难得到大范围应用，着眼长期该技术具有较大发展潜力。有机液体储氢技术储氢容量高，关键在于可利用传统的石油基础设施进行运输、加注，可建立像加油站那样的加氢网络。因此，相比于其它储氢技术，该技术具有较高的安全性和运输便利性，技术市场潜力大，极具应用前景。

氢燃料电池货车的供能方式比较单一，其燃料供给来自加氢站。加氢站对氢燃料电池汽车的应用与推广非常重要。1980 年，美国建立了世界上第一座加氢站。截至2020 年12 月，全世界共建成476 座加氢站，其主要分布如图2 所示。

图2 世界主要国家及地区加氢站的分布Fig.2 Distribution of hydrogen refueling stations for some countries and regions in the world

我国氢能产业发展相对较慢，2006 年建成第一座加氢站。中石化已建设27 个试点加氢站，并规划在“十四五”期间建设1 000 座加氢站。广州氢能产业规划指出，至2022 年底广州计划建成30座加氢站。上海市住建委表示，在2025 年前上海要建成78 座加氢站。可见，目前国内外都在加快加氢站的建设工作，随着储氢技术的发展和加氢站的普及，氢燃料电池货车的应用面将会越来越广泛。

3 电动货车路径规划

电动货车在运营过程中应首要考虑续驶里程，配送过程中的货物质量变化对电池效率有明显影响，因此在目前充电桩、换电站与加氢站还未普及的情况下，对充电与货物配送进行合理的路径规划显得非常重要。CHEN[6]等人提出一种预测性驾驶教练系统，该系统使用静态地图和动态交通数据为混合动力电动货车提供经济驾驶参照，实车测试显示该系统可有效提高车辆的经济性；BAEK[7]等人提出一种电动快递货车的运输最优线路，基于电动货车动力总成模型和非线性电池模型实现了电动货车模拟器，研究并实现了能耗最低的电动货车出行方案；ERDINÇ[8]等人提出一种电动垃圾货车收集废物的优化路线，并用真实的道路信息数据作为模型输入，有效提高了电动货车的经济性；FELIPE[9]等人提出一种部分充电策略。当车辆电量不足时，对行驶路径与充电时间进行规划以就近充电，当电量能够满足配送需求时停止充电；QI[10]提出一种带时间窗口的路径规划优化模型，该模式将能耗或时间作为约束目标进行路径优化。此外，北京交通大学、吉林大学与东华大学等高校也对电动货车的充电时机与运输路线优化进行了相关的研究，阐明了它们对电动货车运送效率以及配送成本的影响。

总之，对于电动货车而言，目前对其路径规划的研究主要集中在配送路径优化与根据实时区域路况进行路径规划，通过路径优化来提高电动货车的续航能力，从而降低总的配送成本。

4 电动货车控制策略

现阶段，电动货车领域主要应用有以下3 种控制策略[1]：模糊制动能量回收策略、制动力合理分配控制策略和实时控制策略。

模糊控制器的鲁棒性较好，包容性较强，模糊控制规则简单，不需要数学建模，将模糊控制器加入到能量回收策略中可降低成本。但模糊控制器缺点也较为明显，其控制规则源于规则建立者的经验，个人因素较强，并且模糊控制器主要应用在仿真阶段，缺少实车测试。VU[11]等人将模糊控制器与能量管理策略相结合，将车速与加速度作为模糊控制器的输入，建立了具有高仿真度的模型，理论研究表明该控制策略可以提高混合动力货车的经济性；温一鹏[12]等人建立了模糊制动能量回收策略，将电动物流车的电池SOC、制动强度、车速作为输入变量，再生制动的修正系数作为模糊控制器的输出变量，并通过仿真验证了所提出的控制策略在提高燃油经济性和能量回收效率方面的可行性。

合理分配制动力控制策略可以提高电动货车的制动稳定性与安全性，充分利用摩擦力，以合理的前后制动力分配为前提，尽可能回收制动能量。但其制动控制过程较为复杂，对控制器要求较高。智东敏[13]等人提出一种根据前后轴上载重量的变化，及时改变前后轴制动力比值的控制策略；宋百玲[14]等人提出一种理想制动力分配再生制动控制策略，该策略根据理想的前后制动力分配关系得出前后制动器的制动力，提高了车辆的能量回收效率。

实时控制策略可即时提取电动货车周围工况的特征信息，实时调节车辆的制动能量，提高电动货车的适应性。KEULEN[15]等人将最优控制理论与实时分配功率的算法相结合，对电动货车发动机与电动机的功率分配比进行调节，提高了发动机的燃油消耗率；XU[16]等人研究了一种并联式混合动力货车，基于动态编程策略实时监控车辆状态，优化了除启动和停车阶段外的纯电动行驶模式，显著降低了车辆的燃油消耗；董恩源[17]提出一种基于软件设计自主动态标定的策略，可优化发动机工作点参数，并且可以提高整车的燃油经济性，降低一定的开发成本；张佩[18]等人以提升燃油经济性为准则，将动态规划与车辆的能量管理策略相结合，建立了动态规划最优控制模型，提高了车辆的经济性。

综上所述，综合提高制动稳定性和经济性的控制策略依然是电动货车的研究热点。随着计算机软、硬件技术的发展和底盘电控集成化程度的提高，目前还停留在理论与仿真研究阶段的一些控制策略，在实车上应用的可行性将越来越高。

5 研究不足与展望

目前，国内外针对电动货车车架的研究相对较少。与传统货车相比，电动货车动力系统的布置形式、整车质量分布、使用工况和轻量化需求都不同，部分车企为节省成本直接将传统货车的车架应用到电动货车，造成车架上部件质量分布不合理，车架利用率不高以及车身过重等问题。

从目前氢燃料电池物流车的车型来看，主要集中在总质量7.5～9.0 t，与纯电动物流车主流的总质量4.5 t 车型相比略有差异，但从用途上看重合度较高，基本都是以市内物流配送为主，未能将氢燃料电池物流车加氢时间短、续航里程长、运营效率高的优势完全发挥出来。这一方面是因为目前的加氢站数量较少、运营线路需考虑加氢站位置、运行里程和效率受限；另一方面是因为现阶段的燃料电池电堆功率依然较小，无法满足更大吨位中长途物流车的需求。所以技术水平和加氢站等设施配套仍是现阶段氢燃料电池货车发展的瓶颈。

电动货车行业正冉冉兴起，电动货车一定会成为传统燃油货车的一种有效替代产品。石墨烯锂电池的技术进步会大大增加电动货车的续驶里程。加快换电站、快充桩与加氢站的相关设施建设，增加对大功率无线充电技术的研发投入，探索高强度轻质量的复合材料、铝镁合金材料在货车上的应用，提高货车车架的设计工艺，完善电动货车综合性能最优的集成控制策略等研究都将有力推动电动货车技术进步，扩大其应用范围。