新能源商用车充电系统开发现状

1. 背景

汽车行业是全球温室气体排放的主要领域之一，且随着我国汽车保有量的不断提升，如何减少汽车行业碳排放是实现碳中和、碳达峰目标中十分重要的一环。我国新能源发展成就举世瞩目，为实现碳达峰碳中和奠定了坚实基础、创造了良好条件、提供了重要保障。在碳达峰、碳中和背景下，新能源汽车行业发展是十分必要的。作为新能源汽车的重要组成部分，新能源商用车迎来了更多的机遇与挑战。新能源商用车应用场景多为长途行驶，这种使用方式的原因，要求新能源商用车能够拥有更长的续航里程，更便利高效的充电方式。其中对新能源商用车实用性提升影响较大的是充电方式，经过对目前新能源商用车充电系统发展现状的初步整理，本文重点介绍驻车状态下快速充电和行车状态下充电的现状及发展分析。

2.新能源商用车现状

商用车与乘用车相同，也可以分成如下几大类：混合动力电动汽车（HEV）、插电混合动力电动汽车（PHEV）、纯电动汽车（EV/BEV，包括太阳能汽车）、燃料电池电动汽车（FCEV）、其他新能源（如超级电容器、飞轮等高效储能器）汽车等。

HEV

燃油费用减低，但车辆整体价格上涨，省下来的燃油费用也不多。

BEV、PHEV

商用车所需的超长续航距离无法满足；

需要必要的充电时间，影响商用车使用整体有效时间，无法实现和燃油车相同的使用便利性；

由于电池的搭载，对商用车的最大载荷能力（承载重量、搭载体积等）产生影响；

由于电池充放电特性影响，电池性能受环境温度影响比较大；

商用车电池储电量大，充电时间相对较长。

3.FCEV

氢能源车辆成本高。虽然氢能源汽车的续航里程比电动汽车更长，但氢能源车辆的加氢成本更高，部分原因是氢的生产成本太高。

FCEV加氢基础设施目前也严重缺乏。基础设施是FCEV的第二大障碍，如果未来加氢站布局不足，FCEV的市场会存在很大的挑战，截至目前，中国有59座加氢站在运营，53座在建，20座在规划，而且发展很慢。

氢燃料的制造过程中存在大量排放。氢能源汽车面临的另一个挑战是氢气的制造，尽管氢燃料电池汽车可以自己无排放运行，但制造氢燃料的工厂通常通过燃烧化石燃料，这一过程称为蒸汽重整。如果这种情况继续下去，FCEV将无法尽可能多地保护环境，也不能真正被称为零排放汽车。

3.新能源商用车现状相关开发动向

针对上述内容整理出的BEV、PHEV的续航里程、充电时间、最大载荷相关问题，电池能量密度提升、制动力回收效率提升以及各种车辆周边设备成本降低等，都可以作为这些问题解决方向，除此之外，通过改变外部供电方式来减少搭载电池搭载容量也是一种解决问题的方式。也是就是静止状态下快速充电和行驶状态下充电。下面就这两个技术开发方向进行介绍。

3.1  静止中快速充电技术方案

静止中的快速充电系统除了手动的快速充电之外，还有横向插拔式、受电弓式、静止中非接触式（SWPT），以及电池交换式等。针对各种方式的特征进行了整理和总结。

横向插拔式：充电输出和效率都比较高，但由于需要与充电桩配合使用，充电场所选择不自由，而且也不能和乘用车共同使用。结构方面，充电用的插拔结构设计在车身量产，这种设计也会是物料成本提升。

图1  横向插拔式充电示意图

 受电弓式：大家见到的最早的电动商用车其实可能是有轨电车，有轨电车在车顶有个类似天线的设备，与行车路径上方架设的供电设备接触取电，这套设备使用的就是受电弓。和横向插拔式类似，也是有着空间上的不便利性。

图2  受电弓式充电充电设备示意图

静止中非接触式（SWPT）：一般最高可以输出200kW的程度，电量传输效率比接触式的要低一些。而且地面侧电磁感应线圈和车两侧电磁感应线圈之间，如果夹着金属异物，会存在因温度升高而引起火灾的风险，所以这个情况需要进行专门的防护措施。目前国外小批量装车的有宝马和迈凯伦；同时大众、FCA、奥迪、迈凯伦等多家主机厂正在进行相关产品预研和量产开发。宝马的530e在北京、成都等地还投入了一部车辆商业运营。2020年工信部发布的《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》中明确指出，支持无线充电等新型充电技术的研发。随着我国新能源汽车技术的发展，新能源汽车向“四化”迈进的过程中，无线充电技术也得到了越来越多主机厂的重视，尤其无线充电与自动泊车技术结合的应用，将极大地促进无线充电技术的发展。

图3  静止无线充电式充电设备示意图

电池交换式：换电站预先将电池充电并检测，车辆搭载的电池电量用完以后，可以直接到换电站换一块电池，整个过程不到三分钟，省去了充电等候时间，比燃油车加油还要方便，这是换点的最大优势。充电输出及传输功率方面也是没问题的，但换点系统使用的电池更换设备需要进行布设，这点可能会受到不同车型，不同电池拆装方式的制约。因此，自动化换电站的建设使基础设施方面的投入成本大幅增加，并且商用车的换电站和乘用车的不能通用。除此之外，大量的电池储存在换电站内，也提高了换电站设施的火灾发生风险。

图4  电池交换式充电设备示意图

3.2  行驶中充电技术方案

行驶中充电系统（ERS）是一个相对新颖的概念，在过去十年中发展迅速。ERS被广泛理解为一种能够在车辆之间进行动态动力传递的系统以及它行驶的道路。静电充电本身不被视为ERS，而是互补技术，然而许多创新都植根于静电系统。一般来说，ERS分为三组包含有感应式（无线）、导电悬架、导电轨，虽然概念之间存在显著差异，但三种方式都能提供相同的功能和服务，在车辆行驶时为电动汽车提供所需的电力传输。针对各种方式的特征进行了整理和总结。

图5  行驶中充电方式示意图

图6  OVERHEAD方式充电设备示意图

OVERHEAD式：是西门子等公司研究开发的第三代供电系统。电力输出为600kW，传输效率可到达97%以上。当车辆检测到电池阈值电压后，位于车辆顶部的供电受电弓，自动延伸以与架空线路接触，电量通过受电弓转移到车辆中，用于电池充电或者直接驱动电机运行。因为商用车的车身高端比较高，所以受电弓设备对道路中其他交通参与者的影响较小。车身方面受电弓设备需要安装在车顶部，这使车辆自身成本有所增加。作为路侧供电设备的基础设施建设方面也需要同步进行，同样会产生比较高的成本，但这种方式乘用车也是可以实现共用的。

侧面滚轮式：本田开发出这种供电方式，并在测试路段进行了应用。电力输出为450kW以上，可以满足商用车行驶所需的电力。传输效率也可到达95%以上。在原理上与架空受电弓的概念相似，同样依赖于电源和车辆之间的直接接触（通过机械臂/受电弓）传递能量。使用车辆侧面的滚轮，与道路旁的供电设施进行接触，使电力传输到车辆上，实现电动车的充电。因为使用的是从车辆侧面伸出的接触式滚轮结构，使用过程中对其他交通参与者会产生影响。同样作为供电设备的基础设施建设也是必要的，成本预计是无线充电路侧设备成本的1/20，比无线充电的道路基础设施要便宜很多，也更容易在现有道路上进行改造建设。而且建成的设施，乘用车也是可以通用的。

路面导电轨式：也是接触式供电的一种方式，使用路面下设置的轨道进行供电，供电电力输出可以达到240kW，传输功率最大可以达到97%。系统检测到车辆沿轨道行驶时，车辆沿着轨道行驶速度到达供电启动阈值后，机械臂自动从车辆后底侧延伸与导轨连接，从而实现接触式供电。因为导电轨铺设在道路表面，对于行人触电事故风险需要进行严格的管控。成本方面，自动感知连接供电设备使车辆侧的成本增加。基础设施方面，建设导电轨成本预算大约需要280~950万元每公里，建成后商用车和乘用车可以共用。

DWPT式：DWPT的原理其实就跟常见的手机无线充电一样，透过在道路下方埋入电磁感应线圈，安装接收装置的电动车行驶在这段道路上就可以达到无线充电的目的。Stellantis集团表示，其与多个机构共同研发合作的动态感应充电（DWPT）示范道路在意大利建成，该道路长度为1050米，可输出电量1000kW。目前国内应用于高度铁路的动态无线充电传输效率也可以达到92.4%。但驾驶中无线充电时，会有驾乘人员在车辆内部，长时间暴露在无线充电的高功率电磁波环境内，对人体的影响，目前还在实验验证之中。和静止状态下无线充电相同，异物也会对充电造成风险。成本方面，车辆侧需要安装充电感应线圈，如果有预装的话，对车辆来说没有什么新成本增加。但无线充电道路方面，铺设无线充电道路成本预算大约需要510~2900万元每公里，路侧设施建设成本非常高。建成后商用车和乘用车可以共用。

图7  DWPT方式充电道路示意图

总结：无论是BEV、PHEV、HEV以及FCV从实用性角度出发，按照车辆使用1天内的行驶距离和车辆总重量关系进行分析：

行驶距离短的短途配送轻卡和环线公交汽车更适合使用随机充电或者支持换电的BEV车型。行驶距离长的长途运输卡车和长途巴士公共汽车需要在途中灵活的进行电量补给，所以适合采用HEV、BEV或者PHEV车型。

换电这种方式更适用于轻型、有固定线路的运输工作场景，如配送车辆、公交车辆等，在这些工作场景中大部分车辆使用较为频繁，没办法等待车辆充电。

无线充电方式是最便捷、也是最容易被使用者接收的方式。静止中无线充电已实现了市场应用，但受限于地面侧设施较少，目前市场占有率还不是很高。行驶中动态无线充电技术已基本成熟，在静止充电普及后，结合道路侧基础设施建设的不断完善，势必能够进一步推动新能源电动汽车在市场上的普及与发展。