大幕开启，新能源重卡风光无限（下篇）

2022-09-27 04:09

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摘要

在上篇中，我们介绍了新能源重卡，尤其是纯电动重卡的发展前景及逐渐完善的生态体系，本文重点介绍重卡技术的两大发展趋势——零碳化和智能化。

展望重卡未来演进方向，我们认为主要有两条主线：一是零碳化，即通过新能源的采纳实现节能减排，助力碳中和；二是智能化，即通过全车智能和无人驾驶解放劳动力，实现自动化运营。二者共同牵引重卡产品向终极形态进化——高度智能化、无人驾驶的零排放重卡。重卡零碳化、智能化在技术研发的方向上各有侧重，又相互促进。

零碳化

以纯电动重卡的开发为例，尽管受制于不够成熟的技术和有限的规模，当前绝大多数纯电动重卡采用的是“油改电”方案，但长期来看，正向研发纯电重卡平台将是纯电动重卡性能提升的必由之路，也是领军企业共同选择的攻关方向。

当前的“油改电”重卡是在尽量少改变现有燃油重卡平台基本布局的前提下，将发动机改为电机，并额外增加电池箱布置在车身后端或车架两侧。其作为从燃油重卡向纯电动重卡发展的过渡产物，一定程度上满足了以可控的成本快速推出纯电动重卡产品的诉求，但在性能上却不尽如人意：比如底盘空间利用率低、传动效率不高；背挂式电池箱挤占了货箱空间，有限的电池箱空间也限制了续航等——这些均会影响纯电动重卡在实际运营中的性能表现，进而制约经济性。

以纯电动重卡的大规模商业化为目标，领先玩家已经开始正向研发纯电重卡平台，在动力总成、底盘布局、车身外形等方面进行深度优化，以充分发挥纯电重卡的优势。主要的研发和设计方向包括：

电驱动系统

当前油改电重卡主要沿用燃油卡车中央驱动的模式，仅将动力来源由发动机替换为电机，仍沿用基于传统动力的系统，存在重量大、体积大、效率低的问题。而正向开发的纯电重卡可以对整体电驱动系统进行更深度的优化。

随着商用车电驱动系统向集成化发展，为纯电动重卡设计的集成式电驱桥和分布式驱动方案也开始出现，东风德纳、采埃孚、AVL、AxleTech等公司均有针对纯电动重卡的电驱桥产品推出。轮边电机、轮毂电机为代表的分布式驱动方案仍处于发展早期，现阶段正向开发的纯电动重卡多选择采用集成式电驱桥。与中央驱动相比，集成式电驱桥是集电机、减速器、驱动轴等为一体的高集成传动系统，具备整车布置空间小、集成度高、传动链少、效率高等优点。对于纯电动重卡来说，更为集成化的电驱动系统可以扩大可用空间，降低车体自重，从而实现更好的动力性能和更优的能效。

电驱动系统的另一个发展趋势是高压平台的应用。当前乘用车主流的电压平台为400V，商用车为600V，而下一代电动车的发展方向是800V—1000V的高压系统。高电压平台的最大价值之一在于实现大功率快充：充电功率提升后，配合超充桩的应用，可以大幅缩短充电时间。尤其是纯电动重卡本身电池容量更大，考虑到其生产工具的属性，充电加快对运营效率的提升尤为关键。此外，高电压平台也可以提升整体驱动效率：高电压系统下，电流变小使得整个系统的功率损耗减小，从而在同等带电量的情况下延长续驶里程，整车动力性能也更优。

800V平台最初于2019年在保时捷Taycan搭载，近来开始在多款乘用车上应用。商用车领域的玩家也已经开始布局，如博格华纳已于2021年推出用于混合动力和电动商用车的800V电机，预计2024年开启量产^[1]。

大功率快充的实现，除主机厂需在车端研发对应的高电压平台，也需要配套快充桩的落地铺开和相应快充技术的日臻成熟。

在快充需求高速增长的背景下，对于快充充电桩的需求也在不断提高。2021年底，新能源车和充电桩之比为3:1，预计车桩比到2025年可下降为1.5:1。以新势力为代表的主机厂积极开展充电桩的部署，截至2022年9月初，小鹏在全国所有地级行政区和直辖市内，部署了近800座自营超级充电站^[2]；蔚来则布局了近1000个超充站^[3]。

技术上，一方面，高电压快充对充电桩内核心部件——充电模块的功率提出更高要求。从第一代7.5kW到第二代15kW/20kW，发展到当下主流的第三代30kW/40kW，一直处于不断迭代和演进的过程。另一方面，为了提升充电桩的安全性和稳定性，液冷散热将会是模块散热未来的主流趋势。液冷散热拥有诸多优点，包括低噪音、散热好、易维护等。2019年特斯拉第三代超级充电桩V3便已率先使用了液冷散热技术，2021年广汽埃安推出的A480超充桩也采用了液冷式充电系统。

相信不久的将来，无论是800V高压平台，还是快充技术和快充桩的发展普及，均会从乘用车领域逐渐扩展到商用车领域。

底盘布局

为适配传统的中央驱动系统（发动机前置，后轮驱动，简称前置后驱），燃油重卡底盘通常采用具有横纵梁结构的车架。如果仍沿用中央驱动+横纵梁车架的底盘结构开发电动重卡，会面临底盘电池布置空间不足的问题。因此，油改电重卡多在驾驶室后方的车架上放置电池箱，但在这样的布置下，不但底盘空间未得到有效利用，还造成了对货箱容积的挤占。

在正向设计电驱动系统的基础上，纯电动重卡底盘的结构设计也可以得到进一步优化，空间布局利用率得到提升。例如，正向设计的纯电动重卡可以去掉传统的传动轴，重新设计车架结构以实现在底盘中平铺布置电池。这样的布置有诸多优势：

底部平铺电池能布置更大的电量，提升续航，同时减少对货箱容积的挤占——这一点对于作为生产工具的重卡来说尤为关键；
采用箱型梁框架结构，电池包置于箱型框架结构内，使底盘整体结构更加稳固——这样既能保证电池箱的安全，又能充分发挥车架的承载能力；
整车重心更低，转向时侧翻风险低，行驶稳定性和操控性更好；
车辆外观的整体性更优。

车身外形

得益于正向设计，纯电动重卡也不再局限于传统燃油重卡“平头车”的外形，而是可以通过重新设计驾驶室结构，采用低风阻外形设计和轻量化车身材料，从而优化整车空气动力学性能，实现进一步的能效提升。

以车身外形为例，当前国内量产的平头卡车风阻系数多为0.55—0.65，而拥有子弹头设计、只有单驾驶位的Tesla Semi则宣称可进一步将风阻系数降低至0.36^[4]。

智能化

通过自动驾驶和智能网联技术，实现安全、稳定、高效的无人化运营，才能从根本上提升重卡生产力、解放人类司机劳动力。从实现路径来看，商用车线控的逐步成熟会为自动驾驶在重卡的落地奠定良好基础，而集中化的电子电气架构设计可以在商用车领域实现“软件定义硬件”，实现汽车全生命周期的迭代升级。

自动驾驶

中国公路货运行业长期面临卡车司机紧缺、燃油成本高昂、事故多发等挑战。重卡自动驾驶如果落地，不仅能带来切实的经济效益，还可以改善道路交通整体安全性，使重卡自动驾驶成为有潜力颠覆公路货运行业的一项革命性技术。

在当前中国燃油重卡TCO中，燃油成本和人力成本两项之和占比过半；其余是保险费用、车辆购置成本、路桥费、折旧、维保等。从成本结构角度看卡车自动驾驶的价值，最显著的无疑是驾驶员人力成本的免除，前提是L4纯无人运营落地，这一点L2+/L3是无法做到的。其次是通过软件算法优化自动驾驶车辆行驶的速度和路线、改善人类司机的驾驶行为，可以实现一定程度的油耗节降。此外，完善的自动驾驶系统也能降低事故率，不仅能够提升安全性，还可以节省保险费用。

根据头部卡车自动驾驶公司当前公布的进度，L2+重卡已于2021年开启量产和运营，而L4卡车仍处于测试阶段，前装量产预计在2025年左右。

线控技术

高等级自动驾驶的实现首先依赖于线控技术（X-by-wire）。线控技术是指用电信号的形式直接控制执行机构（如驱动、制动和转向），以取代传统的机械、液压或气动等形式。

高级别自动驾驶依赖于感知层、决策层和执行层的高效配合，高精度、快响应、安全稳定的执行系统是实现高级别智能驾驶的必要条件；而传统机械、液压等控制技术难以满足精确控制需求（而且卡车的控制难度更高），也不具备冗余备份的能力，无法实现软硬件解耦。因此，线控是卡车自动驾驶落地的必备基础设施。

线控底盘关键技术主要有线控驱动（DBW）、线控制动（BBW）和线控转向（SBW）。其中，线控驱动已较为成熟，线控制动处于量产应用及完善阶段，而线控转向尚不成熟。特别是对于商用车，线控底盘的成熟度不如乘用车，所以现阶段的自动驾驶车辆多是在传统的控制系统上增加线控功能——在缺乏成熟可靠的线控产品前，线控的实现无法一蹴而就，这也是自动驾驶落地必经的阶段。基于这样的现状，行业更需要卡车制造商和零部件供应商共同推动线控底盘技术的发展进步。

卡车线控制动发展历程

商用车由于载重大、工作条件恶劣，其制动系统以气压制动系统为主。现有的线控气压制动系统多为基于传统气压制动系统演化出的增加了线控功能的形式，通常称为电子制动系统（EBS）。EBS不是完全的线控制动系统，因为它虽然采用电控方式缩短了制动过程中前期的操控反应时间，但是后期驱动车轮制动器制动的方式依然是沿用压缩空气，升压存在滞后性。

商用车线控制动下一代的发展方向是电动机械制动（EMB），即整个系统取消全套气压管路、刹车总泵和真空助力泵，改由电机直接驱动制动卡钳进行制动，是完全的线控制动系统，能从根本上解决商用车采用压缩空气作为控制和驱动介质实施车辆制动带来的先天性不足，大幅提升响应速度、缩短刹车距离。

卡车线控转向发展历程

商用车由于负载较大，转向系统以液压助力（HPS/EHPS）为主，当前电动助力转向（EPS）渗透率较低。传统液压助力转向（HPS）的主要原理是由发动机驱动液压泵，提供转向助力。电子液压助力转向（EHPS）则将HPS中的发动机改为电机，从而实现电控。电动助力转向（EPS）进一步取消了液压系统，电动机直接与机械转向器建立了传动关系。

当前商用车自动驾驶应用的主流方案是基于EHPS增加线控功能；随着高输出EPS产品可用性提升，预计EPS将成为自动驾驶商用车线控转向的下一代应用。

纯电重卡平台天然比燃油平台更容易实现高质量的线控，可以让自动驾驶的适配更“无痛”，省去大量的调试和改装工作。这是因为纯电平台的主要执行机构通常必须使用电动机构实现“信号”到“力”的转换，因此这些执行机构天然具有更高的响应速度和线性度。同时，L3及以上的自动驾驶要求安全关键（safety-critical）功能具有冗余。利用正向开发的契机，重卡厂商也可以在控制系统上配置冗余备份，并进行更严格的可靠性设计，以更好地适应自动驾驶对卡车车辆的需求。

集中化的电子电气架构

在软件定义硬件的时代下，电子电气架构作为支撑智能网联和自动驾驶的关键基础设施，正由分布式向集中化演进。

在传统的分布式电子电气架构中，存在数量庞大的电子控制单元（ECU），它们在车辆中通过长达数千米的线束进行连接，分别支持着各项单一的功能；它们通常是由供应商封装好的“黑盒子”，主机厂只能通过接口进行功能调用。如果需要增加新功能，就需要通过新增ECU实现。然而，汽车智能化的发展需要更多的传感器、更复杂的算法、更快速的通信、更频繁的功能更新，单纯依靠增加ECU数量的方法已经难以为继，这样既无法满足L4及以上高等级自动驾驶的算力需求，也无法实现稳定可靠的远程功能更新（OTA）。这是由于分布式架构下，每个ECU的算力各自独立、无法复用，若需提升算力，则大量ECU均需要按照峰值需求匹配算力，导致成本极高；且各个ECU中的软件版本繁多，系统布局分散，OEM访问权限不一，导致OTA推送升级非常困难；同时，新增ECU额外增加的线束也成为车辆的“不可承受之重”。

域控制器（DCU）的应用可以有效解决上述问题。域控是将汽车的功能整合为自动驾驶域、座舱域、底盘域、动力总成域、车身域等几大功能域，并利用性能更强的SoC，将原本分散于各ECU中的功能集中到域控制器内，实现功能的高度集成。域控架构的优势有两点：