资讯 智能驾驶
此为临时链接,仅用于文章预览,将在时失效

自动驾驶氢能重卡,「伪命题」还是「真刚需」?

作者:卢洁萍 编辑:伍文靓
2022/04/12 06:26

“2024年,特斯拉将由电池转向氢能!”4月1日,马斯克发了条相当重磅的推特,承认从前他关于"fuel cells = fool sells(燃料电池=愚蠢的交易)”的看法都错了。

自动驾驶氢能重卡,「伪命题」还是「真刚需」?

不过马斯克很快就删掉了这则推文,再结合他每年4月1日时发布的诸如“特斯拉已完全破产”“将把狗狗币投放到月球上”等消息,表明这更像是马斯克的又一次愚人节玩笑。

马斯克多年来始终对氢燃料电池不屑一顾,大众集团CEO迪斯也因为它“太贵、效率低、速度慢、难以推广和运输”,认为对车来说,氢燃料电池并不实用。

事实上,关于氢和锂究竟谁才是新能源车的尽头,双方的争论已经持续了数十年。

由于氢燃料电池零碳排放、能量密度高、充电速度快,再加上各国政府支持,“挺氢”一派对其信心十足,坚信氢燃料电池汽车会替代锂电池汽车,成本大幅下降也只是时间问题。

争论纷纭,氢燃料电池汽车在其中不停穿行,经历过在日本的浓墨重彩推广、挪威加氢站爆炸后的低潮,再到如今的向商用车大力猛攻,已渐渐来到新的阶段。

“从各地示范运行的场景来看,氢能和燃料电池汽车综合发展,已经进入商用车多场景示范应用。”今年3月26日,全国政协副主席、中国科学技术协会主席万钢则在第八届中国电动汽车百人会论坛上如此判断。

3月23日,国家发展改革委还发布了《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》(下简称《规划》),首次将氢定义为一种低碳绿色的二次能源,明确氢是能源转型的重要载体,再加上此前冬奥会和残奥会上近1200辆氢燃料电池汽车的投入使用,都进一步推高了当前各方对氢能产业投资布局的热情。

值得注意的是,如今还有不少项目开始推出“氢能重卡+自动驾驶”的技术方案。

但从商业应用情况来说,自动驾驶技术和氢能重卡,都尚未完全成熟,现在就将二者融合应用,是否有价值?又会遇到什么实际优势和落地困难?氢燃料电池和自动驾驶技术的搭配,究竟是必要的未雨绸缪还是一种过犹不及的激进?

氢能自动驾驶卡车,尝鲜者众

近两年来,已有多家自动驾驶公司在氢燃料电池卡车领域布局,也有燃料电池公司在悄然投资自动驾驶企业。

比如雄韬股份近些年在大力发展氢燃料电池,对氢燃料电池的上中下游均有所布局,也陆续获得了一些氢燃料电池的配套大单,算是国内氢燃料电池行业龙头。

2020年4月,雄韬股份宣布完成对自动驾驶企业西井科技的战略投资,并计划以港口为切入点,联合开发港口氢能无人驾驶车辆。

深兰科技则在2020年9月,宣布与清能股份子公司上海清能达成战略合作,要一起合作AI智能燃料电池整车系统平台,利用人工智能技术优化量产的燃料电池的整体能耗和能量管理问题。

2021年2月,深兰科技还拿到了一笔氢燃料电池自动驾驶重卡大单,称计划在2年内,完成1000台以上自动驾驶氢能重卡的交付。

清能股份也是最早一批开始进行燃料电池研发和生产的企业之一。2020年,清能股份在美国成立氢能汽车公司Hyzon Motors,主要产品就是氢燃料电池商用车,随后,Hyzon Motors在纳斯达克上市,颇受美股投资人关注。

2021年,Hyzon Motors宣布与英国自动驾驶公司AIDRIVERS合作,要共同研发、生产自动驾驶氢燃料电池卡车,第一批卡车就预计在2022年交付使用。

长城汽车也对氢能虎视眈眈,除了发布氢能愿景,还在2021年成立了如果科技,据媒体报道,在落地场景上,如果科技选择的就是氢燃料电池自动驾驶卡车。

而将在几年后建成的只对自动驾驶卡车开放的甘肃高速公路商业化项目,也采用“无人驾驶技术+氢能重卡”技术方案,新智驾此前曾独家详细介绍过:《搅动车路协同江湖!第一条真正商用的无人驾驶车辆专用公路来了》

宇通客车则带着他们的自动驾驶氢燃料客车在今年的电动汽车百人会上亮相,根据介绍,宇通的这款客车采用电电混动系统,具备自动加减速、自动转向、车路协同等功能,达到L3级自动驾驶能力。

除此之外,还有广州汉合汽车在2020年发布的氢燃料电池自动驾驶重卡星索1号、现代汽车在2021年展示的无人驾驶氢动力概念卡车TrailerDrone,均宣称可以做到无人驾驶,单次充氢后行驶近1000公里。

再比如前蔚来汽车高级副总裁黄晨东创办前晨汽车,在初期也探索过氢燃料电池自动驾驶卡车的方向,百度牵手狮桥共同孵化的自动驾驶货卡公司DeepWay,则在其产品中采用了氢电同平台模块化设计,表示可以兼容氢燃料电池驱动。

黄晨东对媒体透露过当时团队做氢燃料电池自动驾驶重卡的初衷,也曾因此获得天使轮融资,“(它的)科技含量非常高,但商业化不好卖,从投资人和用户那里得到两种完全不同的反馈。用户觉得这款车还要有一段时间才能用得上,投资人觉得做这个很好,用燃料电池又有自动驾驶,门槛很高。”

除了投资人看好,企业们选择“自动驾驶+氢能重卡”方案的重要原因,还在于这能在一定程度上节省整车成本以及提高燃料电池的使用效率。

比如江铃重汽技术开发研究院副院长丁开文就曾表示,一台氢能重卡的售价在百万元以上,主要运输货物,因此对新技术的安全性接受度更高,“对于车企而言,搭载的新技术有更大的施展空间”。

另外,由于氢能重卡成本高昂,而自动驾驶技术正好可以节省司机的人工开支,且不受运营时间影响,这就使得氢能重卡有望成为一种具备经济性的全新商业模式。

川财证券如此认为,由于自动驾驶与氢能重卡在应用场景和发展阶段上有相当的匹配度,“自动驾驶与氢能重卡这两种新技术的融合应用,将强化氢能利用带来的成本下降优势,有望加快氢能重卡的商用落地”。

另一方面,目前氢燃料电池要想在商用车上量产应用,还存在着诸如耐久性不足、功率密度和成本高等一系列问题。

清华大学车辆与运载学院院长李建秋就发现,智能网联技术将是解决氢燃料电池散热问题的关键技术之一。

他举例,在高速公路上,如果两辆车连着开,当车距是4米时,第一辆车能比单车开节省18.9%的风阻系数,第二辆车能够节省75%的风阻系数,两辆车综合下来,就平均节能超过10%。

“如果是三辆车连在一起开,它的能耗仅仅是每一辆车单独开的75%,也就是节能效率可以达到25%以上。”

李建秋认为,通过智能化车队和智能驾驶技术,能大幅降低燃料电池发动机整车的功率,从而解决整车散热的问题。

技术实现不难,商业落地不易

“我们预计,到2025年前后,如果把重卡的风阻系数降到0.35,燃料电池的效率从现在的45%提高到52%,那么由于队列驾驶和智能驾驶的技术,在每百公里的每小时时速下,单车的能耗将从现在的13.87公斤下降到队列驾驶环境下的6.8公斤。”

这就意味着,到2025年,14公斤氢将能跑如今2倍的航程,续驶里程提高100%,效果非常显著。

李建秋表示,商用车需要技术变革,这种技术变革将是推动未来新能源智能商用车发展的基础。

但需要注意的是,原本重卡的电子电气技术就落后于乘用车,也多使用柴油发动机,如果要在重卡上采用“氢燃料电池+自动驾驶”的技术方案,就使得车辆要同时完成电气化和智能化的转型,这在技术上不难做到,但要实现量产商业化落地,却并不轻松。

DeepWay总工程师谭昌毓对新智驾表示,在汽车的底层驱动方面,氢燃料电池和锂电池是一样的。

根据博世的经典五域分类,整车可分为动力域(安全)、底盘域(车辆运动)、座舱域/智能信息域(娱乐信息)、自动驾驶域(辅助驾驶)和车身域(车身电子)。

其中汽车传统的动力域是指从发动机到驱动轮之间的传递装置,一般由离合器、变速器、传动轴、主减速器、差速器及半轴等部分组成,它是汽车进行各种动作(加速、减速、倒车、转弯等)的基本保障。

自动驾驶氢能重卡,「伪命题」还是「真刚需」?汽车传动系统组成 图片来源于论文《电控电动换挡机理及驱动技术研究》

“传统的卡车,仍是通过发动机提供一定的扭矩和转速的功率,再通过变速箱将它减下来,再通过传动轴进行一级减速,从而驱动车轮,这一套全是传统机械的。”

谭昌毓认为,随着卡车的电子电气化发展,汽车的车桥都将由电驱动,“而在前端提供电的能源形式可以多种多样,比如氢、甲醇或者锂电池等等,但它们底层的驱动逻辑都是一样的”。

而从氢燃料电池的反应原理看,氢燃料电池主要是利用氢气作为还原剂,氧气作为氧化剂,经过氧化还原反应产生电能以及生成水。

根据电解液的不同,燃料电池也可分为不同类别,而目前发展得更为迅速的为质子交换膜燃料电池(PEMFC),单个PEMFC主要包括双极板、质子交换膜及催化剂等,水则是氢燃料电池反应中的唯一副产品。

自动驾驶氢能重卡,「伪命题」还是「真刚需」?图片来源于论文《氢燃料电池轿车能源与动力系统优化匹配及控制策略研究》

而由于氢燃料电池在电动汽车上应用时,会存在一些如启动慢、动态响应慢、不能回收制动能量等问题,另外,若让PEMFC的输出工况随着负载进行大幅度波动也会降低其使用寿命。

所以在汽车实际应用上,为了克服上述遇到的问题,最可行方案一般是将蓄电池、电容等辅助能源与PEMFC组合成多能源系统一起供电。

在DeepWay开发的车辆氢电同平台中,根据谭昌毓介绍,氢燃料电池和车上的动力电池,是并联系统,“氢燃料电池可以发电直接驱动车的电驱动桥或分布式驱动桥系统,也可以氢燃料电池和锂电池同时驱动;也可以将氢产生的电,存储到动力电池里,由动力电池来进行控制驱动。”

因此氢燃料电池汽车和锂电池汽车,除了动力系统部分的模块有所不同,从整体的驱动架构上来看,它们没有差别,这也是DeepWay试图做到氢电同平台设计的底层逻辑之一。

自动驾驶氢能重卡,「伪命题」还是「真刚需」?氢燃料电池汽车整车架构 图片来源:afdc.energy.gov

另外从研发成本上看,如果已经开发有锂电池汽车平台,再在此基础上开发氢燃料电池平台,开发成本并不会增加很多。

“开发一个氢电同平台和纯粹的锂电池平台和相比,成本只在原来的基础上增加了10-20%。”谭昌毓表示。

自动驾驶系统对车辆转向系统的精确度、可靠性和实时性要求更高,那当氢燃料电池系统再与自动驾驶技术融合应用,技术实现难度会不会进一步加大?

对此谭昌毓表示,氢燃料电池或者锂电池,其实只影响到整车架构中的动力域,自动驾驶技术在汽车的智驾域,它本身就能够和底盘、动力系统通信。

“氢燃料发动机,它有自己的独立算法,当车的智驾域需要加速时,它只需提供充足的动力即可,这通过协议和软件就能实现。”

谭昌毓认为,不管是使用氢动力、锂电池还是柴油来实现自动驾驶,从技术难度上来讲,并没有太多叠加的东西,“比如说DeepWay的星途1代,如果是在电车上验证完的自动驾驶系统,要想换到在氢燃料电池系统上应用,要做的,可能只是一些适应性的标定,而不是说还要从头再研发一遍。”

但“自动驾驶+氢能重卡”的最大问题,还在于方案的商业化落地上。

像前文提到的黄晨东,在创业之初也尝试过“自动驾驶+氢能重卡”的技术方案,“当时我们也获得了天使轮的钱,但后来觉得离市场还稍稍远一点,所以暂时就放弃了”。

氢燃料电池进入乘用车市场?

在交通领域,国内对氢能的应用呈现出氢燃料电池商用车先发展,氢燃料电池乘用车后发展的特点,当前氢燃料电池汽车的主要示范应用集中在物流、客车等领域。

根据李建秋介绍,在重卡板块,500公里以下的纯电动重卡已经基本实现了商业化,因此能留给氢燃料电池重点攻略的市场,就只有800-1000公里以上的重卡市场。

而这个细分市场对整车价格、电池寿命都相当敏感,目前柴油重卡的价格大多集中在38万元-50万元区间。

然而总体来看,从上游的生产绿氢、运氢、储氢、加氢,到中下游对氢燃料电池及系统的研发、生产及应用,氢燃料电池汽车的整个产业链在国内仍不成熟,还处于产品导入阶段。

因此诸如前文提到的,计划生产自动驾驶氢能重卡的企业,目前进度也多在研发阶段,或者仅有样车/概念车展示,且单车成本高昂。

据一业内人士透露,目前一台自动驾驶氢能重卡的价格至少在200万元以上。

“目前1000瓦氢燃料电池的价格大约是5000元人民币,对于长途干线物流重卡,基本一次就要匹配240千瓦氢气,接近240元人民币。我们整个算下来,一套氢燃料电池发动机的成本就接近120万元。”

即使政府按每公斤氢给企业补贴35元,他算了算,单纯从车辆运营的角度看,目前柴油重卡每跑100公里,大约成本是210元,而氢能重卡每跑100公里,成本则在350元左右。

“而一台重卡的全寿命周期,大约可以运营120万公里,如果现在运营一台氢燃料电池重卡,从整个生命周期计算,相比于柴油重卡,成本就要增加100多万元。”

高昂的成本,使得氢燃料电池重卡的商业化进展并不顺利。

据高工产研氢电研究所(GGII)统计,截至2021年底,全国在建和建成加氢站共243座,2021全年燃料电池汽车销量则仅为1894辆(交强险数据),远不及预期

但由于产业补贴和国家支持政策频出,自去年以来,资本市场对氢能产业的关注度明显提升,市场上的融资案例也在显著增加。

据中央财经大学证券期货研究所副所长史英哲统计,从2019年到2021年,全国各地共提出氢能相关政策391项,但仅去年一年各地发布的氢能政策就达到279项。

“另外数据上可以看到,2015年到2018年,国内氢产业基金的规模大概是在220亿元左右,但是在2019年到2021年这几年里面,投入的资金超过630亿元,实际上最近相关的资金支持越来越有力量。”

自动驾驶氢能重卡,「伪命题」还是「真刚需」?

因此结合各地政府的氢能发展目标,史英哲预计,到2025年国内氢能产业的产值有望达到8000亿元,到2030年产值有望达到1.55万亿元,燃料电池汽车的销售量则有望达到7.6万辆,到2030年则有望突破20万辆。

天风证券汽车团队则预测,氢燃料电池汽车的成本将随着技术的进步和产业的成熟而下降,到2030年-2050年,其生命周期成本将在物流车、客车、重卡和乘用车领域逐步超过纯电动的车型。

中交第一公路勘察设计研究院有限公司交通规划设计院技术团队也对氢燃料电池商用车的前景相当看好。

他们如今手中有好几个项目都计划以氢燃料汽车为核心建造公路基础设施,“现在的氢燃料电池汽车,就像十年前的锂电池汽车。现在做氢能项目,不为盈利,而是为了五年后的率先占道和十年后的收回成本”

根据介绍,目前交通运输行业约60%的二氧化碳排放,都来自于约6300万辆中型和重型卡车,在如今的柴油动力系统驱动下,这些大车承载着比自重大很多倍的货物,每天行驶数百公里。这些特点使得货物运输成了交通运输行业难减排的关键环节。

中交一公院技术团队认为,以氢能源为核心对公路基建项目进行新旧动能转换,对加快形成绿色低碳交通运输方式至关重要。

该团队对新智驾表示,锂电池作为汽车的动力来源,对于小客车来说问题不大,但是对于拉了货的电动重卡来说,它不能在极寒的工况下工作,续航也是很大的问题。

而干线物流存在于全国路网,这就需要更为普适的动力来源,这一点氢燃料电池汽车会比锂电池汽车更具有推广价值。

“比如换电重卡,全程满载也只能跑100公里,这还是在温度合适的情况下,这种方案的初期建设成本加上后期的运维成本,反而还不如传统的柴油车方案。”

此外,对于同样载重40吨,续航800公里需求下,锂电池汽车储能所需重量为11040kg,而氢燃料汽车则仅需88 kg,所以他们认为在长距离、大载重为特点的商用车场景下,锂电池在自重及体积上并非最优解决方案。

“锂电池就比较适合客运领域或者城市周边的短途出行,它取代的是汽油车,干线物流重卡的动力终极方案,就是氢燃料电池,它取代的是柴油车。”该团队分析,氢燃料电池进入乘用车市场会很难,没有必要也没有经济上的可行性。

谭昌毓则认为,从长期来看,氢燃料电池会替代锂电池,但从中短期内,二者是共存关系。

总结

和锂电池一样,氢燃料电池并非新鲜发明,但为什么后者的商业化发展远不及前者?

1839年,英国皇家学会的williamRobert grove根据水电解的原理,提出了逆向使用氢氧结合发电的想法,世界第一个氢燃料电池由此出现。

2013年,现代开发出全球首款量产氢燃料电池汽车fucson ix,2014年,丰田紧跟着发布了全球第二款量产氢燃料电池汽车,日本政府也对氢燃料电池汽车颇为重视,但多年来始终商业化进展缓慢。

这一现象会不会在国内重蹈覆辙?

一个由政策驱动的产业,最值得关注的,也是政策的风向变化。

一长期关注汽车行业的投资机构创始人对新智驾指出,虽然近期国内对氢能的产业补贴和支持政策力度有所上升,但是相比于10年前政策对锂电池汽车的支持力度,还是谨慎和逊色不少。

“氢能及燃料电池产业的核心关键技术,比如电堆技术并不由国内掌握,而是由丰田一家独大,国内目前的产业补贴和支持政策,更多还是为了鼓励研发,并不是要大力使它商业化发展。”

该名投资人分析,如果有朝一日国内在氢能及燃料电池产业的核心关键技术能取得突破及领先,那才是政策和产业补贴大力支持其商业化发展的阶段。

俄罗斯有句谚语:“想当将军夫人,就得先嫁给中尉,跟他在边境上、森林里、沙漠上,过上二十年。

而“自动驾驶+氢能重卡”技术方案的商业化落地发展,或许还要经过很长一段时间的风吹雨打,才能走出实验室,来到现实世界中迎风而上。

参考资料:

1.https://mp.weixin.qq.com/s/hFchi-ETKJw2tyVLFKDEfA

2.http://www.evinchina.com/articleshow-257.html

3.赵甜甜,电控电动换挡机理及驱动技术研究,2015 - 大连理工大学:精密仪器及机械

4.温延兵,氢燃料电池轿车能源与动力系统优化匹配及控制策略研究,2016-山东理工大学

雷峰网#雷峰网(公众号:雷峰网)#雷峰网

长按图片保存图片,分享给好友或朋友圈

自动驾驶氢能重卡,「伪命题」还是「真刚需」?

扫码查看文章

正在生成分享图...

取消
相关文章