自動駕駛氫能重卡,「偽命題」還是「真剛需」?

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“2024年,特斯拉將由電池轉向氫能!”4月1日,馬斯克發了條相當重磅的推特,承認從前他關於"fuel cells = fool sells(燃料電池=愚蠢的交易)”的看法都錯了。

不過馬斯克很快就刪掉了這則推文,再結合他每年4月1日時釋出的諸如“特斯拉已完全破產”“將把狗狗幣投放到月球上”等訊息,表明這更像是馬斯克的又一次愚人節玩笑。

馬斯克多年來始終對氫燃料電池不屑一顧,大眾集團CEO迪斯也因為它“太貴、效率低、速度慢、難以推廣和運輸”,認為對車來說,氫燃料電池並不實用。

事實上,關於氫和鋰究竟誰才是新能源車的盡頭,雙方的爭論已經持續了數十年。

由於氫燃料電池零碳排放、能量密度高、充電速度快,再加上各國政府支援,“挺氫”一派對其信心十足,堅信氫燃料電池汽車會替代鋰電池汽車,成本大幅下降也只是時間問題。

爭論紛紜,氫燃料電池汽車在其中不停穿行,經歷過在日本的濃墨重彩推廣、挪威加氫站爆炸後的低潮,再到如今的向商用車大力猛攻,已漸漸來到新的階段。

“從各地示範執行的場景來看,氫能和燃料電池汽車綜合發展,已經進入商用車多場景示範應用。”今年3月26日,全國政協副主席、中國科學技術協會主席萬鋼則在第八屆中國電動汽車百人會論壇上如此判斷。

3月23日,國家發展改革委還發布了《氫能產業發展中長期規劃(2021-2035年)》(下簡稱《規劃》),首次將氫定義為一種低碳綠色的二次能源,明確氫是能源轉型的重要載體,再加上此前冬奧會和殘奧會上近1200輛氫燃料電池汽車的投入使用,都進一步推高了當前各方對氫能產業投資佈局的熱情。

值得注意的是,如今還有不少專案開始推出“氫能重卡+自動駕駛”的技術方案。

但從商業應用情況來說,自動駕駛技術和氫能重卡,都尚未完全成熟,現在就將二者融合應用,是否有價值?又會遇到什麼實際優勢和落地困難?氫燃料電池和自動駕駛技術的搭配,究竟是必要的未雨綢繆還是一種過猶不及的激進?

氫能自動駕駛卡車,嚐鮮者眾

近兩年來,已有多家自動駕駛公司在氫燃料電池卡車領域佈局,也有燃料電池公司在悄然投資自動駕駛企業。

比如雄韜股份近些年在大力發展氫燃料電池,對氫燃料電池的上中下游均有所佈局,也陸續獲得了一些氫燃料電池的配套大單,算是國內氫燃料電池行業龍頭。

2020年4月,雄韜股份宣佈完成對自動駕駛企業西井科技的戰略投資,並計劃以港口為切入點,聯合開發港口氫能無人駕駛車輛。

深蘭科技則在2020年9月,宣佈與清能股份子公司上海清能達成戰略合作,要一起合作AI智慧燃料電池整車系統平臺,利用人工智慧技術優化量產的燃料電池的整體能耗和能量管理問題。

2021年2月,深蘭科技還拿到了一筆氫燃料電池自動駕駛重卡大單,稱計劃在2年內,完成1000臺以上自動駕駛氫能重卡的交付。

清能股份也是最早一批開始進行燃料電池研發和生產的企業之一。2020年,清能股份在美國成立氫能汽車公司Hyzon Motors,主要產品就是氫燃料電池商用車,隨後,Hyzon Motors在納斯達克上市,頗受美股投資人關注。

2021年,Hyzon Motors宣佈與英國自動駕駛公司AIDRIVERS合作,要共同研發、生產自動駕駛氫燃料電池卡車,第一批卡車就預計在2022年交付使用。

長城汽車也對氫能虎視眈眈,除了釋出氫能願景,還在2021年成立了如果科技,據媒體報道,在落地場景上,如果科技選擇的就是氫燃料電池自動駕駛卡車。

而將在幾年後建成的只對自動駕駛卡車開放的甘肅高速公路商業化專案,也採用“無人駕駛技術+氫能重卡”技術方案,新智駕此前曾獨家詳細介紹過: 《攪動車路協同江湖!第一條真正商用的無人駕駛車輛專用公路來了》

宇通客車則帶著他們的自動駕駛氫燃料客車在今年的電動汽車百人會上亮相,根據介紹,宇通的這款客車採用電電混動系統,具備自動加減速、自動轉向、車路協同等功能,達到L3級自動駕駛能力。

除此之外,還有廣州漢合汽車在2020年釋出的氫燃料電池自動駕駛重卡星索1號、現代汽車在2021年展示的無人駕駛氫動力概念卡車TrailerDrone,均宣稱可以做到無人駕駛,單次充氫後行駛近1000公里。

再比如前蔚來汽車高階副總裁黃晨東創辦前晨汽車,在初期也探索過氫燃料電池自動駕駛卡車的方向,百度牽手獅橋共同孵化的自動駕駛貨卡公司DeepWay,則在其產品中採用了氫電同平臺模組化設計,表示可以相容氫燃料電池驅動。

黃晨東對媒體透露過當時團隊做氫燃料電池自動駕駛重卡的初衷,也曾因此獲得天使輪融資,“(它的)科技含量非常高,但商業化不好賣,從投資人和使用者那裡得到兩種完全不同的反饋。使用者覺得這款車還要有一段時間才能用得上,投資人覺得做這個很好,用燃料電池又有自動駕駛,門檻很高。”

除了投資人看好,企業們選擇“自動駕駛+氫能重卡”方案的重要原因,還在於這能在一定程度上節省整車成本以及提高燃料電池的使用效率。

比如江鈴重汽技術開發研究院副院長丁開文就曾表示,一臺氫能重卡的售價在百萬元以上,主要運輸貨物,因此對新技術的安全性接受度更高,“對於車企而言,搭載的新技術有更大的施展空間”。

另外,由於氫能重卡成本高昂,而自動駕駛技術正好可以節省司機的人工開支,且不受運營時間影響,這就使得氫能重卡有望成為一種具備經濟性的全新商業模式。

川財證券如此認為,由於自動駕駛與氫能重卡在應用場景和發展階段上有相當的匹配度,“自動駕駛與氫能重卡這兩種新技術的融合應用,將強化氫能利用帶來的成本下降優勢,有望加快氫能重卡的商用落地”。

另一方面,目前氫燃料電池要想在商用車上量產應用,還存在著諸如耐久性不足、功率密度和成本高等一系列問題。

清華大學車輛與運載學院院長李建秋就發現,智慧網聯技術將是解決氫燃料電池散熱問題的關鍵技術之一。

他舉例,在高速公路上,如果兩輛車連著開,當車距是4米時,第一輛車能比單車開節省18.9%的風阻係數,第二輛車能夠節省75%的風阻係數,兩輛車綜合下來,就平均節能超過10%。

“如果是三輛車連在一起開,它的能耗僅僅是每一輛車單獨開的75%,也就是節能效率可以達到25%以上。”

李建秋認為,通過智慧化車隊和智慧駕駛技術,能大幅降低燃料電池發動機整車的功率,從而解決整車散熱的問題。

技術實現不難,商業落地不易

“我們預計,到2025年前後,如果把重卡的風阻係數降到0.35,燃料電池的效率從現在的45%提高到52%,那麼由於佇列駕駛和智慧駕駛的技術,在每百公里的每小時時速下,單車的能耗將從現在的13.87公斤下降到佇列駕駛環境下的6.8公斤。”

這就意味著,到2025年,14公斤氫將能跑如今2倍的航程,續駛里程提高100%,效果非常顯著。

李建秋表示,商用車需要技術變革,這種技術變革將是推動未來新能源智慧商用車發展的基礎。

但需要注意的是,原本重卡的電子電氣技術就落後於乘用車,也多使用柴油發動機,如果要在重卡上採用“氫燃料電池+自動駕駛”的技術方案,就使得車輛要同時完成電氣化和智慧化的轉型,這在技術上不難做到,但要實現量產商業化落地,卻並不輕鬆。

DeepWay總工程師譚昌毓對新智駕表示,在汽車的底層驅動方面,氫燃料電池和鋰電池是一樣的。

根據博世的經典五域分類,整車可分為動力域(安全)、底盤域(車輛運動)、座艙域/智慧資訊域(娛樂資訊)、自動駕駛域(輔助駕駛)和車身域(車身電子)。

其中汽車傳統的動力域是指從發動機到驅動輪之間的傳遞裝置,一般由離合器、變速器、傳動軸、主減速器、差速器及半軸等部分組成,它是汽車進行各種動作(加速、減速、倒車、轉彎等)的基本保障。

汽車傳動系統組成 圖片來源於論文《電控電動換擋機理及驅動技術研究》

“傳統的卡車,仍是通過發動機提供一定的扭矩和轉速的功率,再通過變速箱將它減下來,再通過傳動軸進行一級減速,從而驅動車輪,這一套全是傳統機械的。”

譚昌毓認為,隨著卡車的電子電氣化發展,汽車的車橋都將由電驅動,“而在前端提供電的能源形式可以多種多樣,比如氫、甲醇或者鋰電池等等,但它們底層的驅動邏輯都是一樣的”。

而從氫燃料電池的反應原理看,氫燃料電池主要是利用氫氣作為還原劑,氧氣作為氧化劑,經過氧化還原反應產生電能以及生成水。

根據電解液的不同,燃料電池也可分為不同類別,而目前發展得更為迅速的為質子交換膜燃料電池(PEMFC),單個PEMFC主要包括雙極板、質子交換膜及催化劑等,水則是氫燃料電池反應中的唯一副產品。

圖片來源於論文《氫燃料電池轎車能源與動力系統優化匹配及控制策略研究》

而由於氫燃料電池在電動汽車上應用時,會存在一些如啟動慢、動態響應慢、不能回收制動能量等問題,另外,若讓PEMFC的輸出工況隨著負載進行大幅度波動也會降低其使用壽命。

所以在汽車實際應用上,為了克服上述遇到的問題,最可行方案一般是將蓄電池、電容等輔助能源與PEMFC組合成多能源系統一起供電。

在DeepWay開發的車輛氫電同平臺中,根據譚昌毓介紹,氫燃料電池和車上的動力電池,是並聯系統,“氫燃料電池可以發電直接驅動車的電驅動橋或分散式驅動橋系統,也可以氫燃料電池和鋰電池同時驅動;也可以將氫產生的電,儲存到動力電池裡,由動力電池來進行控制驅動。”

因此氫燃料電池汽車和鋰電池汽車,除了動力系統部分的模組有所不同,從整體的驅動架構上來看,它們沒有差別,這也是DeepWay試圖做到氫電同平臺設計的底層邏輯之一。

氫燃料電池汽車整車架構 圖片來源:afdc.energy.gov

另外從研發成本上看,如果已經開發有鋰電池汽車平臺,再在此基礎上開發氫燃料電池平臺,開發成本並不會增加很多。

“開發一個氫電同平臺和純粹的鋰電池平臺和相比,成本只在原來的基礎上增加了10-20%。”譚昌毓表示。

自動駕駛系統對車輛轉向系統的精確度、可靠性和實時性要求更高,那當氫燃料電池系統再與自動駕駛技術融合應用,技術實現難度會不會進一步加大?

對此譚昌毓表示,氫燃料電池或者鋰電池,其實隻影響到整車架構中的動力域,自動駕駛技術在汽車的智駕域,它本身就能夠和底盤、動力系統通訊。

“氫燃料發動機,它有自己的獨立演算法,當車的智駕域需要加速時,它只需提供充足的動力即可,這通過協議和軟體就能實現。”

譚昌毓認為,不管是使用氫動力、鋰電池還是柴油來實現自動駕駛,從技術難度上來講,並沒有太多疊加的東西,“比如說DeepWay的星途1代,如果是在電車上驗證完的自動駕駛系統,要想換到在氫燃料電池系統上應用,要做的,可能只是一些適應性的標定,而不是說還要從頭再研發一遍。”

但“自動駕駛+氫能重卡”的最大問題,還在於方案的商業化落地上。

像前文提到的黃晨東,在創業之初也嘗試過“自動駕駛+氫能重卡”的技術方案,“當時我們也獲得了天使輪的錢,但後來覺得離市場還稍稍遠一點,所以暫時就放棄了”。

氫燃料電池進入乘用車市場?

在交通領域,國內對氫能的應用呈現出氫燃料電池商用車先發展,氫燃料電池乘用車後發展的特點,當前氫燃料電池汽車的主要示範應用集中在物流、客車等領域。

根據李建秋介紹,在重卡板塊,500公里以下的純電動重卡已經基本實現了商業化,因此能留給氫燃料電池重點攻略的市場,就只有800-1000公里以上的重卡市場。

而這個細分市場對整車價格、電池壽命都相當敏感,目前柴油重卡的價格大多集中在38萬元-50萬元區間。

然而總體來看,從上游的生產綠氫、運氫、儲氫、加氫,到中下游對氫燃料電池及系統的研發、生產及應用,氫燃料電池汽車的整個產業鏈在國內仍不成熟,還處於產品匯入階段。

因此諸如前文提到的,計劃生產自動駕駛氫能重卡的企業,目前進度也多在研發階段,或者僅有樣車/概念車展示,且單車成本高昂。

據一業內人士透露,目前一臺自動駕駛氫能重卡的價格至少在200萬元以上。

“目前1000瓦氫燃料電池的價格大約是5000元人民幣,對於長途幹線物流重卡,基本一次就要匹配240千瓦氫氣,接近240元人民幣。我們整個算下來,一套氫燃料電池發動機的成本就接近120萬元。”

即使政府按每公斤氫給企業補貼35元,他算了算,單純從車輛運營的角度看,目前柴油重卡每跑100公里,大約成本是210元,而氫能重卡每跑100公里,成本則在350元左右。

“而一臺重卡的全壽命週期,大約可以運營120萬公里,如果現在運營一臺氫燃料電池重卡,從整個生命週期計算,相比於柴油重卡,成本就要增加100多萬元。”

高昂的成本,使得氫燃料電池重卡的商業化進展並不順利。

據高工產研氫電研究所(GGII)統計,截至2021年底,全國在建和建成加氫站共243座,2021全年燃料電池汽車銷量則僅為1894輛(交強險資料), 遠不及預期

但由於產業補貼和國家支援政策頻出,自去年以來,資本市場對氫能產業的關注度明顯提升,市場上的融資案例也在顯著增加。

據中央財經大學證券期貨研究所副所長史英哲統計,從2019年到2021年,全國各地共提出氫能相關政策391項,但僅去年一年各地釋出的氫能政策就達到279項。

“另外資料上可以看到,2015年到2018年,國內氫產業基金的規模大概是在220億元左右,但是在2019年到2021年這幾年裡面,投入的資金超過630億元,實際上最近相關的資金支援越來越有力量。”

因此結合各地政府的氫能發展目標,史英哲預計,到2025年國內氫能產業的產值有望達到8000億元,到2030年產值有望達到1.55萬億元,燃料電池汽車的銷售量則有望達到7.6萬輛,到2030年則有望突破20萬輛。

天風證券汽車團隊則預測,氫燃料電池汽車的成本將隨著技術的進步和產業的成熟而下降,到2030年-2050年,其生命週期成本將在物流車、客車、重卡和乘用車領域逐步超過純電動的車型。

中交第一公路勘察設計研究院有限公司交通規劃設計院技術團隊也對氫燃料電池商用車的前景相當看好。

他們如今手中有好幾個專案都計劃以氫燃料汽車為核心建造公路基礎設施,“現在的氫燃料電池汽車,就像十年前的鋰電池汽車。 現在做氫能專案,不為盈利,而是為了五年後的率先佔道和十年後的收回成本”

根據介紹,目前交通運輸行業約60%的二氧化碳排放,都來自於約6300萬輛中型和重型卡車,在如今的柴油動力系統驅動下,這些大車承載著比自重大很多倍的貨物,每天行駛數百公里。這些特點使得貨物運輸成了交通運輸行業難減排的關鍵環節。

中交一公院技術團隊認為,以氫能源為核心對公路基建專案進行新舊動能轉換,對加快形成綠色低碳交通運輸方式至關重要。

該團隊對新智駕表示,鋰電池作為汽車的動力來源,對於小客車來說問題不大,但是對於拉了貨的電動重卡來說,它不能在極寒的工況下工作,續航也是很大的問題。

而幹線物流存在於全國路網,這就需要更為普適的動力來源,這一點氫燃料電池汽車會比鋰電池汽車更具有推廣價值。

“比如換電重卡,全程滿載也只能跑100公里,這還是在溫度合適的情況下,這種方案的初期建設成本加上後期的運維成本,反而還不如傳統的柴油車方案。”

此外,對於同樣載重40噸,續航800公里需求下,鋰電池汽車儲能所需重量為11040kg,而氫燃料汽車則僅需88 kg,所以他們認為在長距離、大載重為特點的商用車場景下,鋰電池在自重及體積上並非最優解決方案。

“鋰電池就比較適合客運領域或者城市周邊的短途出行,它取代的是汽油車,幹線物流重卡的動力終極方案,就是氫燃料電池,它取代的是柴油車。”該團隊分析,氫燃料電池進入乘用車市場會很難,沒有必要也沒有經濟上的可行性。

譚昌毓則認為,從長期來看,氫燃料電池會替代鋰電池,但從中短期內,二者是共存關係。

和鋰電池一樣,氫燃料電池並非新鮮發明,但為什麼後者的商業化發展遠不及前者?

1839年,英國皇家學會的williamRobert grove根據水電解的原理,提出了逆向使用氫氧結合發電的想法,世界第一個氫燃料電池由此出現。

2013年,現代開發出全球首款量產氫燃料電池汽車fucson ix,2014年,豐田緊跟著釋出了全球第二款量產氫燃料電池汽車,日本政府也對氫燃料電池汽車頗為重視,但多年來始終商業化進展緩慢。

這一現象會不會在國內重蹈覆轍?

一個由政策驅動的產業,最值得關注的,也是政策的風向變化。

一長期關注汽車行業的投資機構創始人對新智駕指出,雖然近期國內對氫能的產業補貼和支援政策力度有所上升,但是相比於10年前政策對鋰電池汽車的支援力度,還是謹慎和遜色不少。

“氫能及燃料電池產業的核心關鍵技術,比如電堆技術並不由國內掌握,而是由豐田一家獨大,國內目前的產業補貼和支援政策,更多還是為了鼓勵研發,並不是要大力使它商業化發展。”

該名投資人分析,如果有朝一日國內在氫能及燃料電池產業的核心關鍵技術能取得突破及領先,那才是政策和產業補貼大力支援其商業化發展的階段。

俄羅斯有句諺語:“ 想當將軍夫人,就得先嫁給中尉,跟他在邊境上、森林裡、沙漠上,過上二十年。

而“自動駕駛+氫能重卡”技術方案的商業化落地發展,或許還要經過很長一段時間的風吹雨打,才能走出實驗室,來到現實世界中迎風而上。

參考資料:

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

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

3.趙甜甜,電控電動換擋機理及驅動技術研究,2015 - 大連理工大學:精密儀器及機械

4.溫延兵,氫燃料電池轎車能源與動力系統優化匹配及控制策略研究,2016-山東理工大學

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