新能源專用汽車上裝電動(dòng)化發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)分析

摘要：上裝系統(tǒng)是專用汽車的重要組成部分，其工作能耗、經(jīng)濟(jì)性和舒適性在專用汽車整車中具有重要影響。為此，介紹了國內(nèi)外專用汽車上裝電動(dòng)化的發(fā)展方向和特點(diǎn)，并提出了上裝電動(dòng)化的技術(shù)路線和發(fā)展趨勢(shì)，以期提高專用汽車上裝電動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)新能源專用汽車整車的零碳運(yùn)營。

關(guān)鍵詞：專用汽車；上裝電動(dòng)化；新能源

中圖分類號(hào)：U469 收稿日期：2024-09-01

DOI：10 19999/j cnki 1004-0226.2024.11.001

1 前言

近幾年，新能源商用車在電動(dòng)化浪潮下實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2023年新能源商用車銷量約為22萬輛，已覆蓋物流運(yùn)輸、市政環(huán)衛(wèi)、工程建筑、應(yīng)急保障等多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景[1]，各大主機(jī)廠都在積極布局新能源專用汽車。

新能源專用汽車一般由新能源底盤和專用汽車上裝組成，近幾年，隨著車輛電池、電機(jī)、電控等核心部件的發(fā)展，新能源專用汽車底盤愈加成熟，而專用汽車上裝的電動(dòng)化水平相對(duì)比較滯后。

目前，專用汽車上裝作為一個(gè)獨(dú)立的模塊，對(duì)整車的工作能耗、經(jīng)濟(jì)性、舒適度等指標(biāo)有較大的影響。同時(shí)，隨著法規(guī)對(duì)整車排放、能耗的要求日益嚴(yán)格，推行專用汽車上裝的電動(dòng)化勢(shì)在必行，對(duì)新能源專用汽車行業(yè)發(fā)展具有重要意義。2023年新能源專用汽車主要應(yīng)用場(chǎng)景及銷量分布如表1所示。

2 國內(nèi)外上裝電動(dòng)化發(fā)展現(xiàn)狀

美國特雷克斯（TEREX）公司推出了一款集成化的取力器系統(tǒng)HyPower Smart PTO，該系統(tǒng)集成了動(dòng)力電池、電機(jī)、逆變器、控制器、液壓泵和散熱器，電池容量最大可達(dá)28.8 kW，液壓輸出流量最大為78 LPM，液壓系統(tǒng)壓力最大為275 kPa，并提供了標(biāo)準(zhǔn)化的液壓、充電和通信接口。其亮點(diǎn)是集成了動(dòng)力電池，可以應(yīng)用在傳統(tǒng)燃油底盤領(lǐng)域，代替機(jī)械取力器，可實(shí)現(xiàn)液壓動(dòng)力按需輸出，有效解決發(fā)動(dòng)機(jī)怠速排放和定排量液壓系統(tǒng)功率浪費(fèi)等問題。目前該裝置已在TEREX公司生產(chǎn)的高空作業(yè)車上實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用[2]。

德國采埃孚（ZF）公司針對(duì)電動(dòng)卡車平臺(tái)推出了eWorX取力器模組，其具有標(biāo)稱功率50 kW的電動(dòng)機(jī)、逆變器和帶有特定應(yīng)用軟件控制單元以及冷卻系統(tǒng)和液壓泵，通過CAN接口與底盤和上裝系統(tǒng)通信[3]。該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了零排放，還顯著降低噪聲水平，使得商用車更適合在城市運(yùn)行。奔馳eActros電動(dòng)卡車適配了eWorX，并在2022德國環(huán)博會(huì)（IFAT2022）上首次亮相。ZF公司eWorX取力器模組架構(gòu)如圖1所示。

美國Trezo Power Systems公司推出了一款智能液壓系統(tǒng)Hydrapulse-EHPU。該系統(tǒng)是一個(gè)完整的電動(dòng)液壓系統(tǒng)，其特點(diǎn)是具有200 VDC～800 DC高壓電輸入接口，可直接在純電和混合動(dòng)力車型上使用，并且具有CAN/J1939通信功能，其液壓系統(tǒng)是由永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)的負(fù)載敏感系統(tǒng)。這種集成化系統(tǒng)可移除液壓系統(tǒng)90%以上常見組件，改善車輛或機(jī)器的尺寸、重量和復(fù)雜性，并顯著幫助排除故障，具有可維護(hù)性和可控性。目前，該公司的系列化產(chǎn)品輸出功率涵蓋2.5～90 kW，應(yīng)用于市政車輛、礦山和工程機(jī)械。圖2為EHPU系統(tǒng)連接圖。

國內(nèi)的一些專用汽車主機(jī)廠及系統(tǒng)零部件企業(yè)在上裝電動(dòng)化領(lǐng)域也進(jìn)行了研究，并有產(chǎn)品推廣面市。

市政環(huán)衛(wèi)領(lǐng)域是新能源專用汽車最早、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，中聯(lián)、宇通等專用汽車主機(jī)廠推出全新的新能源環(huán)衛(wèi)裝備，以純電動(dòng)洗掃車為例，上裝實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)、高壓水泵、液壓油泵全電動(dòng)化驅(qū)動(dòng)，相比燃油車，單車一年可減少碳排放約18.5 t，運(yùn)營成本降低60%。且上裝搭載域控制器、AI智能分析設(shè)施等，實(shí)現(xiàn)環(huán)衛(wèi)車運(yùn)行智能化、數(shù)據(jù)化。

工程建筑領(lǐng)域，2023年華菱星馬發(fā)布了新款電動(dòng)化上裝攪拌車，采用“油驅(qū)底盤+電驅(qū)攪拌”的運(yùn)作模式，其底盤和上裝分離為兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，上裝可以獨(dú)立完成發(fā)電、充電、放電以及驅(qū)動(dòng)罐體的工作。整車采用一體化設(shè)計(jì)，底盤發(fā)動(dòng)機(jī)直連上裝發(fā)電機(jī)。該上裝能夠提升整車5%的續(xù)航里程，同時(shí)節(jié)省燃料費(fèi)用約5萬元[4]，實(shí)現(xiàn)了較好的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效果。攪拌車電動(dòng)上裝系統(tǒng)如圖3所示。

3 上裝電動(dòng)化技術(shù)路線

3.1 油驅(qū)底盤+電動(dòng)上裝

傳統(tǒng)燃油底盤因無法提供上裝電動(dòng)化所需的電能，可采用“油驅(qū)底盤+電動(dòng)上裝”的技術(shù)路線，快速實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化。電能按照上裝的運(yùn)行工況和需求加裝獨(dú)立的上裝動(dòng)力電池模組。還可以增加備用發(fā)電系統(tǒng)，底盤發(fā)動(dòng)機(jī)直連上裝發(fā)電機(jī)，在上裝動(dòng)力電池低于閾值時(shí)快速高效補(bǔ)充電能。該技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)了上裝動(dòng)力和底盤發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力解耦，使底盤專注于車輛行駛。

3.2 電驅(qū)底盤+電驅(qū)上裝

電動(dòng)底盤實(shí)現(xiàn)上裝電動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)在于底盤具有豐富的電能和補(bǔ)能方式，且可以根據(jù)需求對(duì)上裝進(jìn)行分配和管理。專用汽車電動(dòng)底盤一般在底盤高壓配電模塊（PDU）預(yù)留上裝高壓配電接口，在低壓端增加上裝開關(guān)，作為整車控制器VCU的信號(hào)輸入，VCU控制高壓上裝繼電器閉合，上裝實(shí)現(xiàn)供電。

3.3 上裝執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)化

新能源電機(jī)技術(shù)的發(fā)展給上裝執(zhí)行器帶來了新的電動(dòng)化方案，同一上裝可能需要多種執(zhí)行器，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)深度考慮執(zhí)行器電動(dòng)化方案及其帶來的優(yōu)勢(shì)。

圖4所示為盤式電機(jī)驅(qū)動(dòng)洗掃車風(fēng)機(jī)總成。盤式電機(jī)因?yàn)檩S向尺寸短、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)可以廣泛用于上裝風(fēng)機(jī)、水泵、空壓機(jī)等部件，機(jī)器設(shè)計(jì)的集成化能夠有效降低重量、空間占用率，提高驅(qū)動(dòng)效率。同時(shí)，電機(jī)具有較好的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性，能夠在低速時(shí)提供大扭矩快速啟動(dòng)，給上裝功能控制帶來新的創(chuàng)新點(diǎn)。在一些負(fù)載壓力不大，且空間局限的執(zhí)行器上，選擇電動(dòng)推桿替代油缸，可以節(jié)約液壓管線和閥的使用，且控制方式更加便捷。

4 上裝電動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)

4.1 底盤上裝一體化設(shè)計(jì)

一直以來，專用汽車上裝作為獨(dú)立系統(tǒng)由專用汽車企業(yè)設(shè)計(jì)、制造，最后搭載在二類底盤上完成整車。這種模式的弊端是不能從整車角度進(jìn)行功能定義和接口設(shè)計(jì)，雖然有一些專用底盤的出現(xiàn)，但是其一體化設(shè)計(jì)程度遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)需求。

在電動(dòng)化時(shí)代，一體化設(shè)計(jì)的需求和優(yōu)勢(shì)會(huì)突出顯現(xiàn)，可以從以下幾個(gè)方向?qū)σ惑w化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究：

a.定義整車的電氣架構(gòu)，合理規(guī)劃上裝取電、用電和網(wǎng)絡(luò)接口，上裝控制器作為整車車身域下的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，將上裝關(guān)鍵參數(shù)納入整車參數(shù)管理。

b.顯控一體化設(shè)計(jì)，將上裝控制屏與底盤駕駛室中控屏集成，實(shí)現(xiàn)顯示和操作共享，提高人性化、可靠性水平。

c.結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，底盤和上裝一體化受力分析、結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，實(shí)現(xiàn)輕量化和底盤輕度改裝。

4.2 上裝動(dòng)力系統(tǒng)混合架構(gòu)

在電動(dòng)化時(shí)代，分布式電液驅(qū)動(dòng)將成為未來上裝電動(dòng)化的一個(gè)主要方向[5]，上裝動(dòng)力不再僅僅依靠內(nèi)燃機(jī)液壓動(dòng)力。隨著電液泵和ePTO等智能化器件的應(yīng)用，上裝系統(tǒng)即將迎來新的變革：

a.能夠?qū)崿F(xiàn)上裝動(dòng)力與需求的精準(zhǔn)匹配，大幅降低系統(tǒng)壓力及流量損失，提高能量利用效率。

b.將動(dòng)力部件在空間上接近執(zhí)行機(jī)構(gòu)或與執(zhí)行機(jī)構(gòu)集成，減少液壓部件和管路數(shù)量。

c.取代傳統(tǒng)基于內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械式取力器，減少車輛怠速等待造成的能源浪費(fèi)。

5 結(jié)語

目前，受限于電池容量，底盤電池組會(huì)侵占上裝空間和整車重量，限制了部分電動(dòng)底盤專用汽車的發(fā)展。隨著燃料電池、固態(tài)電池等新類型的出現(xiàn)，儲(chǔ)能和換電等模式日益豐富，整車電動(dòng)化的應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)越來越多，實(shí)現(xiàn)整車零碳運(yùn)營。

上裝電動(dòng)化帶來的節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性是傳統(tǒng)上裝不可比擬的，它是實(shí)現(xiàn)智能化、網(wǎng)聯(lián)化的基礎(chǔ)。因此，發(fā)展專用汽車上裝電動(dòng)化是必然趨勢(shì)，對(duì)新能源專用汽車的發(fā)展具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡璐.2023年我國新能源專用汽車行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)分析[J].專用汽車，2024（3）：22-24.

[2]葉森森.Terex推出Hypower混合動(dòng)力多功能卡車[J].工程機(jī)械，2012，43（9）：71-73.

[3]冷魯粵.采埃孚聯(lián)合奔馳推出電動(dòng)卡車取力模塊eWorX[J].商用汽車，2022（6）：83.

[4]拂曉.星馬電動(dòng)化上裝攪拌車榮獲第2屆中國商用車創(chuàng)新獎(jiǎng)-創(chuàng)新技術(shù)獎(jiǎng)[J].商用汽車，2023（1）：28-29.

[5]張婷婷.電動(dòng)化時(shí)代的高速液壓泵技術(shù)趨勢(shì)與挑戰(zhàn)——據(jù)浙江大學(xué)專家徐兵報(bào)告錄音整理[J].液壓氣動(dòng)與密封，2022，42（3）：103-107.

作者簡介：

邴玉龍，男，1988年生，工程師，研究方向?yàn)閷Ｓ闷嚭偷妆P上裝一體化。