TMC2023 演讲摘要丨Yole丨800km里程的纯电重卡：纯电重卡动力总成技术趋势

　　
      报告标题：

　　TMC2023 演讲摘要丨Yole丨800km里程的纯电重卡：纯电重卡动力总成技术趋势

　　作者：杨宇，Senior Technology and Market Analyst，功率半导体，法国 Yole Intellligence

　　关键词：

　　电动商用车，集成电桥，功率半导体器件，高功率充电，换电

　　要点：

　　1. 全球电动化商用车预测(2022-2027)，全球商用车用功率半导体市场预测

　　2. 电动商用车的系统架构及功率半导体应用

　　3. 电动车高压系统的集成趋势

　　4. 集成式电桥和全集成“滑板底盘”

　　5. 商用车补能系统：高压充电vs换电

　　摘要：

　　根据我们的预测模型，全球电动化广义中型和重型商用车市场(包括MHEV/HEV/PHEV/BEV/FCEV)将在2027年突破30万辆，2021到2027年实现超过50%的复合增长率(CAGR)。

　　所需的功率半导体，全球市场在2027年达到约2亿美元，主要增长来自于用于电控的SiC MOSFET模块，以及Si IGBT模块。

　　重卡处于电动化早期阶段，目前还以“补贴驱动”为主，向“补贴/法规驱动”转换。与乘用车相比，全球范围内，以电动化渗透率来衡量，中型和重型商用车整体有6-10年的差距。此外，商用车分支较多，各不同细分具有不同的技术要求和发展态势：

　　· 城市巴士：BEV

　　· 城际客车：混动/BEV/FCEV

　　· 中卡：BEV

　　· 封闭场所重卡：BEV

　　· 开放道路长途重卡：混动/BEV/FCEV

　　商用车电动化的动力系统组成与乘用车类似，以BEV为例，都由主驱逆变器，OBC，DC/DC等组成，在FCEV中，还涉及DC升压系统。涉及到的功率半导体主要有Si IGBT模块，SiC MOSFET模块，SiC MOSFET分立器件，Si IGBT分立器件，Si MOSFET分立器件，GaN HEMT分立器件。

　　一方面商用车应用具有自己独特的要求，特别在系统的持续输出功率，持续扭矩上要求比乘用车高很多，此外商用车的载荷谱也不同于乘用车，需要更高的可靠性和寿命。此外长途重卡应用需要大电池，而充电时间过长则会压缩商用车的实际运行时间，因此在高功率充电方面，要求更为迫切。

　　因此商用车系统具有以下有别于乘用车的技术特征：

　　· 800V高压系统，以及SiC MOSFET模块为基础的逆变器

　　· 多电机系统

　　· 集成的多档位变速箱

　　· 驱动电桥结构

　　· 多合一高压系统 + 电桥

　　从供应链角度来看，商用车整体市场较小，在Tier 1级别有较为专门的供应商，但从三电供应链角度来看，功率电子以及电芯级别将不会有专门针对商用车的供应链，而商用车反过来可以充分利用乘用车在电动化的先发地位，最大程度“撬动”已有的供应链，在系统层面进行优化，快速降低电动化成本。比如Tesla在其Semi truck中，就很大程度复用了已有的电驱和电芯，但针对长途重卡应用，在驱动总成上做了相应的技术升级，例如转向800V高压系统，电桥脱开装置，适应重卡底盘的多包电池等。

　　除此之外，很多已在乘用车上已经得到验证的概念也可以快速引入商用车，比如从“油改电”平台向BEV专用平台转换(Tesla，Nikola)，以及进一步的分布式驱动系统-“滑板”底盘。

　　为了实现具有竞争力的长途重卡车型(800km里程电动重卡)，新一代EV专用平台需要采用如下的技术路线(不仅限于动力总成)：

　　· 800V电压平台和SiC MOSFET模块为基础的电控，液冷系统。只有800V平台才能同时满足重卡带电量高，充电时间可接受的要求。而在该电压平台下，SiC MOSFET模块对比Si IGBT的效率优势非常显著(相差10%左右)，而重卡要求较高的持续输出能力，对电控和电机的冷却要求非常严格，因此需要采用液冷，特别是油冷系统。整车系统的电压平台升级会涉及到所有跟高压相连接的子系统，而且电芯也需要对电机材料做调整，可以满足2C甚至更高的充电速度

　　· 系统集成：高压系统大集成 + 电驱动桥。高压子系统的集成在电动车辆上已经非常明显。但与乘用车不同，重卡本身的驱动桥已经非常庞大，另外还有大梁存在，很难再像乘用车那样进行多合一集成。因此重新进行系统划分在所难免。重卡本身还有较多的高压子系统，进行集成，但与驱动桥分离后，可以实现电功能和机械功能的分离，也有利于同步验证

　　· 多档变速箱对于重卡来说是必不可少的，否则目前的电机技术很难同时满足低速大扭矩和高速高功率的需求。与乘用车类似，除了布局构型外，变速箱还需要集成驻车功能。同时在多驱动轴布局中，变速箱也需要考虑集成脱开装置。但总体来讲，很多现有的重卡ATM变速箱资源可以得到重新利用

　　· 高功率充电。重卡由于载重要求高，续航里程要求高，因此电池电量也非常可观，所以高功率充电将会是电动重卡得以实际应用的必要支撑。目前高功率充电设施以350kW为主，未来希望可以升至兆瓦量级。这也是为何我们认为800V系统在电动重卡上的渗透率要高于乘用车，而SiC MOSFET模块则是于此对应的功率器件。除车端外，需要额外的基础设施支持。部分主机厂(联盟)已经对高速干线重卡专用充电设施进行布局

　　· 全局化的热管理系统，与乘用车概念类似，需要跨系统的全局热管理方案，实现对电池包、电驱、高压系统、空调系统、座舱加热系统，以及(部分车型)制冷系统的热路协调

　　· 更符合空气动力学的整车造型，低滚阻轮胎

　　· “滑板”底盘，CTC等，目前已经看到此类方案在客车上的应用，对重卡来说，目前能看到全新开发的底盘(Tesla，Nikola)已经出现了一些雏形，以重卡大梁和电池包为核心。比亚迪采用的刀片电池已经可以实现部分CTC的能力。但重卡电池由于大多数都是多层电池布局，因此还有优化的空间。此外目前还是以集中式电桥为主，如果可以实现分布式驱动(例如在部分轻型商用车中)，也有望极大地提高重卡的带电量，进而提高续航里程

　　另外一个比较关键的问题是补能系统。主流的方案是高功率超级充电系统(Tesla商用车专业充电网络，Daimler Truck – Volvo Trucks – Traton Truck组建了运营超充的合资公司Milence)，而国内的换电重卡发展速度很快，以三一，汉马，红岩等公司为代表，但主流重卡主机厂尚未大规模进入该路线。
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