摘要：氢能重卡在降低燃油车比例，实现重卡汽车CO2零排放方面有特殊独到益处，为建设资源节约型、环境友好型社会提出新途径、新方案。文章综述了汽车常用铝合金材料的特点及氢燃料电池系统对铝合金的新需求，对未来氢能重卡上铝合金的应用进行展望。

　　关键词:氢能重卡,铝合金,应用展望

　　轻量化已成为整车行业进行市场竞争、成本挤压的重要途径，重卡行业因为其自重高、载重多、能源消耗量大，更加需要汽车轻量化技术的相关开发，以增加续航里程，降低使用成本。针对传统重卡在燃油经济性、碳排放控制上的弊端，市场上正在掀起一阵新能源重卡的研发及生产浪潮，首当其冲的就是氢燃料电池重卡（后文称氢能重卡）。本文以铝合金轻量化为途径，立足于新型氢能重卡市场，分析在氢能重卡领域铝合金轻量化的前景，对未来相关产业发展进行评估。

　　1氢能重卡的介绍

　　按照中国汽车工业协会出具的行业内公认分类标准，载货汽车按照总质量划分总质量＞14t为重型载货车（重卡），6t<总质量≤14t为中型载货车，1.8t<总质量≤6t为轻型载货车，≤1.8t为微型载货车四类。

　　主体上重卡又可根据两种方向进行细致划分，一是根据车身类型分类，分为重卡整车、重卡底盘车和半挂牵引车；二是按照能源和供给类型分为燃油重卡、天然气重卡、纯电动重卡、混合动力重卡、燃料电池重卡、替代燃料重卡等。

　　作为陆上运输的主角之一，相比民用车、乘用车而言，重卡载重高、行驶里程长、生产周期长、对驾驶员要求高，并且在使用传统动力时，能源消耗高、排放量高，对环境的污染程度高，有数据表明单台传统燃油重卡的尾气排放量是300辆小型客车的排放量，因此重卡如何有效实现节能减排，成为建设环境友好型社会、资源节约型社会和顺利完成“双碳”目标的关键。

　　氢能重卡严格意义上应该称之为氢燃料电池重型卡车，是属于燃料电池重卡中的一种类型。燃料电池是一种新型的发电装置，其以燃料电极、氧化剂电极以及电解质组成，电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧化还原反应，电子通过在电极之间的定向移动作功，产生电流，从而将蕴藏于能源中的化学能全部转换为能量。不同于常规的化学电池，只要有燃料电池的主要氧化剂（纯氧或空气）的输入，电池就可以源源不断地产生能量，而并不会出现明显的能量衰减现象，因此电池可以同时具备燃料电池和热机的共有特性，并具有能量转化效率高、无环境污染物绿色排放、在低温高效工作、振动和噪声影响较低等特性，从理论上而言电池的实际能量转化效率可以高达90%，但由于电池运行过程中会受到研发环境的制约，目前各类燃料电池的实际能量转化效率为40%～60%。

　　氢燃料电池就是以纯氢气作为燃料，通过与空气中氧气进行化学反应，产生电能的一种新型电池。氢能作为一种可再生的二次能源，来源丰富，质量能量密度高，热值达到143MJ/kg，反应产物只有水，不产生CO2、SO2、粉尘等污染物，是21世纪的理想能源之一。

　　2氢能重卡在重卡中的优势

　　2.1经济性优势明显

　　传统重卡作为一种常规运输及生产用具，整体的油耗成本在整车使用的全生命周期是车价的3倍～5倍以上。有相关人员按照统计数据测算后得出，以目前成熟的燃油重卡技术而言，制、储运、加、用等环节平均下来到重卡上成本在35元/kg左右；在氢燃料电池重卡技术成熟的条件下，展望各环节成本可控制在25元/kg左右。这样的加油与加氢之间的价格差能形成非常好的经济性基础，明显使用氢能重卡具有更好的盈利性。

　　2.2技术优势独特

　　对比以电为利用核心的电动重卡，氢能重卡中氢燃料电池能量密度高，自重低，大大减少对应能量条件下电池所占质量和空间体积大小，在实验室条件下，燃料电池的普遍寿命5000h，高于锂电池的3000h，长期使用成本也低于纯电动卡车；随着加氢站点的建立以及液化加氢技术的进步，直接加氢方式快捷方便，比直流充电所花费时间更加短暂，氢能重卡加氢时间的优势可以充分发挥，例如北奔的新型氢能源重卡加氢时间在5min左右，加满之后最大续航里程可实现400千米～500千米，跟燃油车相差不大；传统动力电池，需要在适宜的温度下才能正常工作，非适宜温度下里程数折扣明显，而纯氢气燃料电池的使用几乎不受环境温度的限制，本身的反应活性不会明显降低，通过电堆的温度控制系统即可实现电能生成。

　　2.3政策支撑性强

　　工信部和车辆技术协会共同出台的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》，在其中确定了燃料电池车辆的技术推广范围与发展方向，从公交车与城市货运车辆的技术角度切入领域，并将逐步推进至承载能力较高、长距离的中重卡、牵引车、港口挂斗和乘用车等，以促进在燃料电池车辆更多领域的应用。

　　2021年，财政部、工业和信息化部、科技部、国家发展改革委和国家能源局五部委又共同印发了《关于启动燃料电池汽车示范应用工作的通知》，与此同时，以京、沪、深三座大城市群为主，建设配套城市群，第一批列入氢燃料电池汽车示范城市群的主要地区，并于2022年增补郑州城市群和张家口城市群为第二批次示范群重点区域，要求对核心零部件取得技术突破并实现产业化，车辆实际应用≥5300辆，新建投运加氢站不低于49座，氢气售价不高于30元/kg；上海、广东出台相应财政奖补政策，在严格按照国家奖补标准1：1给予配套资金的基础上，对省内及示范区域内城市也同样实行配套补贴。这些都为氢燃料电池重卡的发展提供了有力的政策指引及支撑。

　　3重卡轻量化的意义

　　国内很多人在轻量化认识上还不太全面，存在一定误区，重卡的轻量化是一个系统工程，是相关科学和工程应用的高度的技术集成。它涉及整车结构、发动机、悬架设置等各个领域，需要在保证重卡整体安全、技术及性能的条件控制下，应用轻量化的结构设计、轻量化的制造技术、轻量化的多种材料综合处理以达到为重卡“瘦身”的目的。

　　据欧洲铝协的材料表明，对于传统重卡，重量每降低100kg，每百公里就可节油0.6升；若整车重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；若滚动阻力减少10%，燃油效率可提高3%。对于陆上汽运来说，收费站按重量进行收费，重卡轻量化后对成本的降低可以直接在财务报表上显示出来。

　　重卡轻量化首要解决的问题是重卡车身。重卡车身约占重卡总重量的30%以上。车身的重量主要集中在车架的支撑结构梁等部位，这些部位一般是采用结构钢材进行组装、焊接后成型，此外表层包覆的钢板、铁皮等也是占比重较大部分。有研究表明，通过对卡车的结构重新构建并结合CAE有限元仿真分析，重点关注车架强度、刚度性能的变化，通过结构优化的手段，实现重卡车架轻量化的目标，其成效显著。

　　其次重卡轻量化要关注发动机系统、传动系统及轮毂等重要零部件的新材料应用，通过使用镍基高温材料、碳纤维材料、碳基复合材料、铝镁等轻金属合金实现制作部件的重量减轻，从而达到整车减重的目的。

　　4铝合金在重卡轻量化中的优势

　　4.1应用范围广

　　铝在汽车行业内的应用可分为四部分，一是铸造铝合金，二是变形铝合金，三是泡沫铝材，四是铝基复合材料。

　　其中铸造铝合金是行业中目前用量最大的板块，占所有铝质产品的77%左右。多数汽车产物都会应用到这一合金材料，铸造铝合金的应用范围主要有传统重卡汽车中的发动机气缸体、变速器、离合器壳体、摇臂、油缸、制动钳、制动盘及轮毂等汽车零部件，铝端盖、脚踏板、遥杆支撑块等结构件，车座后卧铺支撑座、固定支座等受力件。可以说，铸造铝合金之所以能够得到大规模应用，主要是因为其集成了铝元素的密度小、耐腐蚀等特点，加入合金以后能够大幅度提升材料的坚硬程度。而且铸造铝合金的性能特性相比钢铁材质的铸件质量会轻40%，铝制的铸造件能够在大于9mm的情况下保证铸件性能的稳定性。因此，采用铸造铝合金作为汽车配件的主要应用零件，对于提升整车的综合性能而言也非常有益，铸造铝合金材料的技术应用，也让其在发动机与轮毂上的技术应用更为成熟化，目前铸造铝合金正在朝着更为广泛的技术领域发展，延伸至重卡底盘的连接及承载零件上使用。

　　变形铝合金又可称为可压力加工铝合金，主要指代铝合金板带材、锻造材等，该工艺主要是通过冲压、弯曲、挤压等工艺致使铝合金本身的组织结构、形状产生一定程度上的变化，然后经受金属塑性变形加工工艺制成各类形态的铝合金。变形铝合金会在冶金工厂内通过挤压、锻造等压力加工方法，可将其制成板材、锻件等半成品，其组织相对致密，能够用于制造车门、保险杠、热交换器、空调格栅板片、轮毂罩、消声罩等及部分车内装饰件，用量占所有铝质产品的18%左右。变形铝合金成分性能均匀且强度较高，如批量生产整体性能稳定性也不会出现性能失衡的情况。

　　泡沫铝材主要是一种在金属基体内分布有无数气泡的多孔材料，这种材料的质地相对轻薄，比强度更高，比强度用于衡量材料轻质高强度性能的重要指标，在材料的检测过程中较高的比强度，能够以较小的截面来适应重卡车型的强度要求，还能够减小材料构件本身的附加重量，因此多数情况下，将泡沫铝材填充于高强度外板内制成的“三明治”板材，用途也变得更为广泛，抗压性较强的材料优势，能让其应用于保险杠、纵梁等大部分重卡构造上，增加重卡本身的撞击吸能，能够在充分减小车型重量提升轻量化行驶的前提下有效提升撞击安全性。

　　铝基复合材料相对于其它材料来说用量较小的主要原因是价格较高。铝基复合材料相对而言用量较小，主要原因就是受到价格与生产质量控制方面的制约，目前主要安装在高端民用车型上，用作隔音器件或者高品质耐磨件上，用量不大。

　　重卡的轻量化途径主要涵盖两种方式：一是采用密度更低的材料；二是采用“轻量化的结构”，主张“少用料，用轻料”。目前铝合金轻量化中应用最广的是铝制锻造轮毂。它是将铝合金铸件作为锻造工序的坯料使用，对其进行塑性加工成型，以4轴汽车为例，一辆拖挂40t的重卡和半挂车系统，前轮与后轮，总计24个。若能用铝代替钢制轮毂，重量可减轻0.6t。因此，货物运输每年可以提高货物运输量180t。另外，由于铝合金具有良好的散热性，降低汽车在行驶中对路面产生的压应力，减少汽车在正常行驶过程中的使用能耗。为了减轻汽车的重量和减少汽车的耗能，许多汽车企业在满足汽车安全性要求的情况下，都选择了轻质材料。可有效抑制轮胎胶皮的老化，节约轮胎用量约25%。

　　4.2驾驶及安全性能的提高

　　在减重后，车身重心降低，重卡行驶更加灵活、舒适，转动、震动各零部件的杂音降低显著。铝合金结构可以降低传统及新能源动力和动力传动系统的负荷，使重卡在较低的牵引负荷状态下表现出相符合的性能，降低成本效果显著。

　　4.3节能与环保优势

　　据世界铝业协会的研究显示，整车的质量与汽车的油耗之间存在密切关系，每轻量化10%，相关尾气排放降低5%～6%；汽车减轻1kg自重，每行驶10000km，可以降低耗油0.7l。所以以铝代钢实现重卡轻量化在环保及节能方面有明显优势。

　　5铝合金在氢能重卡中的利用

　　重卡中使用铝合金一般是以轻量化为首要目的，铝合金材料在重卡车架、轮毂、表面皮材等应用上对于重卡减重有着显著的效果。以铝合金车架代替原钢制车架或使用部分铝合金部件代替钢制部件，用铝制锻造轮毂替代钢铁轮毂，铝制薄板蒙皮代替钢板，以材料替换的手段，实现常规重卡车架轻量化的目标。

　　相比于常规能源，氢能重卡在技术上更具优势。对于长期在长途固定线路运送货物的重卡司机而言，加氢站的依赖性会远远低于普通乘用车，加氢站也只需在人口稀疏的城际公路周围沿线建设即可，这样不仅能够有效减少氢能重卡的使用成本，同时还能够提升氢能重卡在国内的使用率。汽车厂商在与电池厂商的合作中，有了更多的选择空间和更多的技术积累。这种做法有好有坏，大型汽车零部件公司会加强对汽车零部件的研究，带动或者共同协助汽车零部件公司加大氢能重卡的研发力度。氢燃料电池是一种由电堆及系统组件（空气压缩机，增湿器，氢循环泵，氢气瓶）构成的新能源电池，其系统结构更为复杂。但是，由于其运行压力、温度等方面的要求较常规动力循环要高得多，运行工况更为严酷，对工艺参数及设计的要求也更高。

　　电堆是整个电池系统的核心，包括由膜电极、双极板构成的各电池单元以及集流板、端板、密封圈等。膜电极的关键材料是质子交换膜、催化剂、气体扩散层。电堆这部分，多数是先进碳基复合材料、铂基催化材料和新型树脂膜层材料，铝合金主要可作为封装、包覆及散热板材等支撑部分。

　　在系统部件方面，铝合金应用范围较广。其中空压机的整体壳体、电机壳体、转承套等配件都可以使用铸造铝合金来进行压铸生产，加快生产节拍降低成本；增湿器的换热元件、存储及雾化元件、支撑体可使用铝合金板材进行复合轧制成型；氢循环泵和氢瓶外层套层可使用铝合金铸套进行固定，大幅减少相关成本；使用复合铝合金管或镀膜铝合金管替换现在使用的高品质抗氢钢，或者贵金属材料作为氢气载运和输送的管道载体，减轻重量降低成本；使用高性能铝型材制作系统支架及缓冲装置，用于整体系统保护。

　　相比于传统燃油重卡，氢能重卡中铝合金能适用的比例有了10%左右的提升，对于整车轻量化有更加深刻的意义。

　　6结语

　　诚然在氢能重卡的大规模市场化中也仍存在许多问题需要解决，例如，氢气的制备和储存问题；氢燃料电池的生产成本问题；加氢的安全和时间问题；氢能重卡的里程问题；加氢站建设和投资问题等，都需要政企高校对解决办法的不断探索。

　　但是随着能源问题、环保问题的日益突出，氢能重卡及相应的轻量化技术已成为政策和资本都关注的焦点。鄂尔多斯、榆林等传统能源城市正在大力加码新能源重卡项目；各规划城市群计划在“十四五”时期完成区域内加氢站及配套设施建设；东风集团、北重集团、徐州重工等企业先后投入到这条崭新的赛道。作为氢能重卡零部件制造企业和下游的整车组装企业，氢能重卡生产及其铝合金轻量化改造已拉开帷幕，铝合金重卡零部件的普及正在进行，一个千亿级别的综合应用市场正在形成。