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氢燃料电池的优势及汽车厂的发展布局
发布日期:2024-01-07 08:07:46      作者:  米乐官方

  当前,全球能源和环境系统正面临着巨大的挑战。其中,作为石油消耗和二氧化碳排放大户的汽车产业,也正面临着一场革命性的变革,将包括纯电动、燃料电池技术在内的纯电驱动作为汽车的主要技术方向,已然变成全球各国形成的共识。燃料电池汽车是电动汽车汽车电池的另一个重要方向,与氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置,只会产生水和热。在这个优势基础上,如果氢是通过光伏电池板、风能发电等可再次生产的能源产生的,则氢燃料电池整个循环过程将不会产生任何污染,实现零排放。现阶段锂电池和氢燃料电池是有望取代石油车的核心技术,两者各有各的优势,均有不可估量的进步空间。若锂电池能提升其单位体积内的包含的能量,优化循环常规使用的寿命,会更具有竞争力;氢燃料电池的关键技术、机动车辆和加氢站建设的不可估量成本费用、安全可靠等问题依然是产业高质量发展的不可估量瓶颈。从绿色环保性和生态文明建设的角度来分析,氢燃料电池比锂电池更有发展潜力,但从短期内的社会经济效益来讲,转型锂电池比氢燃料电池更具有市场竞争力。聚合物锂(钠)电池和氢燃料电池的充放电过程均属于化学反应,本质是正电子(质子)的迁移、实现储能。其中锂(钠)电池充电过程锂(钠)离子在从正极脱出、嵌入负极,放电过程锂(钠)离子从从负极脱出、嵌入正极。由于氢气和氧气通常为气态,因此氢燃料电池的充电和放电通常在两套装置中进行,且氢气的压力和气温变化较大、对装备的性能和精度要求比较高,短期内可通过甲烷和液氨等过渡产品解决储运难题。

  燃料电池高能量密度(高续航)、低温性能好、加氢速度快,在长途、低温等应用场景中具有优势;

  氢气制/储/运装备和氢能应用装备中,除了全氟磺酸酯和重要阀门外、配套的原材料和零部件均可国产,未来能轻松实现规模效应快速降低成本;

  氢燃料电池发展前途近几年,新能源早已成为全世界共同的目标,氢燃料电池的关注度也在持续升温。与成熟的锂电池产业相比,氢燃料电池的发展空间巨大。我国于14年起开始帮扶氢燃料电池,目前国内和国际上面对的难题其实是氢能的储存运输问题,催化剂方面虽有突破,但氢燃料电池产业链尚不健全,一部分技术处于瓶颈期,资金也有缺口。目前,日本在氢燃料车型数量、技术、销量占全球主导地位,美国、德国、韩国也正在快马加鞭。随着中国顶层政策明确引导,氢燃料电池国产化正在加速落地,期待2025年拐点出现。从国内氢燃料电池发展路径看,政策铺路为先,商用车在前,乘用车在后,产业商业化大方向依然是新能源汽车。随着汽车动力能源的转化,从燃油到锂离子电池是一个大步。但是氢燃料电池对于节能减排有着更大的优势,各地政府也纷纷推出支持氢燃料电池的政策,或许不久我们的生活将会因为氢燃料电池技术的突破再次革新。

  伴随今年以来全国各地氢能产业高质量发展规划的陆续发布,以及长期资金市场层面的融资火热,过去一直不被看好的氢燃料汽车似乎正在迎来转机。参照“前辈”电动汽车发展至今车企纷纷下场自研电池的现状,能够正常的看到占整车成本40%的动力电池对于传统主机厂在市场之间的竞争和长期发展上的重要程度。而氢燃料电池系统的整车成本占比更高,达到65%,目前也有不少主机厂已早早入场布局,以期能够在氢燃料汽车市场机遇到来之时,占据主动位置。

  具体来看,以氢为动力来源有氢燃料电池和氢燃料发动机(又称氢内燃机)两种应用方式。前者靠氢气和氧气的电化学反应产生电力驱动,后者类似传统的燃油发动机,但是以氢为燃料,通过燃烧过程中气体的膨胀做功产生动力。

  燃料电池(左)发动机(右)工作原理对比 两种路线相比较而言,氢燃料电池的优点是转化效率高,污染排放少,商业化应用程度高,尤其是在转化效率方面,氢燃料发动机的热效率很难超过45%,而氢燃料电池的转化效率已能达到60%以上。氢燃料发动机的优势则在于成本低(是燃料电池的10%左右)、对氢气的纯度要求不高、可通过现有燃油发动机改造而来等。此外,由于氢内燃机在高负荷情况下的输出效率更高,因此更适合用于中重型卡车等商用车领域。未势能源氢燃料电池发动机(左)潍柴氢气内燃机(右)过去车企的目光主要集中在氢燃料电池这一技术路线上,但近两年来随着国家层面加大了对氢能产业整体的政策支持力度,同时由于氢燃料电池的技术瓶颈渐显,氢燃料发动机重新回到了宝马、丰田、曼恩、一汽、广汽等一线月,工信部就明确表示要将氢气内燃机纳入氢能发展战略中予以支持,并根据氢气发动机技术进步和应用推广情况,提前布局相关标准预研。一汽、广汽、潍柴等企业也均发布了自研氢燃料发动机成功点火的消息。接下来,本文将根据公开资料,盘点国内和国外那些正在自主研发氢燃料电池和氢燃料发动机的主机厂,从氢能布局历史、产品性能、应用车型、最新动态等方面对这些企业进行系统梳理和简要分析。

  (一)国内厂商1、未势能源(长城汽车)长城汽车股份有限公司成立立于1984年,公司自2016年开始研发氢燃料电池技术,2019年出资设立了未势能源,负责氢燃料电池技术市场化运营。2021年未势能源推出车规级“氢动力系统”全场景解决方案“氢柠技术”,实现了“电堆及核心组件、燃料电池发动机及组件(控制器等)、Ⅳ型储氢瓶、高压储氢阀门、氢安全、液氢工艺”六大核心技术和产品的知识产权的自主化,开发有100kW乘用车氢燃料电池发动机、110kW商用车氢燃料电池发动机。同年,长城未势能源旗下上燃动力发布第四代燃料电池发动机“超越—神州200”,该发动机额定功率达200kW,质量功率密度760W/kg,最高效率达60%,寿命超15000小时。目前长城未势能源已完成9亿元A轮融资,B轮融资计划已启动,IPO合规工作也在稳步推进中。2021年3月长城汽车发布其氢燃料电池发展战略规划,根据规划,2021年长城汽车将推出一款C级氢燃料电池SUV,落地100辆49吨氢能重卡;2022年实现并行氢燃料电池多种清洁应用项目群;2023年实现主要系统集成商推广数量国内领先;2025年实现全球氢能市场占有率第三。就实际落实情况来看,长城未势能源与大运、东风和福田三家企业合作的“百辆氢能重卡示范项目”,搭载自主研发的111kW燃料电池系统超越-300EP,已于2021年8月在北京雄安新区投运。C级氢燃料电池SUV暂无市场消息。

  2、东风汽车东风汽车集团有限公司成立于1969年,是中央直管的特大型汽车企业。公司自2016年开始研发燃料电池汽车,先后推出氢芯、氢元、氢舟技术品牌,东风技术团队目前已在氢燃料电池系统集成与控制、电堆、膜电极、双极板等核心零部件上实现了技术自主可控,研发有70千瓦、120千瓦电堆和50千瓦、80千瓦燃料电池系统,并开发了全功率燃料电池车——东风氢舟H2·e,即将开展示范运营。2022年7月由东风技术中心自主开发的东风氢芯H?Core搭载于整车,其中电堆体积功率密度4.0kW/L,可实现-30℃无辅助冷启动,该批燃料电池厢式运输车已于武汉经济技术开发区示范运营,并获得国家整车公告。“十四五”期间,东风计划开发300kW级以上氢燃料电池产品,实现燃料电池技术行业领先与整车规模化示范运营。

  3、一汽中国第一汽车集团有限公司成立于1953年,为国有特大型汽车生产企业,2021年在长春立新能源事业部,计划要在“十四五”期间投入100亿元打造燃料电池整车与系统等专属基地。氢燃料电池方面,由一汽解放发动机事业部负责电堆组装、双极板制备和膜电极集成等工作。2022年7月,一汽全新红旗H5燃料电池轿车在研发总院试制完成,搭载动力总成部自主研发的第二代燃料电池发动机,该台发动机体积比功率密度694 W/L,较上一代提升 40%,额定功率65 kW,实现-30 ℃的快速冷启动。

  4、广汽广州汽车集团股份有限公司成立于1997年,2020年7月,广汽埃安发布了首款氢燃料电池车AION LX Fuel Cell。该车可在-30℃的低温一键冷启动,3-5分钟加氢即可实现NEDC续航超650km,基于广汽的GEP 2.0铝合金纯电专属平台开发而来,搭载广汽自主开发燃料电池系统和车载储氢系统,最大输出功率超135kW,该车于2021年在如祺出行平台示范运营。

  5、北汽福田北汽福田汽车股份有限公司成立于1996年,是国内商用车龙头企业,2006年和清华大学、亿华通共同承接“863计划”,开始了氢燃料电池客车研发的进程,积累了包括2008年北京奥运会等在内的一批氢燃料电池商用车示范运营经验。2019年,福田汽车与丰田以及亿华通达成合作,由丰田和亿华通为福田提供氢燃料电堆等产品。福田推出车型包括欧辉8.5米氢燃料电池客车、欧曼智蓝49T液氢重卡等。截至2022年9月,福田累计交付氢燃料客车总运营里程超过2000万公里,氢燃料电池城市客车单车累计行驶里程超过23万公里。

  6、中通客车中通客车股份有限公司成立于1958年,是国内三大客车生产企业之一,公司自2014年开始布局氢燃料电池客车,目前已形成了包含8-12米公交客车、9-12米旅团、高端商务、物流在内的产品体系。其燃料电池供应商包括潍柴动力、雄韬股份等,此外,中通客车也组建了专门的燃料电池产品研发团队,在燃料电池系统设计、燃料电池热管理控制、氢系统设计、燃料电池系统标定与测试、整车控制、整车匹配与仿真等方向,进行研发与测试。7、潍柴动力潍柴动力股份有限公司成立于2002年,主营业务包括动力总成、整车整机(商用车、工程机械)、液压控制和汽车零部件四大板块。公司自2016年开始通过一系列收购、参股、合作完成了对氢燃料电池的全产业链布局。其氢燃料电池产品覆盖50kW-160kW,最新一代的燃料电池堆功率密度达到4.0kW/L,寿命超过30000小时,可实现零下30℃无辅热低温启动。现已建成两万套级产能的燃料电池发动机及电堆生产线年氢燃料电池电堆出货量排名国内第七。应用方面,潍柴动力推出有4.5吨氢燃料轻卡、49吨氢燃料重卡等车型。2022年9月,潍柴动力联合中国重汽签署1100辆氢车订单,涵盖4.5吨城市物流车、18吨物流车、49吨牵引车等各系列产品,将陆续在未来2-3年内交付。8、三一氢能科技(三一重工)三一集团始创于1989年,是国内领先的工程机械制造商,2020年底开始布局氢能业务,2022年8月成立全资子公司--三一氢能科技有限公司,主营燃料电池系统、电堆的研发、生产和销售,现已聚集40余人具有丰富行业经验的核心研发团队,并与同济大学、电子科技大学、天津大学等建立了合作关系。目前自主开发的120kW燃料电池发动机已通过国家强检。此外,三一重工的氢燃料电池供货商还包括上氢能源、重塑科技等。应用方面,三一重工现已推出氢燃料搅拌车、氢燃料重卡、氢燃料自卸车等车型。

  1、丰田丰田汽车公司成立于1933年,是日本最大的汽车制造商,也是全球最早研发生产并推动氢燃料电池汽车商业化的企业,自1992年开始研发氢燃料电池汽车,于2014年推出了全球首款量产的燃料电池汽车Mirai,2020年推出第二代Mirai,其中燃料电池电堆峰值功率128 kW,功率密度5.4 kW/L,较上一代3.5 kW/L提高了约1.5倍。2020年丰田与一汽、东风、广汽、北汽、亿华通共同成立联合燃料电池系统研发(北京)有限公司,负责面向中国商用车市场的燃料电池系统研发,已发布TL Power 100和TL Power 80两款氢燃料电池系统,均采用金属板电堆,其中TL Power 80功率密度达到4.2kW/L、586W/kg,额定功率90kW。TL Power 100功率密度达711W/kg、4.9kW/L,额定功率101kW。2022年9月,丰田宣布将第二代氢燃料电池车Mirai将于年末引入中国市场,由广汽丰田负责销售,限量50台,售价74.8-75.1万元。此外,丰田中国还计划通过广汽丰田将111成北京2022年冬奥会和冬残奥会服务工作的氢燃料电池车MIRAI投入社会化运营,继续在有需求的场景发挥作用。

  2、本田本田技研工业株式会社成立于1948年,是日本第二大汽车公司,于1999年开始研发氢燃料电池汽车,先后推出FCX、FCX Clarity、Clarity等燃料电车车型。其中最新一代的Clarity发布于2016年,该车搭载了本田自研的燃料电池系统,功率最大达103KW,能量密度3.1kW/L,储氢罐压力70MPa,续航里程高达750KM。但在2021年,本田宣布将从当年8月终止Clarity的生产,但本田表示依旧会和通用汽车合作开发氢燃料电池车型。本田的总体目标是到2040年实现所有车型零排放,其中一部分是纯电动,一部分是氢燃料电池汽车。

  3、现代现代汽车成立于1967年,韩国汽车品牌。自1998年成立氢燃料电池开发部门,推出ix35 FECV、NEXO氢燃料电池大巴ELEC CITY Fuel Cell和氢燃料电池重卡XCIENT Fuel Cell等车型。其中Nexo于今年4月还取得了中国的新能源牌照,计划于年内引入国内。10月最新数据显示,今年前8月现代汽车售出7410辆氢能汽车,销量居全球第一。燃料电池方面,现代汽车已完成了三代氢燃料电池系统的研发,其中第三代氢燃料电池系统有100kW和200kW两种功率规格版本,计划2023年推出。100kW规格版本尺寸减小30%,更容易适用于不同的车型和应用领域。200kW规格版本与现有NEXO的氢燃料电池系统尺寸相近,但输出功率提升至2倍。第三代氢燃料电池针对乘用车领域的开发目标是质保达到50万公里,同时价格相比第二代氢燃料电池系统降低了50%以上。2020年,现代汽车推出了氢燃料电池专用品牌——HTWO,并于2021年在广州建立了HTWO的生产销售基地,预计可以年产6500套氢燃料电池系统,供应国内的燃料电池需求。发展规划方面,现代计划到2030年将氢燃料电池系统的年产能提升至70万套并构建50万辆氢燃料电池车的生产体系。

  4、通用美国通用汽车公司成立于1908年,1966年开始研发氢燃料电池汽车,推出过雪佛兰Equinox、科罗拉多ZH2等氢燃料电池汽车车型。此外,通用也有自主研发的氢燃料电池系统,2021年5月通用汽车推出SURUS燃料电池车型平台,该平台配备氢燃料电池系统,续航里程645km,并配有自动驾驶技术,主要用于商用车、卡车的改装和定制生产。2022年1月,通用宣布将其HYDROTEC燃料电池技术从汽车、航天拓展至发电站,由通用汽车第2代HYDROTEC燃料电池功率立方体提供动力,输出覆盖60-600kW。第三代Hydrotec燃料电池将于2035年推出。

  5、沃尔沃沃尔沃汽车公司,成立于1927年,自2008年开始研究氢燃料电池汽车技术。2021年沃尔沃和戴姆勒合资成立Cellcentric,负责氢燃料电池系统的研发生产,且产品主要用于重卡车型。2022年10月,Cellcentric宣布推出新一代氢燃料电池系统,该系统额定功率150kW,最长使用寿命能够达到2.5万小时。Cellcentric的计划是在2025年开始氢燃料电池系统的商业化运营。应用方面,沃尔沃于今年开发出了氢燃料电池铰接式运输车HX04,充12kg氢气需要7.5分钟,可运行约四小时,沃尔沃计划十年后期实现该款车型的商业化。

  6、宝马宝马汽车公司成立于1916年,德国汽车品牌,自2002年开始进行氢能源汽车研究。2013年开始与丰田汽车共同开发氢燃料电池系统,2022年,宝马表示正在研发量产一种用于宝马iX5 Hydrogen车型的新的氢燃料电池系统,预计在今年年底投入使用,在全球进行车辆测试及车辆展示。资料显示,这一燃料电池系统可以收集125kW的原始功率并达到175马力,结合捆绑宝马第五代eDrive技术和高性能电池的定制动力系统,净输出功率高达275kW和374马力。

  7、大众德国大众汽车集团成立于1937年,自2002年开始研发氢燃料电池技术。2019年大众推出了3款氢燃料汽车,奥迪A7 h-tron、高尔夫 SportWagenHyMotion和帕萨特Hy-motion。这三款汽车均采用了大众自主研发的第四代燃料电池组,采用100千瓦低温质子交换膜燃料电池。此外,大众还在开发支持燃料电池汽车的全新模块化平台MPE,可适用于集团旗下所有品牌的B级车以上车型,拓展性强,但短期推出可能性不大,还处在研发阶段。

  8、梅赛德斯-奔驰梅赛德斯-奔驰集团成立于1871年,是德国知名汽车品牌,自1994年开始研究氢燃料电池汽车,推出氢燃料电池汽车 Necar、Nebus、Sprinter、Citaro、F-CELL等车型。1997年,NuCellSys成立(后更名为梅赛德斯奔驰燃料电池有限公司),负责氢燃料电池的研发和氢燃料储存设备的研发。2018年,奔驰推出燃料电池汽车GLCF-CELL,该车充满氢需要3分钟,最大续航里程437km,两年后奔驰宣布该车型停产,但奔驰的母集团戴姆勒仍在继续针对重型商用车的氢燃料电池研究计划,并于今年9月推出了液氢重卡GenH2,该车搭载两个150kW的燃料电池电堆,输出峰值功率400kW,预计于2025年下半年开始量产。

  (一)国内厂商1、一汽一汽集团的氢能发展的策略包括氢燃料电池和氢能发动机两大部分,由其牵头开发的燃料电池发动机项目已通过国家科技部评审,在氢燃料发动机领域有一定的技术积累,并有应用于乘用车和商用车不同车型的氢燃料发动机成功点火经验。2018年一汽首台红旗燃料电池发动机点火成功。2021年,由一汽自主设计研发的红旗2.0L氢能专用发动机在研发总院试制所下线交付,并于当月在北理工实现点火。该发动机排量2升,目标热效率大于42%,未来将搭载在红旗车型上。2022年6月,由一汽解放自主设计研发的国内首款重型商用车缸内直喷氢气发动机成功点火并稳定运行。本款氢气发动机属13L重型发动机,运转功率超500马力,指示热效率突破55%,一汽表示后续将会按既定计划完成氢气发动机整车开发。

  2、潍柴动力潍柴动力是国内的柴油机有突出贡献的公司,自2018年开始布局氢燃料内燃机技术。2022年6月发布13L氢内燃机,有效热效率41.8%,搭载于中国重汽和潍柴联合发布的黄河高端重卡运行。同年9月推出潍柴WP15氢气发动机,额定功率390kW,最大扭矩为2500N·m,并拥有氢气灵活喷射、高效稀薄燃烧、智能点火启燃以及潍柴ECU控制四项技术。

  3、长城汽车蜂巢动力是长城汽车旗下的发动机企业,成立于2018年。2021年6月,长城蜂巢动力发多款发动机规划,在发布会上,长城表示将于2025年推出氢气发动机,热效率42%,上限功率为120kW(163马力),峰值扭矩230N·m,并搭载氢气专用直喷系统、高压耐腐蚀氢气供给系统等多项新技术。

  4、广汽2022年6月广汽发布了1.5L氢内燃机,该发动机基于广汽第四代发动机平台自主研发,采用氢气缸内直喷技术,最高热效率44%,氢耗≤0.84kg/100km,已成功运转超过12000小时,9月该款发动机点火成功,广汽研究院未来还将继续开展氢气发动机热力学标定、机械开发等工作,目标是实现整车搭载。

  5、东风商用车东风商用车成立于1969年,是东风汽车与沃尔沃共同成立的一家商用车合资企业。2021年,东风商用车启动了氢发动机/氨发动机技术预研项目,2022年9月,龙擎·自主控制系统氢发动机点火成功,该发动机基于东风商用车13L发动机平台正向开发,额定功率为338kW,最大扭矩2200N·m。该发动机平台同时具有氢氨融合燃烧功能,与氨燃料的融合比例达到近40%,可实现氢气单燃料、氢气/氨气双燃料点火燃烧,发动机的性能水平与燃气机相当,但具有更高的燃烧效率,东风的目标是到2023年底实现该发动机的工程化应用和整车搭载稳定运行。

  6、吉利汽车吉利汽车成立于1997年,是国内领先的汽车制造商。2022年3月,吉利官方表示,由吉利自主研发的高效氢气专用发动机有效热效率实测达到44%,未来吉利汽车集团动力研究院还将进一步致力于高效率、低排放氢燃料发动机的研发和市场应用。

  宝马是全球最早一批研发氢燃料发动机汽车的企业,在1979年便开发出了可以上路的氢燃料发动机汽车,并在后来陆续推出了745H、750hL、H2R等多款氢燃料内燃汽车。2007年宝马推出搭载氢内燃机的量产车型Hydrogen 7,V12氢气内燃机由宝马760i发动机改造而来,输出功率260马力,续航200公里,支持汽油和氢气双燃料,但由于发动机热效率不高、续航里程短等诸多原因,项目后续被搁置。今年9月,宝马重拾氢内燃机项目,由其牵头的在德国研发18吨和40吨氢能内燃机重卡的联合研究项目,得到1130万欧元国家资金支持,项目为期4年。目前,宝马莱比锡工厂已推出一台燃料柔性氢气燃烧器。2、丰田丰田对氢燃料发动机的研究始于2017年,2021年4月丰田公布了正在开发的氢燃料发动机,并将其搭载到卡罗拉赛车上,丰田章男本人驾驶该赛车参赛。2021年底,丰田发布了GR YARIS氢燃料原型车,搭载与同款车型普通燃油版相同的G16E-GTS 1.6升涡轮增压三缸发动机,通过改进燃料供应和喷射系统,使其能够正常的使用纯氢燃料。此外,丰田还在与雅马哈合作开发一款5.0L氢动力V8发动机,该款发动机以雷克萨斯RC F跑车的发动机为基础做改造,功率可达450马力。今年7月,丰田联合了日野、五十铃、电装、CJPT5 家企业,宣布将共同启动面向大型商用车的氢内燃机的规划和基础研究。总的来看,丰田认为距离氢燃料发动机的商业化应用还有一段时间,丰田将通过赛车运动完善该项技术。有消息称,丰田将在2025年推出的下一代普锐斯中应用氢燃料内燃机。

  3、福特福特对氢燃料发动机的研究工作始于1997年。2004年,福特开发的混动汽车搭载了氢内燃机作为动力源;2006年,福特V-10氢内燃机投入生产,并在2007年开发出氢内燃机公交车。目前,福特正在研发涡轮增压直喷氢燃烧发动机,并有有关技术专利在申。未来福特计划推出氢动力V8发动机供野马等跑车使用。

  4、曼恩商用车德国曼恩商用车辆股份公司始于1758年,是全球领先的商用车制造商,在1990年就开发了氢内燃机,2020年曼恩重提请内燃机技术,并于2021年内对氢燃料内燃机原型车进行场地测试,首批氢燃料商用车的客户试用期定在2023年或2024年。资料显示,曼恩的氢内燃机由16.8L的直列6缸柴油机改造而来,目前正在纽伦堡进行氢内燃机测试。通过以上梳理能够正常的看到,在氢燃料电池研发技术上,丰田处在绝对领头羊,尤其研发的Mirai燃料电池电堆代表着全球范围内电堆产品性能的领先水准,并且丰田还在国内成立了氢燃料电池合资企业,研发专门面向商用车的燃料电池电堆。现代则在产品应用层面更进一步,不仅在国内建立了氢燃料电池系统的量产基地,其氢能汽车的销量还排到了全球第一。国内在自主研发氢燃料电池的主机厂以一汽和长城较为领先,均成立了专门负责燃料电池研发生产的子公司,其中上汽旗下的捷氢科技已经进展到了分拆上市的阶段。另一方面,和国内企业追赶国外燃料电池技术水平的情形不同,在氢燃料发动机的研发进展上,国内外主机厂的技术水平和进度相对接近,国内以一汽解放、广汽和潍柴动力较为领先,国外则有宝马、丰田、福特和曼恩等主机厂在布局。

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