編者按：隨著重型商用車保有量的增加，其日益嚴(yán)重的能耗與排放問題給全球的能源和環(huán)境帶來(lái)巨大壓，目前，各國(guó)對(duì)于溫室氣體排放限制標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，也出現(xiàn)了一系列牽引車-掛車能效優(yōu)化技術(shù)，電池電動(dòng)卡車由于其零排放是未來(lái)的研究方向之一。本文針對(duì)歐盟區(qū)域的電池電動(dòng)牽引車-掛車減少排放、能效提升等相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了調(diào)研，并建立詳細(xì)精確的車輛模型以量化當(dāng)前及未來(lái)電池技術(shù)、傳動(dòng)系統(tǒng)配置、道路-載荷技術(shù)和熱管理技術(shù)對(duì)于電池電動(dòng)牽引車-掛車的能效及續(xù)駛里程的影響，對(duì)于公路貨運(yùn)商用車電動(dòng)化領(lǐng)域具有指導(dǎo)作用。

本文譯自：

《Battery electric tractor-trailers in the European Union A vehicle technology analysis》

文章來(lái)源：
2021 International Council on Clean Transportation

作者：

Hussein Basma, Yannis Beys, Felipe Rodríguez.

原文鏈接：

https://theicct.org/publication/battery-electric-tractor-trailers-in-the-european-union-a-vehicle-technology-analysis/

關(guān)鍵詞：電池電動(dòng)牽引車-掛車, 能量消耗, 駕駛里程, 溫度影響, 有效載荷損失

1 緒論

為了將全球平均氣溫升幅限制在1.5℃以內(nèi)，各界廣泛達(dá)成共識(shí)：有必要在2050年實(shí)現(xiàn)全球CO2零排放。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，歐盟正在積極采取措施，并將這些目標(biāo)寫入《歐洲氣候法》(European Commission, 2020)，使其具有法律約束力。這將建立法律框架，通過采取嚴(yán)格措施來(lái)實(shí)現(xiàn)跨部門的目標(biāo)。交通運(yùn)輸約占?xì)W洲溫室氣體排放量的四分之一，但近些年來(lái)，該行業(yè)的排放量卻并未像過去其他部門那樣逐漸下降（Delgado & Rodríguez, 2018）。公路貨運(yùn)的溫室氣體排放幾十年來(lái)一直沒有得到解決，直到2019年，歐盟才通過了第一個(gè)新上市重型卡車的CO2排放標(biāo)準(zhǔn)。為了指定標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)值，歐盟委員會(huì)研究了傳統(tǒng)柴油和天然氣動(dòng)力系統(tǒng)在減少CO2排放方面的潛力，并沒有將零排放技術(shù)納入其評(píng)估系統(tǒng)中。因此，相較于2019年，標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)定的2025年CO2減排15%和2030年CO2減排30%的目標(biāo)與歐盟委員會(huì)制定的目標(biāo)或巴黎協(xié)定制定的2050年排放目標(biāo)不一致（Rodríguez & Delgado, 2018）。重型卡車CO2標(biāo)準(zhǔn)將在2022年底前進(jìn)行審查，屆時(shí)將有更多關(guān)于卡車排放、燃油經(jīng)濟(jì)性、現(xiàn)有技術(shù)和新技術(shù)成本的可靠數(shù)據(jù)。此外，標(biāo)準(zhǔn)的范圍將擴(kuò)大到公共汽車和小型貨車，并且會(huì)更新標(biāo)準(zhǔn)化車輛模擬工具VECTO（European Commission, 2018）。這為評(píng)估零排放重型卡車最新技術(shù)發(fā)展提供了機(jī)遇，并將其減少排CO2排放的潛力納入2030年及以后的更為嚴(yán)格的目標(biāo)中。在長(zhǎng)途運(yùn)輸和區(qū)域運(yùn)輸作業(yè)中，牽引掛車的CO2排放量占道路貨運(yùn)的一半以上（Delgado et al., 2017），使其成為降碳的最重要部分。此外，長(zhǎng)行距離行駛和重載荷給牽引掛車帶來(lái)了額外挑戰(zhàn)，使該部分成為最難降碳的部分。目前各界正在探索幾種降碳途徑，包括電池、燃料電池和道路動(dòng)力電動(dòng)卡車。在本論文中，我們主要研究蓄電池電動(dòng)牽引掛車。本文分析解決了以下問題：1. 在典型使用場(chǎng)景下，電池電動(dòng)牽引車能耗和續(xù)駛里程是多少？2. 在典型使用場(chǎng)景下，滿足車輛能量需求和實(shí)現(xiàn)所需行駛里程的電池能量容量是多少？3. 電動(dòng)動(dòng)力總成對(duì)牽引車有效載荷承載能力有何影響？4. 極端天氣條件下對(duì)牽引掛車的續(xù)駛里程和電池容量要求有何影響？

5. 未來(lái)十年能源消耗和續(xù)駛里程有哪些改進(jìn)？

為了回答這些問題，作者進(jìn)行了車輛仿真建模，并詳細(xì)分析了電動(dòng)技術(shù)在歐洲應(yīng)用于牽引車的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

本文是一系列關(guān)于零排放卡車技術(shù)經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)研究的一部分。其他降碳途徑的分析結(jié)果，例如燃料電池電力技術(shù)，將在單獨(dú)的報(bào)告中介紹。

2 技術(shù)方法

2017年12月，歐盟通過了法規(guī)（EU）2017/2400，對(duì)重型卡車的CO2排放和燃油消耗進(jìn)行認(rèn)證。為了客觀地比較車輛性能，該認(rèn)證法規(guī)引入了一種標(biāo)準(zhǔn)化的車輛仿真模型VECTO，用于模擬車輛在一組明確定義的駕駛循環(huán)和有效載荷下的CO2排放量和燃油消耗量。圖1和表1分別顯示了適用于牽引掛車的VECTO行駛循環(huán)和用于認(rèn)證的相應(yīng)有效載荷。這些駕駛循環(huán)和有效載荷將用于本研究的仿真工況。

圖1 長(zhǎng)途運(yùn)輸和區(qū)域運(yùn)輸VECTO駕駛循環(huán)表1 VECTO駕駛循環(huán)中有效載荷

盡管歐盟委員會(huì)正在積極擴(kuò)大駕駛循環(huán)VECTO模擬配備替代動(dòng)力系統(tǒng)的重型卡車的能力（Rodríguez & Delgado, 2019），但電池驅(qū)動(dòng)重型卡車的能耗和續(xù)駛里程仍尚未得到認(rèn)證。目前制造商采用自己的方法和邊界條件來(lái)估計(jì)其產(chǎn)品的行駛里程，這種情況與引入VECTO認(rèn)證之前內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的燃油消耗估計(jì)一致。在這項(xiàng)研究中，我們使用Simcenter Amesim商業(yè)仿真工具來(lái)模擬電池電動(dòng)牽引卡車的性能。Simcenter Amesim是一種多物理場(chǎng)仿真軟件，可以對(duì)各種車輛配置進(jìn)行建模。與大多數(shù)車輛仿真工具一樣，Simcenter Amesim(Siemens, 2020)使用詳細(xì)的組件數(shù)據(jù)來(lái)表示各子系統(tǒng)（例如電池、電機(jī)和能量管理系統(tǒng)）的行為，并使用反饋回路網(wǎng)絡(luò)來(lái)模擬彼此之間的相互作用和環(huán)境影響。模型需要各種車輛和動(dòng)力總成部件的詳細(xì)性能數(shù)據(jù)。研究中使用的組件數(shù)據(jù)依賴于其與工業(yè)合作伙伴合作開發(fā)和驗(yàn)證的不同的組件庫(kù)，尤其是電池和電動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)。由于本研究的預(yù)期目標(biāo)是分析電池電動(dòng)牽引車在類似VECTO的駕駛循環(huán)下的性能，因此這里對(duì)Simcenter Amesim中具有代表性的柴油牽引車模型進(jìn)行VECTO駕駛循環(huán)下的驗(yàn)證。盡管Simcenter Amesim牽引車模型和VECTO駕駛循環(huán)使用同一組基于物理規(guī)則的基礎(chǔ)模型來(lái)估算油耗，但兩者間仍存在一些差異，例如駕駛員模型、空氣阻力和滾動(dòng)阻力系數(shù)。為了估計(jì)這些差異的影響，我們?yōu)檫@兩種工具提供了相同的數(shù)據(jù)集輸入，并使用它們來(lái)模擬具有代表性的柴油牽引車在圖1所示的兩個(gè)駕駛周期內(nèi)的燃料消耗。兩種車輛仿真工具的結(jié)果顯示出良好的一致性，長(zhǎng)途運(yùn)輸周期差異僅為0.9%，區(qū)域交付周期差異為2%。
3 影響電池電動(dòng)牽引車的駛里程和能耗的車輛技術(shù)分析

本節(jié)概述了對(duì)電池電動(dòng)牽引車性能有直接影響的四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域：(1)電池技術(shù)，(2)電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)配置，(3)道路-負(fù)載技術(shù)，(4)熱管理系統(tǒng)。對(duì)于每個(gè)技術(shù)領(lǐng)域都進(jìn)行了文獻(xiàn)調(diào)研，以獲取技術(shù)現(xiàn)狀、最新發(fā)展以及專家對(duì)未來(lái)技術(shù)改進(jìn)方向和改進(jìn)程度的看法。然后將這些信息用于本文的電池電動(dòng)牽引車仿真模型中，以量化對(duì)續(xù)駛里程和能耗的影響。

電池技術(shù)

電池化學(xué)研究綜述

毋庸置疑，關(guān)于電池電動(dòng)汽車，尤其是重型汽車，所配備的最關(guān)鍵的部件與電池相關(guān)。鋰離子（Li-ion）電池因比其他可充電電池系統(tǒng)具有更高的能量密度而成為電動(dòng)汽車的首選。在貨運(yùn)車輛中，電池的能量密度是最重要的參數(shù)之一，因?yàn)樗苯佑绊戃囕v在給定距離內(nèi)可以運(yùn)輸?shù)淖畲笥行лd荷和容量。此外，還有其他一些關(guān)鍵參數(shù)，例如電池耐久性等，在電池選擇中同樣起著重要作用。這種特性取決于陰極和陽(yáng)極材料、電解液、隔膜、電池的大小和形狀以及制造工藝等。盡管如此，鋰離子電池陰極的化學(xué)性質(zhì)仍然是實(shí)現(xiàn)高能量密度和耐久性最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)。下面將討論三種最重要的鋰離子陰極化學(xué)特性。鋰鎳錳鈷氧化物（Lithium nickel manganese cobalt oxide, NMC）是最流行的鋰離子陰極化學(xué)材料，這種電池技術(shù)占全球電動(dòng)汽車銷量的28%以上，預(yù)計(jì)到2027年其市場(chǎng)份額將增長(zhǎng)到63%（Boukhalfa & Ravichandran, 2020）。NMC電池的性能取決于鎳、錳和鈷氧化物的相對(duì)比例。通常，NMC電池使用等量的鎳、錳和鈷（NMC-111）。使用富鎳陰極（例如NMC-532、NMC-622、NMC-811）可提高電池的能量密度，并減少高成本鈷的含量，然而，它會(huì)對(duì)電池壽命產(chǎn)生負(fù)面影響（Julien & Mauger，2020）。盡管由NMC陰極和石墨陽(yáng)極組成的電池能量密度可達(dá)350 Wh/kg，但目前的NMC電池的能量密度約為250 Wh/kg，預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年將提高到300 Wh/kg（Ding et al., 2019）。盡管如此，對(duì)陽(yáng)極的改進(jìn)（如添加硅或使用鋰金屬，以及使用固態(tài)電解質(zhì)）可以顯著提高電池的能量密度，甚至可能高于400 Wh/kg的大門（Lu et al., 2019）。電池的循環(huán)壽命以整個(gè)生命周期的能量吞吐量來(lái)衡量，直到達(dá)到原始充電容量的80%，這很大程度上取決于幾個(gè)條件，包括充電和放電速率、放電深度和溫度。NMC電池具有良好的循環(huán)壽命性能（Miao et al., 2019），能夠在80%的充電容量保持率下循環(huán)超過2000次（Preger et al., 2020）。大多數(shù)電動(dòng)重型汽車制造商，包括戴姆勒（Mercedes-Benz, 2020）、MAN（MAN Truck & Bus, 2020）、沃爾沃（Volvo Trucks, 2019）、雷諾（Renault Trucks, 2020）和E-Force（E-Force AG, 2019）在其產(chǎn)品組合中的某些車輛中使用NMC電池。NMC 電池的成本取決于電池組成，主要是高成本的鈷材料。Wentker et al. (2019)的報(bào)告指出：NMC電池成本在70美元/kWh和90美元/kWh之間，取決于其材料具體成分。另一種富含鎳的鋰離子正極化學(xué)物質(zhì)是鎳鈷鋁酸鋰（nickel cobalt aluminum oxide, NCA），盡管與NMC相比成本偏高，但其在能量密度和耐用性方面與NMC電池有相似之處。包含NCA化學(xué)成分的電池的典型能量密度高于200 Wh/kg，與NMC電池一樣，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年將達(dá)到300 Wh/kg（Ding et al., 2019）。迄今為止，特斯拉是唯一一家在其電池中使用NCA材料的汽車制造商。然而，特斯拉尚未公開是否打算為其即將推出的電動(dòng)牽引車Tesla Semi電池中使用相同的化學(xué)成分，或者是否會(huì)使用NMC電池。典型NCA電池成本與NMC電池相當(dāng)，為 70美元/kWh到80美元/kWh（Wentker et al., 2019）。值得一提的是，所有考慮的電池化學(xué)成分的電池組成本比均相似，為2.4-2.6。磷酸鐵鋰（Lithium iron phosphate, LFP）是另一種廣泛用于電動(dòng)汽車的鋰離子陰極化學(xué)物質(zhì)。與NMC和NCA化學(xué)物質(zhì)相比，含有LFP化學(xué)物質(zhì)的電池的能量密度較低，但循環(huán)壽命更長(zhǎng)，超過2500次，而NCA的循環(huán)壽命約為1000-1500次，NMC電池的循環(huán)壽命約為2000次（Preger et al., 2020）。具有更高的耐用性的LFP電池的充電和放電率比NMC和NCA電池高30%（Battery University, 2021），并且由于不包含鈷而具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)（Wentker et al., 2019）。雖然LFP電池在電池級(jí)別上具有較低的能量密度，但得益于其更不易發(fā)生熱失控，因此它們集成到電池組中不需要太復(fù)雜。這反過來(lái)又將LFP電池的單元電池與電池組比率（gravimetric cell-to-pack ratio, GCTPR）提高到80%–90%，而鎳基化學(xué)物質(zhì)則為55%–65%（X.-G. Yang et al., 2021）。盡管電池能量密度存在限制，但LFP電池最近也取得了進(jìn)展。中國(guó)電池生產(chǎn)商寧德時(shí)代一直在開創(chuàng)一種電池到電池組的制造方法，使電池組的能量密度達(dá)到160Wh/kg，并成功地將電池級(jí)的成本降低到60美元/kWh以下（Manthey, 2020）。另一家中國(guó)電池制造商國(guó)軒公司的LFP電池能量密度已達(dá)到212 Wh/kg，目標(biāo)是到2022年底達(dá)到260Wh/kg（Kane, 2021）。當(dāng) GCTPR為90%時(shí)，此類電池組性能將處于鎳基化學(xué)物質(zhì)的范圍內(nèi)。VDL（Kane, 2020）和DAF（DAF, 2021）等歐洲制造商在其產(chǎn)品中使用了LFP電池。表2概述了可用于HDV應(yīng)用的不同鋰離子化學(xué)物質(zhì)，并對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行了評(píng)估。

表2 可用于HDV應(yīng)用的鋰離子陰極化學(xué)物質(zhì)一覽表

不同電池化學(xué)成分的建模

為了評(píng)估電池化學(xué)成分對(duì)電池電動(dòng)牽引車?yán)m(xù)駛里程的影響，本文定義了三種電池，它們?cè)陔姵亟M級(jí)別具有相同的能量、功率和電壓，但具有不同的電池化學(xué)成分：LFP、NCA和NMC-111。Simcenter Amesim中包含針對(duì)這三種電池化學(xué)成分的預(yù)校準(zhǔn)電池模型，而這些模型又依賴于Simcenter Amesim合作伙伴收集或文獻(xiàn)中提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

電池單元的性能被建模為工作條件的函數(shù)，主要是其荷電狀態(tài)（state of charge, SoC）和溫度。對(duì)于每種電池化學(xué)成分，模型使用測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)表征電池單元的開路電壓、歐姆電阻和熵系數(shù)1。此外，建模還考慮了法拉第效率、滯后建模以及擴(kuò)散和電荷轉(zhuǎn)移損失2。

1. 開路電壓是電池靜止時(shí)的電壓，即沒有充電或放電的電壓。歐姆電阻的定義取決于充電或放電電流的瞬時(shí)壓降。熵系數(shù)模擬了由于溫度變化和與此現(xiàn)象相關(guān)的熱流動(dòng)導(dǎo)致的開路電壓變化。

2. 法拉第效率考慮了充電期間發(fā)生的損耗。滯后建?？紤]了與充電和放電歷史相關(guān)的開路電壓變化。擴(kuò)散和電荷轉(zhuǎn)移損失反映了放電瞬態(tài)對(duì)電池電壓的影響。

卡車的續(xù)駛里程也受到電池重量的影響，由電池能量密度一定，較重的車輛總是消耗更多的能量。因此，還針對(duì)最大卡車有效載荷進(jìn)行了仿真，而忽略了不同電池化學(xué)成分之間電池重量差異的影響。評(píng)估的結(jié)果如表3所示，標(biāo)準(zhǔn)化為NMC電池的續(xù)駛里程，這是大多數(shù)歐洲制造商首選的電池成分。

表3 在長(zhǎng)距離循環(huán)中使用不同電池化學(xué)成分的仿真續(xù)駛里程范圍比較。結(jié)果將NMC電池的續(xù)駛里程標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行對(duì)比

續(xù)駛里程的仿真結(jié)果差異并不明顯。使用LFP的鋰離子電池比NMC電池低2%至5%，具體取決于電池組級(jí)別的能量密度。另一方面，NCA電池的續(xù)航里程略高于NMC，介于2%和3%之間。從這些數(shù)值的角度來(lái)看，對(duì)于續(xù)駛里程約為500公里的電動(dòng)卡車，不同成分電池的具體續(xù)駛里程范圍差異介于10公里和25公里之間?；谥疤岢龅姆治?，本報(bào)告的其余部分將重點(diǎn)關(guān)注NMC電池。

傳動(dòng)系統(tǒng)配置

電機(jī)技術(shù)概述

本文評(píng)估了兩種不同類型的電動(dòng)機(jī)：異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（asynchronous induction motors, ASM）和永磁同步電動(dòng)機(jī)（permanent magnet synchronous motors, PMSM）。兩個(gè)電機(jī)都連接到一個(gè)兩檔變速器，并且選擇合適齒輪比使得兩種電機(jī)配置可以在車輪處實(shí)現(xiàn)相同的峰值扭矩。

在ASM中，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)由定子中的交流電產(chǎn)生，而交流電又通過電磁感應(yīng)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生磁場(chǎng)。為了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)會(huì)跟隨定子的磁場(chǎng)，從而導(dǎo)致稱為“滑差”的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。通常，ASM轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與同步電機(jī)相比可以降低制造成本。然而，電機(jī)的控制卻更為復(fù)雜，需要精確控制定子磁場(chǎng)中的可變頻率以及由此產(chǎn)生的滑差。通常，ASM的效率略低于同步電機(jī)。

在PMSM中，轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)依賴于永磁體，定子和轉(zhuǎn)子中的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步移動(dòng)，從而消除了與滑差相關(guān)的損失。然而，由于永磁體中使用了稀土金屬，制造成本更高。與ASM相比，PMSM具有更高的功率密度，能夠提供更緊湊的機(jī)械設(shè)計(jì)、更高的低速效率和扭矩能力。

不同傳動(dòng)系統(tǒng)配置的建模

在評(píng)估這兩種電機(jī)技術(shù)時(shí)，使用兩檔變速箱對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模，以確保1檔工況下大扭矩需求，同時(shí)在2檔巡航行駛時(shí)降低能耗（類似于VNR沃爾沃卡車（Volvo Trucks, 2020））。

同時(shí)指定了兩種不同的傳動(dòng)系統(tǒng)配置，使得卡車可以在5%的道路坡度上保持65 km/h的速度行駛。表4總結(jié)了每種電機(jī)技術(shù)對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)。

表 4. 傳動(dòng)系統(tǒng)配置總結(jié)

根據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)署和美國(guó)交通部（U.S. EPA & U.S. DOT, 2016a）的估計(jì)，模型中變速器的動(dòng)力傳遞效率設(shè)置為98.5%。同樣的報(bào)告分析估計(jì)，未來(lái)非直聯(lián)齒輪的動(dòng)力傳遞效率將超過99.1%，直聯(lián)齒輪的效率將超過99.7%。后橋的模型傳動(dòng)效率較低，為97%（U.S. EPA & U.S. DOT, 2016b），未來(lái)有可能提高到98%。

使用Amesim針對(duì)每項(xiàng)技術(shù)的預(yù)校準(zhǔn)模型進(jìn)行電機(jī)損耗建模。生成的效率圖是電機(jī)速度、扭矩和電壓的函數(shù)，如圖2所示。

圖2 兩種電機(jī)在800V工作電壓下的效率圖（左側(cè)為ASM，右側(cè)為PMSM）

在長(zhǎng)距離和區(qū)域交付循環(huán)內(nèi)，對(duì)每個(gè)傳動(dòng)系配置的能耗性能進(jìn)行評(píng)估。雖然PMSM傳動(dòng)系統(tǒng)在兩個(gè)循環(huán)中均實(shí)現(xiàn)了更高的平均效率，但如表5所示，兩種傳動(dòng)系統(tǒng)配置的續(xù)駛里程差異不到2%。接下來(lái)PMSM傳動(dòng)系統(tǒng)配置將用于本研究的其余章節(jié)。

表5 每種傳動(dòng)系統(tǒng)配置在長(zhǎng)途和區(qū)域交付循環(huán)中的續(xù)駛里程差異。結(jié)果顯示為在參考有效載荷下使用PMSM得到的續(xù)駛范圍標(biāo)準(zhǔn)化

道路-載荷技術(shù)

空氣動(dòng)力學(xué)

歐洲長(zhǎng)途應(yīng)用的ICCT評(píng)估報(bào)告中表示是，牽引車運(yùn)行期間空氣阻力消耗的能量可占機(jī)械能需求的40%左右（Delgado et al., 2017）?？諝庾枇δ芰肯呐c車速的平方成正比，由于在長(zhǎng)途運(yùn)輸條件下車速一般較高，因此這種工況下的空氣阻力尤為重要。本研究仿真了一系列牽引式掛車控制阻力系數(shù)（CD），從實(shí)際值0.5提高到未來(lái)的0.35。預(yù)計(jì)到2030年，美國(guó)的Super Truck計(jì)劃(Delgado & Lutsey, 2014)以及歐盟的概念卡車將實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，后者的CD值約為0.3(Kopp, 2012; Kopp et al., 2009）。VECTO和Simcenter Amesim之間的一個(gè)重要區(qū)別是對(duì)空氣阻力的處理。VECTO使用空氣阻力區(qū)域中與速度相關(guān)的側(cè)風(fēng)修正來(lái)估計(jì)平均風(fēng)況（Delgado et al., 2019）。而Simcenter Amesim則假設(shè)不存在側(cè)風(fēng)。為了解釋這種差異，本文使用VECTO為駕駛循環(huán)和車輛的不同組合開發(fā)了側(cè)風(fēng)校正因子，并將其應(yīng)用于Simcenter Amesim仿真。

輪胎

輪胎因滾動(dòng)摩擦阻力而消耗的能量約占長(zhǎng)距離循環(huán)所需機(jī)械能的40%（Delgado et al., 2017），與輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)（rolling resistance coefficient, RRC）成正比，該系數(shù)取決于牽引車-掛車的重量和速度。本研究中使用的RRC通過模擬標(biāo)準(zhǔn)化車輛仿真工具VECTO的方式來(lái)定義，看作車輛總質(zhì)量的函數(shù)。ICCT調(diào)研報(bào)告稱，RRC的降低率為每年2%（Norris & Escher, 2017）。RRC目前參考值為0.005，預(yù)計(jì)到2030年將減少27%，屆時(shí)將達(dá)到0.004，與標(biāo)有A效率的商用輪胎一致。

車輛減重

利用輕質(zhì)材料減輕車輛整備質(zhì)量會(huì)以不同的方式影響車輛的能效和需求。對(duì)于以最大允許有效負(fù)載運(yùn)行的牽引掛車，輕量化可以在不改變車輛總能耗的情況下增加最大允許有效載重量。對(duì)于體積受限的車輛，卡車結(jié)構(gòu)的輕量化可以在需要時(shí)使用更大的電池。先前的研究表明，到2030年，車輛整備質(zhì)量可以減少2噸以上，主要是通過用先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼和鋁/鎂替代底盤和動(dòng)力總成各種部件，以及額外使用一些復(fù)合材料（Delgado et al., 2017; Hill et al., 2015）。

熱管理系統(tǒng)

電池電動(dòng)汽車的熱管理是一個(gè)關(guān)鍵問題，因?yàn)樾枰碾姵氐念~外能量需求，因此會(huì)對(duì)車輛續(xù)駛里程產(chǎn)生較大影響，特別是在沒有發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)加熱卡車駕駛艙的情況下影響更為顯著。本文確定了兩個(gè)主要的車載熱管理系統(tǒng)（thermal management systems, TMS）：（1）電池?zé)峁芾砗停?）駕駛艙熱管理。

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

出于性能和安全考慮，電池TMS確保電池單元的溫度在一定范圍內(nèi)。在推薦范圍之外的溫度下運(yùn)行會(huì)增加電池阻抗，出現(xiàn)不同的加速電池老化現(xiàn)象，導(dǎo)致充電容量隨使用時(shí)間的增加而損失（Bandhauer et al., 2011; Kim et al., 2019）。

目前電動(dòng)汽車中采用了幾種電池TMS技術(shù)，以保持電池工作在最佳溫度范圍內(nèi)，包括空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻、熱管、熱泵和正溫度系數(shù)電阻裝置（S. Yang et al., 2019）。無(wú)論采用何種冷卻和加熱技術(shù)，電池TMS都會(huì)對(duì)電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程產(chǎn)生較大影響，因?yàn)樵谘谉崽鞖鈼l件下，HDV對(duì)電池TMS的功率需求可能超過5 kW（Basma et al., 2020; G?hlich et al., 2018）。

為量化這種影響，我們采用了一個(gè)集總熱模型來(lái)評(píng)估電池的溫度，考慮到電池的內(nèi)部熱量產(chǎn)生和與環(huán)境的熱交換。電池TMS由一個(gè)用于電池冷卻的制冷電路和一個(gè)用于電池加熱的熱泵組成，利用已安裝的熱泵來(lái)滿足駕駛艙的加熱需求將在下一節(jié)中討論。設(shè)計(jì)閉環(huán)控制器使得電池溫度保持在20℃。通過參考文獻(xiàn)中的相關(guān)數(shù)據(jù)，將熱泵性能系數(shù)3（coefficient of performance, COP）標(biāo)定為環(huán)境溫度和熱交換器溫度的函數(shù)，用于冷卻（Din?er et al., 2017）和加熱（Brodie, 2015），并使用制冷回路的詳細(xì)模型驗(yàn)證COP值。

駕駛艙熱管理系統(tǒng)

在這項(xiàng)研究中，開發(fā)了卡車車廂的熱模型，考慮了卡車車廂與環(huán)境之間的不同熱交換模式，包括通過艙壁的傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射以及太陽(yáng)通量的傳輸和吸收。本研究認(rèn)為用熱泵為駕駛艙提供艙在冷卻和加熱等熱需求，因?yàn)樗请妱?dòng)汽車最有前途的技術(shù)（G?hlich et al., 2015），因?yàn)槠銫OP較高，因此，與其他技術(shù)相比，熱泵對(duì)能耗的影響較小4。熱泵技術(shù)在HDV中的應(yīng)用正在增加，尤其是在電池電動(dòng)公交車上（Solaris, 2020; Sonnekalb, 2020），預(yù)計(jì)卡車未來(lái)應(yīng)用趨勢(shì)與此一致。電池電動(dòng)公交車熱管理系統(tǒng)已采用熱泵COP值（Basma, 2020）。采用閉環(huán)控制器，確保駕駛室溫度始終在20℃左右。目前還沒有國(guó)際法規(guī)規(guī)定卡車車廂的熱舒適條件，大多數(shù)相關(guān)法規(guī)都是國(guó)家規(guī)定的。為此，本研究考慮20℃為駕駛艙艙目標(biāo)溫度。

3. 熱泵性能系數(shù)是提供的可用加熱或冷卻能量（以能量單位計(jì)量）與系統(tǒng)所需的能量的比值。4. 加熱COP范圍為1.1（-10℃）至3.4（15℃），冷卻COP范圍為1.59（40℃）至2.51（25℃）
4 電池電動(dòng)牽引車?yán)m(xù)駛里程和能耗

基于上一節(jié)中進(jìn)行的車輛技術(shù)分析，本研究中開發(fā)的模型用于估計(jì)電池電動(dòng)牽引車在不同車輛技術(shù)和運(yùn)行條件下的續(xù)駛里程。表6總結(jié)了用于估計(jì)牽引車?yán)m(xù)駛里程的當(dāng)前和未來(lái)車輛技術(shù)的車輛規(guī)格。注意，電池重量是電池尺寸的函數(shù)，在本研究中考慮了從300kWh到1000kWh的幾種電池尺寸。

表6 用于估計(jì)續(xù)駛里程的當(dāng)前和未來(lái)車輛技術(shù)總結(jié)

5. 本研究中實(shí)施了與VECTO一致的側(cè)風(fēng)修正。這使循環(huán)中的有效阻力系數(shù)增加了15%到25%，具體取決于駕駛循環(huán)和車輛。

此外，還考慮了幾種操作條件，包括兩個(gè)駕駛循環(huán)（長(zhǎng)途和區(qū)域交付）、幾個(gè)有效載荷，以及代表不同歐盟氣候區(qū)域和季節(jié)的三種不同環(huán)境溫度（-7℃、15℃和35℃）。

在估計(jì)續(xù)駛里程時(shí)要考慮的一個(gè)重要參數(shù)是在測(cè)試或仿真開始時(shí)電池的初始荷電狀態(tài)（SoC）。測(cè)試期間的電池SoC會(huì)影響電池的內(nèi)阻和電壓壓降，可能會(huì)導(dǎo)致歐姆損失增加，從而影響估計(jì)的續(xù)駛里程，尤其是在接近最小SoC的情況下。為此，使用兩個(gè)不同的初始SoC進(jìn)行仿真：最大值95%和較低值，以便仿真結(jié)束時(shí)SoC達(dá)到最小允許SoC，即15%。然后將續(xù)駛里程估計(jì)為這兩次仿真的平均值。

當(dāng)前和未來(lái)技術(shù)的續(xù)駛里程和能耗估算

本文估計(jì)了當(dāng)前和未來(lái)技術(shù)在長(zhǎng)距離和區(qū)域交付循環(huán)內(nèi)，不同電池尺寸下的牽引掛車?yán)m(xù)駛里程和能耗。圖3和圖4所示的結(jié)果提供了與歐盟官方認(rèn)證條件一致的魯棒性估計(jì)。根據(jù)VECTO認(rèn)證條件，長(zhǎng)途和區(qū)域交付循環(huán)的參考有效載荷分別設(shè)置為19300 kg和12900 kg（見表1），環(huán)境溫度設(shè)置為15℃。

圖3 使用參考有效載荷對(duì)當(dāng)前和未來(lái)技術(shù)在長(zhǎng)途駕駛循環(huán)中的續(xù)駛里程估計(jì)

圖4 使用參考有效載荷在區(qū)域交付駕駛循環(huán)內(nèi)對(duì)當(dāng)前和未來(lái)技術(shù)的續(xù)駛里程估計(jì)

對(duì)于圖3所示的長(zhǎng)途循環(huán)，隨著電池容量從300 kWh增加到1000 kWh，當(dāng)前牽引車-掛車技術(shù)的續(xù)駛里程在174km到537km之間。由于較大的蓄電池會(huì)增加牽引車-掛車的重量，從而導(dǎo)致額外的能耗，因此，隨著蓄電池容量的增加，不是里程不是線性增加的。此外，冷卻或加熱要求也是電池尺寸的函數(shù)。如圖4所示，整個(gè)區(qū)域交付循環(huán)的續(xù)駛里程呈現(xiàn)出相似的趨勢(shì)，與所有同樣電池尺寸的長(zhǎng)距離循環(huán)相比，差異不到7 km。盡管區(qū)域運(yùn)輸循環(huán)具有較高的瞬態(tài)性質(zhì)，但該結(jié)果得益于參考有效載荷較低以及再生制動(dòng)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。

考慮到電池能量密度、運(yùn)輸效率和道路負(fù)載技術(shù)的改善，圖3和圖4還顯示了未來(lái)牽引車-掛車技術(shù)的續(xù)駛里程估計(jì)。預(yù)計(jì)未來(lái)的技術(shù)進(jìn)步將使續(xù)駛里程增加30%至35%，在兩個(gè)行駛循環(huán)中，1000kWh電池的行駛里程將超過700公里。如圖5所示，這種改進(jìn)主要是由于底盤組件質(zhì)量較輕，電池能量密度增加一倍，使得牽引車-掛車總重質(zhì)量減少，從而大幅降低卡車能耗。因此，對(duì)于固定續(xù)駛里程需求，結(jié)果表明，上述未來(lái)技術(shù)的進(jìn)步將對(duì)電池容量要求降低約30%。也就是說，與目前車輛技術(shù)所需的1000kWh相比，在2030年配備700kWh電池即可使?fàn)恳?掛車實(shí)現(xiàn)500公里的續(xù)駛里程。

圖5顯示了所分析的不同電池容量、兩個(gè)駕駛循環(huán)以及基于當(dāng)前和未來(lái)技術(shù)的電池電動(dòng)牽引車-掛車的距離比能耗（單位為kWh/km）。

圖5 當(dāng)前和未來(lái)技術(shù)的能耗估算

電池質(zhì)量對(duì)有效載荷的影響分析

電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程和最大允許有效載荷之間的權(quán)衡，即有效載荷懲罰，是在討論電池電動(dòng)牽引車-掛車的局限性時(shí)面臨的關(guān)鍵問題之一。電池電動(dòng)牽引車的重量首先在沒有電池的情況下進(jìn)行估算。典型的牽引車重量約為7400 kg（Delgado et al., 2017）。要減去的柴油動(dòng)力系統(tǒng)部件重量估計(jì)為2200kg，其中包括柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱和傳動(dòng)系（Mareev et al., 2018）。然后添加電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的重量，包括電機(jī)、逆變器和齒輪箱，估計(jì)重量為650kg（Mareev et al., 2018），因此，不帶蓄電池的牽引車總重量約為5850kg。估計(jì)牽引車的輕量化潛力約為700kg，因此未來(lái)不包括電池的整車重量約為5150kg?？ㄜ噿燔嚨闹亓抗烙?jì)約為7400kg，輕量化潛力為1200kg，因此到2030年掛車重量將達(dá)到6200kg。這些重量減輕估計(jì)值與“道路-載荷技術(shù)”一節(jié)中的分析總結(jié)一致。圖6顯示了當(dāng)前和未來(lái)車輛技術(shù)的最大允許有效載荷與續(xù)駛里程的函數(shù)關(guān)系。

圖6 最大牽引車-掛車有效載荷與行駛里程的函數(shù)關(guān)系

圖6中的水平虛線分別代表了當(dāng)前和未來(lái)技術(shù)中車輛總重為40噸的柴油牽引掛車的最大有效載荷25200 kg和27100 kg（Delgado et al., 2017）。電池電動(dòng)牽引掛車的最大有效載荷估計(jì)為車輛總重42噸，對(duì)應(yīng)于法規(guī)（EU）2019/1242（European Commission, 2019）為零排放重型技術(shù)引入的車輛總重額外余量。由于電池重量的增加，電動(dòng)卡車的最大有效載荷隨著行駛里程的增加而成比例減少。在500公里的續(xù)駛里程范圍內(nèi)電動(dòng)牽引掛車的最大有效載荷減少了11%，這種場(chǎng)景足以覆蓋不需要在運(yùn)行期間進(jìn)行充電的70%的應(yīng)用場(chǎng)景，或者在白天進(jìn)行45分鐘充電的95%的應(yīng)用場(chǎng)景（Saboori & Rodríguez, 2021）。然而，隨著未來(lái)技術(shù)的進(jìn)步，即底盤輕量化和電池能量密度的增加，一輛續(xù)駛里程為500公里的電動(dòng)卡車與柴油卡車相比不會(huì)有任何的有效載荷損失。

有效載荷對(duì)續(xù)駛里程的影響分析

通過考慮三種不同的有效載荷（低載荷、參考載荷和滿載載荷）來(lái)分析有效載荷對(duì)牽引車-掛車?yán)m(xù)駛里程的影響，如表1所示。分析是在長(zhǎng)途駕駛循環(huán)中進(jìn)行的，結(jié)果如圖7所示。

圖7 在長(zhǎng)距離循環(huán)中，有效載荷對(duì)牽引車-掛車?yán)m(xù)駛里程的影響（參考有效載荷：19300 kg）

與參考有效載荷相比，低有效載荷可將任何電池尺寸的電動(dòng)牽引車-掛車?yán)m(xù)駛里程提高32%–36%。相反，滿載車輛的行駛里程減少幅度較小，介于6%和13%之間。該圖中顯示的結(jié)果對(duì)應(yīng)于當(dāng)前的車輛技術(shù)。對(duì)于未來(lái)的車輛技術(shù)也觀察到相似的趨勢(shì)。然而，由于預(yù)期牽引車、掛車和電池重量減少，續(xù)駛里程對(duì)有效載荷的敏感性略高，與參考有效載荷的情況相比，低有效載荷下續(xù)駛里程增加約36%–41%，滿載續(xù)駛里程減少約12%–18%。

溫度對(duì)續(xù)駛里程的影響分析

電動(dòng)汽車的溫度需求可能會(huì)對(duì)續(xù)駛里程產(chǎn)生相當(dāng)大的影響，尤其是在極端天氣條件下。為了量化這些影響，本文分析了三種不同的環(huán)境溫度，分別代表溫和氣候（15℃）、寒冷氣候（-7℃）和炎熱氣候（35℃）6。這里給出的分析對(duì)應(yīng)于參考有效載荷下的長(zhǎng)途駕駛循環(huán)。

圖8繪制了與15℃環(huán)境溫度下的參考場(chǎng)景相比，在-7℃和35℃時(shí)車輛續(xù)駛里程減少的百分比。在不同的電池尺寸下，極端氣候條件造成的行駛里程減少不超過9%。這種情況下對(duì)續(xù)航里程的影響是因?yàn)殡姵仉娦阅軐?duì)溫度的依賴性以及電池和座艙熱管理系統(tǒng)維持20℃溫度需要消耗能量。對(duì)于更大尺寸的電池，電池TMS需要更多能量來(lái)將電池溫度保持在所需范圍內(nèi)，從而對(duì)行駛里程產(chǎn)生更大的影響。盡管在寒冷氣候情景下環(huán)境溫度與座艙設(shè)定溫度之間的溫差較大，但炎熱和寒冷氣候條件對(duì)行駛里程的影響相似。這主要是由電池?zé)嵴{(diào)節(jié)電路的性能系數(shù)差異表現(xiàn)的7。座艙TMS能量需求不受電池尺寸的高度影響，因?yàn)樗鼈兪芴?yáng)輻射、環(huán)境溫度和座艙幾何形狀影響。在電池容量1000kWh的情況下，座艙TMS能耗約為電池TMS能耗的15%–50%。

6.  對(duì)于炎熱氣候情景，本文設(shè)定太陽(yáng)通量強(qiáng)度平均值為1000W/m2，這點(diǎn)在寒冷和參考溫度情景中沒有考慮。7.  在7℃的環(huán)境溫度下，TMS（加熱）的COP約為3。在35℃環(huán)境溫度下，COP（冷卻）約為2。

圖8 不同環(huán)境溫度和電池尺寸下的續(xù)駛里程減少量

5 結(jié)論和主要要點(diǎn)

長(zhǎng)途卡車是歐洲公路貨運(yùn)CO2排放的主要來(lái)源。盡管提高內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)卡車的效率具有巨大的技術(shù)潛力，但它們?cè)贑O2排放方面的減少不足以以實(shí)現(xiàn)氣候目標(biāo)所需的使貨運(yùn)完全脫碳的速度。因此，為實(shí)現(xiàn)歐盟的短期和長(zhǎng)期CO2減排目標(biāo)，有必要發(fā)展零排放卡車。

2019年最終確定的現(xiàn)行歐盟HDV CO2標(biāo)準(zhǔn)要求重型車輛制造商在2025年將其車隊(duì)的平均二氧化碳排放量比2019年減少15%，在2030年至少減少30%。2030年的目標(biāo)將在2022年進(jìn)行審查。在HDV的CO2標(biāo)準(zhǔn)最終確定時(shí)，幾乎沒有關(guān)于零排放技術(shù)的信息。因此，歐盟委員會(huì)將目前采用的標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格性建立在傳統(tǒng)技術(shù)上，即柴油和天然氣車輛。從那時(shí)起，包括大多數(shù)歐洲卡車制造商在內(nèi)的幾個(gè)利益相關(guān)者已經(jīng)為公路貨運(yùn)電氣化制定了明確的技術(shù)途徑。2022年對(duì)CO2標(biāo)準(zhǔn)的審查為將零排放HDV納入CO2標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格性的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估提供了潛在機(jī)遇。

本研究對(duì)電池電動(dòng)長(zhǎng)途牽引車-掛車的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了分析，主要側(cè)重于典型工作條件下的能效和續(xù)駛里程的量化分析，并考慮了電池電動(dòng)長(zhǎng)途卡車運(yùn)營(yíng)商關(guān)注的幾個(gè)領(lǐng)域。我們通過詳細(xì)的車輛仿真來(lái)分析各技術(shù)潛力。電池、動(dòng)力系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)都經(jīng)過建模和驗(yàn)證，并用于估計(jì)車輛的能效和續(xù)駛里程，并得出以下主要結(jié)論：

• 700kWh的電池能量容量可實(shí)現(xiàn)500公里的續(xù)航里程，足以滿足絕大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景的需求?；谏钊氲能囕v能效分析正確估計(jì)所需的電池尺寸，可以克服電動(dòng)HDV的里程焦慮問題。本研究中提供的結(jié)果表明，目前對(duì)于大約1000kWh的電池容量，電池電動(dòng)長(zhǎng)途牽引車在典型使用場(chǎng)景下的續(xù)駛里程可能超過500公里。然而，預(yù)計(jì)電池能量密度、道路負(fù)載技術(shù)和運(yùn)輸效率的改進(jìn)，容量為700kWh左右的電池體積將會(huì)更小，在未來(lái)能夠?qū)崿F(xiàn)500公里的續(xù)航里程，與之前的基本情況相比，電池能量容量需求降低30%。

•  目前，續(xù)駛里程為500公里的電動(dòng)牽引車-掛車的有效載荷損失較小，未來(lái)可能避免有效載的荷損失。與柴油動(dòng)力系統(tǒng)相比，電池電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)500公里的日行駛里程，有效載荷損失僅為11%，主要體現(xiàn)在電池組的額外重量上。然而，未來(lái)技術(shù)改進(jìn)的方案消除了有效載荷損失，而且為小于500公里續(xù)駛里程產(chǎn)生了有效載荷增益。最大有效載荷的差異是微不足道的，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，拖車在達(dá)到其有效載荷容量之前就達(dá)到了其體積容量。因此，電動(dòng)牽引車-掛車的有效載荷損失并不是一個(gè)關(guān)鍵問題。

• 如果采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)，極寒和高溫對(duì)電動(dòng)卡車的續(xù)駛里程影響不到9%。極端氣候條件導(dǎo)致的續(xù)駛里程減少是長(zhǎng)距離牽引車-掛車駕駛員的另一個(gè)擔(dān)憂。所提供的仿真結(jié)果表明，如果使用高效熱泵，極端環(huán)境溫度-7℃和35℃對(duì)行駛里程的影響不超過9%。這些額外的能源需求主要體現(xiàn)在電池的熱管理系統(tǒng)需求上，較小程度的體現(xiàn)在駕駛艙的熱管理上。

本文針對(duì)電池電動(dòng)長(zhǎng)途牽引車-掛車進(jìn)行了車輛技術(shù)分析，明確了這些技術(shù)在各種工況和技術(shù)改進(jìn)下的能效和續(xù)駛里程范圍問題。未來(lái)還將研究該車型的其他脫碳途徑。