編者按：隨著重型商用車保有量的增加，其日益嚴重的能耗與排放問題給全球的能源和環(huán)境帶來巨大壓，目前，各國對于溫室氣體排放限制標準的日益嚴格，也出現(xiàn)了一系列牽引車-掛車能效優(yōu)化技術(shù)，電池電動卡車由于其零排放是未來的研究方向之一。本文針對歐盟區(qū)域的電池電動牽引車-掛車減少排放、能效提升等相關(guān)技術(shù)進行了調(diào)研，并建立詳細精確的車輛模型以量化當(dāng)前及未來電池技術(shù)、傳動系統(tǒng)配置、道路-載荷技術(shù)和熱管理技術(shù)對于電池電動牽引車-掛車的能效及續(xù)駛里程的影響，對于公路貨運商用車電動化領(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)，各界廣泛達成共識：有必要在2050年實現(xiàn)全球CO2零排放。為實現(xiàn)這一目標，歐盟正在積極采取措施，并將這些目標寫入《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，通過采取嚴格措施來實現(xiàn)跨部門的目標。交通運輸約占歐洲溫室氣體排放量的四分之一，但近些年來，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）。公路貨運的溫室氣體排放幾十年來一直沒有得到解決，直到2019年，歐盟才通過了第一個新上市重型卡車的CO2排放標準。為了指定標準的目標值，歐盟委員會研究了傳統(tǒng)柴油和天然氣動力系統(tǒng)在減少CO2排放方面的潛力，并沒有將零排放技術(shù)納入其評估系統(tǒng)中。因此，相較于2019年，標準中設(shè)定的2025年CO2減排15%和2030年CO2減排30%的目標與歐盟委員會制定的目標或巴黎協(xié)定制定的2050年排放目標不一致（Rodríguez & Delgado, 2018）。重型卡車CO2標準將在2022年底前進行審查，屆時將有更多關(guān)于卡車排放、燃油經(jīng)濟性、現(xiàn)有技術(shù)和新技術(shù)成本的可靠數(shù)據(jù)。此外，標準的范圍將擴大到公共汽車和小型貨車，并且會更新標準化車輛模擬工具VECTO（European Commission, 2018）。這為評估零排放重型卡車最新技術(shù)發(fā)展提供了機遇，并將其減少排CO2排放的潛力納入2030年及以后的更為嚴格的目標中。在長途運輸和區(qū)域運輸作業(yè)中，牽引掛車的CO2排放量占道路貨運的一半以上（Delgado et al., 2017），使其成為降碳的最重要部分。此外，長行距離行駛和重載荷給牽引掛車帶來了額外挑戰(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、燃料電池和道路動力電動卡車。在本論文中，我們主要研究蓄電池電動牽引掛車。本文分析解決了以下問題：1. 在典型使用場景下，電池電動牽引車能耗和續(xù)駛里程是多少？2. 在典型使用場景下，滿足車輛能量需求和實現(xiàn)所需行駛里程的電池能量容量是多少？3. 電動動力總成對牽引車有效載荷承載能力有何影響？4. 極端天氣條件下對牽引掛車的續(xù)駛里程和電池容量要求有何影響？

5. 未來十年能源消耗和續(xù)駛里程有哪些改進？

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

本文是一系列關(guān)于零排放卡車技術(shù)經(jīng)濟挑戰(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)，將在單獨的報告中介紹。

2 技術(shù)方法

2017年12月，歐盟通過了法規(guī)（EU）2017/2400，對重型卡車的CO2排放和燃油消耗進行認證。為了客觀地比較車輛性能，該認證法規(guī)引入了一種標準化的車輛仿真模型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 長途運輸和區(qū)域運輸VECTO駕駛循環(huán)表1 VECTO駕駛循環(huán)中有效載荷

盡管歐盟委員會正在積極擴大駕駛循環(huán)VECTO模擬配備替代動力系統(tǒng)的重型卡車的能力（Rodríguez & Delgado, 2019），但電池驅(qū)動重型卡車的能耗和續(xù)駛里程仍尚未得到認證。目前制造商采用自己的方法和邊界條件來估計其產(chǎn)品的行駛里程，這種情況與引入VECTO認證之前內(nèi)燃機動力系統(tǒng)的燃油消耗估計一致。在這項研究中，我們使用Simcenter Amesim商業(yè)仿真工具來模擬電池電動牽引卡車的性能。Simcenter Amesim是一種多物理場仿真軟件，可以對各種車輛配置進行建模。與大多數(shù)車輛仿真工具一樣，Simcenter Amesim(Siemens, 2020)使用詳細的組件數(shù)據(jù)來表示各子系統(tǒng)（例如電池、電機和能量管理系統(tǒng)）的行為，并使用反饋回路網(wǎng)絡(luò)來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力總成部件的詳細性能數(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)和驗證的不同的組件庫，尤其是電池和電動機的數(shù)據(jù)。由于本研究的預(yù)期目標是分析電池電動牽引車在類似VECTO的駕駛循環(huán)下的性能，因此這里對Simcenter Amesim中具有代表性的柴油牽引車模型進行VECTO駕駛循環(huán)下的驗證。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、空氣阻力和滾動阻力系數(shù)。為了估計這些差異的影響，我們?yōu)檫@兩種工具提供了相同的數(shù)據(jù)集輸入，并使用它們來模擬具有代表性的柴油牽引車在圖1所示的兩個駕駛周期內(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，長途運輸周期差異僅為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)概述了對電池電動牽引車性能有直接影響的四個關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域：(1)電池技術(shù)，(2)電動傳動系統(tǒng)配置，(3)道路-負載技術(shù)，(4)熱管理系統(tǒng)。對于每個技術(shù)領(lǐng)域都進行了文獻調(diào)研，以獲取技術(shù)現(xiàn)狀、最新發(fā)展以及專家對未來技術(shù)改進方向和改進程度的看法。然后將這些信息用于本文的電池電動牽引車仿真模型中，以量化對續(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汽車的首選。在貨運車輛中，電池的能量密度是最重要的參數(shù)之一，因為它直接影響車輛在給定距離內(nèi)可以運輸?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)仍然是實現(xiàn)高能量密度和耐久性最關(guān)鍵的設(shè)計參數(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)占全球電動汽車銷量的28%以上，預(yù)計到2027年其市場份額將增長到63%（Boukhalfa & Ravichandran, 2020）。NMC電池的性能取決于鎳、錳和鈷氧化物的相對比例。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，它會對電池壽命產(chǎn)生負面影響（Julien & Mauger，2020）。盡管由NMC陰極和石墨陽極組成的電池能量密度可達350 Wh/kg，但目前的NMC電池的能量密度約為250 Wh/kg，預(yù)計在未來幾年將提高到300 Wh/kg（Ding et al., 2019）。盡管如此，對陽極的改進（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)壽命以整個生命周期的能量吞吐量來衡量，直到達到原始充電容量的80%，這很大程度上取決于幾個條件，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)計未來幾年將達到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牽引車Tesla Semi電池中使用相同的化學(xué)成分，或者是否會使用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，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（Wentker et al., 2019）。雖然LFP電池在電池級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展。中國電池生產(chǎn)商寧德時代一直在開創(chuàng)一種電池到電池組的制造方法，使電池組的能量密度達到160Wh/kg，并成功地將電池級的成本降低到60美元/kWh以下（Manthey, 2020）。另一家中國電池制造商國軒公司的LFP電池能量密度已達到212 Wh/kg，目標是到2022年底達到260Wh/kg（Kane, 2021）。當(dāng) GCTPR為90%時，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)，并對幾個關(guān)鍵性能指標進行了評估。

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

為了評估電池化學(xué)成分對電池電動牽引車續(xù)駛里程的影響，本文定義了三種電池，它們在電池組級別具有相同的能量、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中包含針對這三種電池化學(xué)成分的預(yù)校準電池模型，而這些模型又依賴于Simcenter Amesim合作伙伴收集或文獻中提供的實驗數(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。對于每種電池化學(xué)成分，模型使用測試數(shù)據(jù)來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、滯后建模以及擴散和電荷轉(zhuǎn)移損失2。

1. 開路電壓是電池靜止時的電壓，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。擴散和電荷轉(zhuǎn)移損失反映了放電瞬態(tài)對電池電壓的影響。

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，還針對最大卡車有效載荷進行了仿真，而忽略了不同電池化學(xué)成分之間電池重量差異的影響。評估的結(jié)果如表3所示，標準化為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)駛里程標準化進行對比

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)值的角度來看，對于續(xù)駛里程約為500公里的電動卡車，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。基于之前提出的分析，本報告的其余部分將重點關(guān)注NMC電池。

傳動系統(tǒng)配置

電機技術(shù)概述

本文評估了兩種不同類型的電動機：異步感應(yīng)電動機（asynchronous induction motors, ASM）和永磁同步電動機（permanent magnet synchronous motors, PMSM）。兩個電機都連接到一個兩檔變速器，并且選擇合適齒輪比使得兩種電機配置可以在車輪處實現(xiàn)相同的峰值扭矩。

在ASM中，旋轉(zhuǎn)磁場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。為了感應(yīng)電動勢，轉(zhuǎn)子的磁場會跟隨定子的磁場，從而導(dǎo)致稱為“滑差”的相對運動。通常，ASM轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，與同步電機相比可以降低制造成本。然而，電機的控制卻更為復(fù)雜，需要精確控制定子磁場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。

在PMSM中，轉(zhuǎn)子的磁場依賴于永磁體，定子和轉(zhuǎn)子中的旋轉(zhuǎn)磁場同步移動，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械設(shè)計、更高的低速效率和扭矩能力。

不同傳動系統(tǒng)配置的建模

在評估這兩種電機技術(shù)時，使用兩檔變速箱對傳動系統(tǒng)進行建模，以確保1檔工況下大扭矩需求，同時在2檔巡航行駛時降低能耗（類似于VNR沃爾沃卡車（Volvo Trucks, 2020））。

同時指定了兩種不同的傳動系統(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)了每種電機技術(shù)對應(yīng)的傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)。

表 4. 傳動系統(tǒng)配置總結(jié)

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

使用Amesim針對每項技術(shù)的預(yù)校準模型進行電機損耗建模。生成的效率圖是電機速度、扭矩和電壓的函數(shù)，如圖2所示。

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

在長距離和區(qū)域交付循環(huán)內(nèi)，對每個傳動系配置的能耗性能進行評估。雖然PMSM傳動系統(tǒng)在兩個循環(huán)中均實現(xiàn)了更高的平均效率，但如表5所示，兩種傳動系統(tǒng)配置的續(xù)駛里程差異不到2%。接下來PMSM傳動系統(tǒng)配置將用于本研究的其余章節(jié)。

表5 每種傳動系統(tǒng)配置在長途和區(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)駛范圍標準化

道路-載荷技術(shù)

空氣動力學(xué)

歐洲長途應(yīng)用的ICCT評估報告中表示是，牽引車運行期間空氣阻力消耗的能量可占機械能需求的40%左右（Delgado et al., 2017）?？諝庾枇δ芰肯呐c車速的平方成正比，由于在長途運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），從實際值0.5提高到未來的0.35。預(yù)計到2030年，美國的Super Truck計劃(Delgado & Lutsey, 2014)以及歐盟的概念卡車將實現(xiàn)這些目標，后者的CD值約為0.3(Kopp, 2012; Kopp et al., 2009）。VECTO和Simcenter Amesim之間的一個重要區(qū)別是對空氣阻力的處理。VECTO使用空氣阻力區(qū)域中與速度相關(guān)的側(cè)風(fēng)修正來估計平均風(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

輪胎因滾動摩擦阻力而消耗的能量約占長距離循環(huán)所需機械能的40%（Delgado et al., 2017），與輪胎滾動阻力系數(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通過模擬標準化車輛仿真工具VECTO的方式來定義，看作車輛總質(zhì)量的函數(shù)。ICCT調(diào)研報告稱，RRC的降低率為每年2%（Norris & Escher, 2017）。RRC目前參考值為0.005，預(yù)計到2030年將減少27%，屆時將達到0.004，與標有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)量會以不同的方式影響車輛的能效和需求。對于以最大允許有效負載運行的牽引掛車，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。對于體積受限的車輛，卡車結(jié)構(gòu)的輕量化可以在需要時使用更大的電池。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，主要是通過用先進的高強度鋼和鋁/鎂替代底盤和動力總成各種部件，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)

電池電動汽車的熱管理是一個關(guān)鍵問題，因為需要消耗電池的額外能量需求，因此會對車輛續(xù)駛里程產(chǎn)生較大影響，特別是在沒有發(fā)動機來加熱卡車駕駛艙的情況下影響更為顯著。本文確定了兩個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行會增加電池阻抗，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間的增加而損失（Bandhauer et al., 2011; Kim et al., 2019）。

目前電動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）。無論采用何種冷卻和加熱技術(shù)，電池TMS都會對電動汽車的續(xù)駛里程產(chǎn)生較大影響，因為在炎熱天氣條件下，HDV對電池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，我們采用了一個集總熱模型來評估電池的溫度，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由一個用于電池冷卻的制冷電路和一個用于電池加熱的熱泵組成，利用已安裝的熱泵來滿足駕駛艙的加熱需求將在下一節(jié)中討論。設(shè)計閉環(huán)控制器使得電池溫度保持在20℃。通過參考文獻中的相關(guān)數(shù)據(jù)，將熱泵性能系數(shù)3（coefficient of performance, COP）標定為環(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模型驗證COP值。

駕駛艙熱管理系統(tǒng)

在這項研究中，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)、對流、輻射以及太陽通量的傳輸和吸收。本研究認為用熱泵為駕駛艙提供艙在冷卻和加熱等熱需求，因為它是電動汽車最有前途的技術(shù)（G?hlich et al., 2015），因為其COP較高，因此，與其他技術(shù)相比，熱泵對能耗的影響較小4。熱泵技術(shù)在HDV中的應(yīng)用正在增加，尤其是在電池電動公交車上（Solaris, 2020; Sonnekalb, 2020），預(yù)計卡車未來應(yīng)用趨勢與此一致。電池電動公交車熱管理系統(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)都是國家規(guī)定的。為此，本研究考慮20℃為駕駛艙艙目標溫度。

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 電池電動牽引車續(xù)駛里程和能耗

基于上一節(jié)中進行的車輛技術(shù)分析，本研究中開發(fā)的模型用于估計電池電動牽引車在不同車輛技術(shù)和運行條件下的續(xù)駛里程。表6總結(jié)了用于估計牽引車續(xù)駛里程的當(dāng)前和未來車輛技術(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 用于估計續(xù)駛里程的當(dāng)前和未來車輛技術(shù)總結(jié)

5. 本研究中實施了與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，包括兩個駕駛循環(huán)（長途和區(qū)域交付）、幾個有效載荷，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℃）。

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

當(dāng)前和未來技術(shù)的續(xù)駛里程和能耗估算

本文估計了當(dāng)前和未來技術(shù)在長距離和區(qū)域交付循環(huán)內(nèi)，不同電池尺寸下的牽引掛車續(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證條件一致的魯棒性估計。根據(jù)VECTO認證條件，長途和區(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當(dāng)前和未來技術(shù)在長途駕駛循環(huán)中的續(xù)駛里程估計

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

對于圖3所示的長途循環(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，整個區(qū)域交付循環(huán)的續(xù)駛里程呈現(xiàn)出相似的趨勢，與所有同樣電池尺寸的長距離循環(huán)相比，差異不到7 km。盡管區(qū)域運輸循環(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帶來的優(yōu)勢。

考慮到電池能量密度、運輸效率和道路負載技術(shù)的改善，圖3和圖4還顯示了未來牽引車-掛車技術(shù)的續(xù)駛里程估計。預(yù)計未來的技術(shù)進步將使續(xù)駛里程增加30%至35%，在兩個行駛循環(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，對于固定續(xù)駛里程需求，結(jié)果表明，上述未來技術(shù)的進步將對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電池即可使牽引車-掛車實現(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、兩個駕駛循環(huán)以及基于當(dāng)前和未來技術(shù)的電池電動牽引車-掛車的距離比能耗（單位為kWh/km）。

圖5 當(dāng)前和未來技術(shù)的能耗估算

電池質(zhì)量對有效載荷的影響分析

電動汽車續(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，是在討論電池電動牽引車-掛車的局限性時面臨的關(guān)鍵問題之一。電池電動牽引車的重量首先在沒有電池的情況下進行估算。典型的牽引車重量約為7400 kg（Delgado et al., 2017）。要減去的柴油動力系統(tǒng)部件重量估計為2200kg，其中包括柴油發(fā)動機、變速箱和傳動系（Mareev et al., 2018）。然后添加電動傳動系統(tǒng)的重量，包括電機、逆變器和齒輪箱，估計重量為650kg（Mareev et al., 2018），因此，不帶蓄電池的牽引車總重量約為5850kg。估計牽引車的輕量化潛力約為700kg，因此未來不包括電池的整車重量約為5150kg。卡車掛車的重量估計約為7400kg，輕量化潛力為1200kg，因此到2030年掛車重量將達到6200kg。這些重量減輕估計值與“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）。電池電動牽引掛車的最大有效載荷估計為車輛總重42噸，對應(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)電動牽引掛車的最大有效載荷減少了11%，這種場景足以覆蓋不需要在運行期間進行充電的70%的應(yīng)用場景，或者在白天進行45分鐘充電的95%的應(yīng)用場景（Saboori & Rodríguez, 2021）。然而，隨著未來技術(shù)的進步，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公里的電動卡車與柴油卡車相比不會有任何的有效載荷損失。

有效載荷對續(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）來分析有效載荷對牽引車-掛車續(xù)駛里程的影響，如表1所示。分析是在長途駕駛循環(huán)中進行的，結(jié)果如圖7所示。

圖7 在長距離循環(huán)中，有效載荷對牽引車-掛車續(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牽引車-掛車續(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)果對應(yīng)于當(dāng)前的車輛技術(shù)。對于未來的車輛技術(shù)也觀察到相似的趨勢。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%。

溫度對續(xù)駛里程的影響分析

電動汽車的溫度需求可能會對續(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。這里給出的分析對應(yīng)于參考有效載荷下的長途駕駛循環(huán)。

圖8繪制了與15℃環(huán)境溫度下的參考場景相比，在-7℃和35℃時車輛續(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%。這種情況下對續(xù)航里程的影響是因為電池電性能對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。對于更大尺寸的電池，電池TMS需要更多能量來將電池溫度保持在所需范圍內(nèi)，從而對行駛里程產(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，因為它們受太陽輻射、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.  對于炎熱氣候情景，本文設(shè)定太陽通量強度平均值為1000W/m2，這點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

長途卡車是歐洲公路貨運CO2排放的主要來源。盡管提高內(nèi)燃機驅(qū)動卡車的效率具有巨大的技術(shù)潛力，但它們在CO2排放方面的減少不足以以實現(xiàn)氣候目標所需的使貨運完全脫碳的速度。因此，為實現(xiàn)歐盟的短期和長期CO2減排目標，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標準要求重型車輛制造商在2025年將其車隊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年的目標將在2022年進行審查。在HDV的CO2標準最終確定時，幾乎沒有關(guān)于零排放技術(shù)的信息。因此，歐盟委員會將目前采用的標準嚴格性建立在傳統(tǒng)技術(shù)上，即柴油和天然氣車輛。從那時起，包括大多數(shù)歐洲卡車制造商在內(nèi)的幾個利益相關(guān)者已經(jīng)為公路貨運電氣化制定了明確的技術(shù)途徑。2022年對CO2標準的審查為將零排放HDV納入CO2標準嚴格性的技術(shù)經(jīng)濟評估提供了潛在機遇。

本研究對電池電動長途牽引車-掛車的相關(guān)技術(shù)進行了分析，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，并考慮了電池電動長途卡車運營商關(guān)注的幾個領(lǐng)域。我們通過詳細的車輛仿真來分析各技術(shù)潛力。電池、動力系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)都經(jīng)過建模和驗證，并用于估計車輛的能效和續(xù)駛里程，并得出以下主要結(jié)論：

• 700kWh的電池能量容量可實現(xiàn)500公里的續(xù)航里程，足以滿足絕大多數(shù)應(yīng)用場景的需求?；谏钊氲能囕v能效分析正確估計所需的電池尺寸，可以克服電動HDV的里程焦慮問題。本研究中提供的結(jié)果表明，目前對于大約1000kWh的電池容量，電池電動長途牽引車在典型使用場景下的續(xù)駛里程可能超過500公里。然而，預(yù)計電池能量密度、道路負載技術(shù)和運輸效率的改進，容量為700kWh左右的電池體積將會更小，在未來能夠?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公里的電動牽引車-掛車的有效載荷損失較小，未來可能避免有效載的荷損失。與柴油動力系統(tǒng)相比，電池電動動力系統(tǒng)可以實現(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，未來技術(shù)改進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，因為在大多數(shù)情況下，拖車在達到其有效載荷容量之前就達到了其體積容量。因此，電動牽引車-掛車的有效載荷損失并不是一個關(guān)鍵問題。

• 如果采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)，極寒和高溫對電動卡車的續(xù)駛里程影響不到9%。極端氣候條件導(dǎo)致的續(xù)駛里程減少是長距離牽引車-掛車駕駛員的另一個擔(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。

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