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來源：Digi-Key 作者：Jody Muelaner 公路貨運(yùn)是全球增長最快的能源消耗大戶，但重型卡車電氣化比乘用車電氣化面臨更大的挑戰(zhàn)。對于一名長途司機(jī)，工作一整天意味著有 8 至 12 小時(shí)都在公路上，因此可能需要行駛 950 到 1,050 公里（590 至 650 英里）才能長時(shí)間給車輛充電。如果車輛總重量達(dá)到 40 噸或以上，則需要大約 1,250 kWh 的電池容量，續(xù)航里程才能滿足一天的需求。具有這種容量的電池組可能重達(dá) 4 噸以上，大大增加了前期的車輛成本。另外，卡車行駛在偏遠(yuǎn)道路時(shí)，經(jīng)常進(jìn)入很少甚至沒有充電站的區(qū)域，這意味著有很多天無法充電。這些情況下，電池電氣化完全不可行。 
圖 1：長途卡車運(yùn)輸是運(yùn)輸業(yè)的一個(gè)領(lǐng)域，已經(jīng)為顛覆性技術(shù)帶來的效率提升做好了準(zhǔn)備。（圖片來源：Getty Images） 事實(shí)上，重型卡車的碳減排方案包括純電動(dòng)車 (BEV)、氫燃料電池電動(dòng)車 (FCEV)、電燃料車和生物燃料車。盡管過去幾十年大肆宣傳，但生物燃料在未來的交通運(yùn)輸中只扮演一個(gè)小角色，原因是： · 與糧食生產(chǎn)爭奪有限的農(nóng)業(yè)用地 · 非公路應(yīng)用和航空領(lǐng)域以及具有碳捕獲和儲存功能的生物能源對生物燃料有需求 其余針對重型卡車的方案都可視為可再生電力的能源載體。 考慮一下電力傳動(dòng)系統(tǒng)如何也能由電力道路系統(tǒng) (ERS) 來供電，該系統(tǒng)能布設(shè)在特別繁忙的路線上為車輛供電。這種 ERS 在車輛行駛時(shí)直接從當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)供電——很像電動(dòng)火車的供電方式。 混合動(dòng)力系統(tǒng)（包括內(nèi)燃機(jī)或 ICE）如果使用生物燃料或電燃料，可以實(shí)現(xiàn)碳中和。只是偶爾將 ICE 用作到達(dá)偏遠(yuǎn)地區(qū)的增程器時(shí)，甚至可以接受化石燃料，并且能源系統(tǒng)其他部分的負(fù)排放可抵消化石燃料的排放。 關(guān)于純電動(dòng)卡車的更多信息
圖 2：電動(dòng)汽車 (EV) 充電站采用 AC/DC 電源以及非隔離和隔離式 DC/DC 電源。簡單的 AC EV 充電站包括一個(gè) AC/DC 模塊（允許各種輸入電壓并保持良好的 EMC 性能和能效），以及幾個(gè) DC/DC 低功耗模塊（用于控制、顯示和通信）。更復(fù)雜的 DC EV 充電站需要 150 至 480 W 封閉式或 DIN 導(dǎo)軌式 AC/DC 主電源，以及搭載 SiC MOSFET 驅(qū)動(dòng)電源的非車載充電器。（圖片來源：Mornsun） 多年來，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為 BEV 動(dòng)力系統(tǒng)無法提供長途重型卡車所需的續(xù)航能力。然而，一些制造商現(xiàn)在正在挑戰(zhàn)這種觀點(diǎn)。例如，據(jù)稱特斯拉 Semi 每公里耗電 1.25 kWh，續(xù)航里程可達(dá) 800 公里。在強(qiáng)制午休時(shí)間進(jìn)行快速充電，這種重型卡車應(yīng)該能在一個(gè)班次內(nèi)行駛超過 1,000 公里。
圖 3：除了公路車輛，工業(yè)運(yùn)輸還包括在運(yùn)輸堆場、多式聯(lián)運(yùn)、倉庫配送中心和廢品管理設(shè)施中使用的各種終端卡車。（圖片來源：Orange EV） 雖然電池的重量是等量柴油的很多倍，但這只是片面理解。這是因?yàn)殡娏鲃?dòng)系統(tǒng)的其他部件比內(nèi)燃機(jī)和變速箱要輕得多。雖然 1,000 kWh 的電池組可能重達(dá) 4,000 kg，但其余傳動(dòng)系統(tǒng)部件（電機(jī)、逆變器和齒輪箱）可能只有 600 kg。與傳統(tǒng) 3,000 kg 柴油動(dòng)力系統(tǒng)相比，只增加了約 1,600 kg。在歐盟，零排放車輛的車輛總重限額要多 2,000 kg——這意味著 BEV 的有效載荷能力實(shí)際上比 ICE 卡車略高。隨著結(jié)構(gòu)性電池組和電池化學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步減輕重量，BEV 將變得更有競爭力。 乘用車采用 BEV 的一個(gè)主要障礙是電池組的資本成本很高。普通的汽車消費(fèi)者每天最多只開車一兩個(gè)小時(shí)。這樣的使用情況使得投資回報(bào)周期特別長。相比之下，一般工業(yè)運(yùn)輸車輛的極重度使用情況，使購買電池的投資回報(bào)相對較快。從經(jīng)濟(jì)上看，BEV 已經(jīng)是城市輕型運(yùn)輸車輛的最佳選擇，而且可能很快就會在許多重型商用卡車業(yè)務(wù)中突顯競爭力。 需要注意的是，鋰、鈷和鎳等關(guān)鍵金屬的短缺最終可能會限制卡車制造業(yè)向 BEV 過渡的速度。雖然目前在陸地、海底和海水中都有大量未開發(fā)的儲量，但新的開采和提煉業(yè)務(wù)需要很多年才能投產(chǎn)。事實(shí)上，從最初投資起算，一個(gè)新礦投產(chǎn)可能需要 10 到 20 年。目前的投資都是基于當(dāng)前和近期的需求，這并不允許交通運(yùn)輸應(yīng)用的全面和快速電氣化。 氫燃料電池電動(dòng)車 氫氣通常被視為電氣化卡車的理想能量儲備。它很輕，含量豐富，而且氧化后只產(chǎn)生水。氫氣的比能量為 33 kWh/kg，是每公斤柴油儲能的 3 倍。然而，它的密度也非常低，所以必須在非常高的壓力下儲存，或在低溫下液化和儲存。這意味著，裝滿氫氣的儲罐的實(shí)際尺寸和重量要比同等的柴油油箱大得多。
圖 4：這是一個(gè) IV 型復(fù)合材料包覆的氫氣壓力容器。（圖片來源：Jody Muelaner） 例如，豐田 Mirai 是一款房車，將 5 kg 的氫氣壓縮到 700 bar，儲存在重 83 kg 的復(fù)合罐中。儲罐的實(shí)際比能量為 1.89 kWh/kg，遠(yuǎn)低于柴油，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電池組的 0.25 kWh/kg。然而，考慮到燃料電池、輔助電池和其他動(dòng)力系統(tǒng)部件的額外重量，氫氣車輛的續(xù)航能力和重量與電池供電的電動(dòng)汽車相似——但在運(yùn)營成本上要高很多。這就是為什么汽車行業(yè)現(xiàn)在普遍致力于打造 BEV 乘用車，而很少有生產(chǎn)商仍在積極開發(fā)氫氣公路車輛。
圖 5：PGS1000 系列 MEMS 熱導(dǎo)式氫氣傳感器幫助氫動(dòng)力系統(tǒng)保持安全運(yùn)行。這種氫氣傳感器包括差分配置的雙熱導(dǎo)模。通過持續(xù)監(jiān)測熱導(dǎo)率變化來檢測氫氣濃度。（圖片來源：Posifa Technologies） 對于大型車輛來說，氫氣仍有一定的潛力成為動(dòng)力源。隨著壓力容器尺寸的增加，體積按三次冪增加，而表面積按二次冪增加。對于相當(dāng)于 1,000 kWh 的電池組，需要大約 60 kg 的氫氣，加壓后約占 1.50 m3。使用圓柱形儲罐，比能量增加到約 4 kWh/kg，使用球形儲罐，比能量可能超過 7 kWh/kg。 用氫氣儲能的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于用電池儲能。車輛通常使用質(zhì)子交換膜燃料電池將氫氣轉(zhuǎn)化為電能，能效為 60% 左右。然而，氫氣必須首先由電力產(chǎn)生，電解器的效率介于 50% 到 80% 之間。電解器效率越高越昂貴，而進(jìn)行調(diào)節(jié)以利用低成本剩余電力的能力越弱——因此商業(yè)運(yùn)營通常只達(dá)到這一效率范圍的低端。 氫氣壓縮和運(yùn)輸時(shí)也會產(chǎn)生巨大的能量損失。例如，加氣時(shí)需將氫氣壓縮到 70 MPa，大約消耗 3 kWh/kg——能效為 91%。雖然電力傳輸和電池充電也會耗散一些能量，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于氫氣系統(tǒng)的損失。目前，BEV 的典型“井到輪”效率約為 80%，而最好的氫燃料電池電動(dòng)車只能達(dá)到約 40% 的效率...30% 更為常見。 有人認(rèn)為，氫能源運(yùn)輸?shù)哪苄л^低并不重要，因?yàn)樯a(chǎn)氫氣消耗的是目前浪費(fèi)的剩余（或削減）電力。然而，收回電解器的資本成本要求利用率至少達(dá)到 32% 至 57%。這類似于海上風(fēng)力渦輪機(jī)的容量系數(shù)...所以事實(shí)上，經(jīng)濟(jì)的氫氣生產(chǎn)需要專門發(fā)電。 目前每年生產(chǎn)的 7,000 萬噸純氫幾乎全部用于制造硝酸鹽肥料，沒有這些肥料，就無法養(yǎng)活全球 80 億人。幾乎所有這些氫氣都來自于化石碳?xì)浠衔铮ㄌ烊粴�、煤和石油）的蒸汽轉(zhuǎn)化，而這一過程會向大氣中釋放 CO2。只有大約 40,000 噸屬于通過電解生產(chǎn)的綠色氫氣——有悖于實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好型運(yùn)輸替代方案的目標(biāo)。 未來幾年，航運(yùn)和航空領(lǐng)域的碳減排也會消耗大量的氫氣，在這些領(lǐng)域，氫氣和氫衍生的電燃料是唯一可行的可再生發(fā)電能源載體。擴(kuò)大電解器和燃料電池的生產(chǎn)以滿足這些基本應(yīng)用的需求，可能會被證明極具挑戰(zhàn)性，并可能受到諸如鉑等關(guān)鍵材料供應(yīng)的制約。 電力道路系統(tǒng) (ERS) 當(dāng)車輛行駛在設(shè)有專用設(shè)備的公路車道上時(shí)，電力道路系統(tǒng)或 ERS 可直接從當(dāng)?shù)仉娏υO(shè)施為電池充電。車輛電池充電可以采用 3 種不同的方式： · 通過埋在路面下的線圈進(jìn)行無線傳輸——采用的技術(shù)不同于傳統(tǒng)電子設(shè)計(jì)的技術(shù) · 通過與路面上的導(dǎo)電軌道直接機(jī)械接觸——類似于自動(dòng)倉庫中用于為自動(dòng)導(dǎo)引車 (AGV) 充電的軌道 · 通過架空電纜，車頂上的接觸器與電纜進(jìn)行直接的機(jī)械接觸 用于重型卡車的最成熟技術(shù)是使用懸掛在稱為“接觸網(wǎng)”的掛架上的架空電纜，并搭配卡車頂上的受電弓系統(tǒng)。這與鐵路和有軌電車電氣化非常相似，可使用已成熟的安裝和部件制造供應(yīng)鏈。自 2016 年以來，西門子 eHighway 系統(tǒng)一直在瑞典一段 2 公里長的高速公路上運(yùn)行，并在德國眾多更長的公共高速公路上運(yùn)行，德國政府計(jì)劃在 2023 年前覆蓋 200 公里，2030 年前覆蓋 4,000 公里。
圖 6：ERS 的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它們只需要安裝在某些路段上...無需鋪滿系統(tǒng)中的每條公路。（圖片來源：Siemens Mobility）
圖 7：Continental 的工程師正在與 Siemens Mobility 合作，研究動(dòng)態(tài)充電的受電弓設(shè)計(jì)——換句話說，在商用卡車行駛過程中，由架空線提供電力，為其電池充電。（圖片來源：Continental AG） 在幾個(gè)歐洲國家的研究發(fā)現(xiàn)，這是最具成本效益的公路運(yùn)輸碳減排方式。例如在英國，第一階段 ERS 安裝耗資 56 億英鎊，可以在兩年內(nèi)實(shí)現(xiàn) 3,261 公里電氣化。車輛運(yùn)營商將在 18 個(gè)月內(nèi)收回對受電弓電動(dòng)車的投資，而電氣化基礎(chǔ)設(shè)施將在 15 年內(nèi)通過電力銷售收回投資。ERS 將使電池容量減少約 80%，為遠(yuǎn)離 ERS 網(wǎng)絡(luò)行駛保留 200 公里的續(xù)航。沒有長電池續(xù)航里程的混合動(dòng)力車輛也可以通過主要在 ERS 網(wǎng)絡(luò)上行駛來實(shí)現(xiàn)非常低的排放。減少電池需求將大幅降低電氣化的資本成本以及關(guān)鍵金屬制約的影響。 普華永道的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，ERS 的成本比氫能源系統(tǒng)要高，但卻錯(cuò)誤地假設(shè)所有接觸網(wǎng)卡車都采用小型電池（所以不適合長距離接觸網(wǎng)使用）。這種限制將在 ERS 網(wǎng)絡(luò)廣泛普及之前阻礙其采用——并預(yù)測接觸網(wǎng)的使用率只有新的快速充電和加氫基礎(chǔ)設(shè)施假設(shè)使用率的 1/3。然而，第一批 ERS 技術(shù)（包括西門子和 Scania 的技術(shù)）是基于混合動(dòng)力卡車的設(shè)計(jì)——而且計(jì)劃只有在 ERS 網(wǎng)絡(luò)完善后才會轉(zhuǎn)向純電動(dòng)卡車設(shè)計(jì)�；谡_假設(shè)的研究表明，設(shè)有新型 ERS 的繁忙交通走廊將實(shí)現(xiàn)高使用率。為德國政府進(jìn)行的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，到 2030 年，德國 4,000 公里的 ERS 網(wǎng)絡(luò)可以為 85% 的新式重型卡車提供服務(wù)。 總結(jié) 雖然純電動(dòng)卡車和氫氣卡車受到很多關(guān)注，但對于大部分商業(yè)公路貨運(yùn)交通來說，電力道路系統(tǒng)或 ERS 可能是更好的解決方案。ERS 是一種技術(shù)上成熟且具有成本效益的方案，它避免了嚴(yán)重依賴電池或燃料電池的設(shè)計(jì)所存在的供應(yīng)鏈問題和關(guān)鍵金屬制約。實(shí)施特定 ERS 面臨的主要挑戰(zhàn)是，在運(yùn)輸市場有機(jī)會證明可行之前，ERS 需要大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施投資——所以很可能需要激勵(lì)措施或政府直接投資。 在優(yōu)化的基礎(chǔ)設(shè)施中，BEV 卡車可以補(bǔ)充 ERS，以實(shí)現(xiàn)本地運(yùn)送以及經(jīng)過不常用道路的超長途運(yùn)送。本文認(rèn)為，具有某種形式化學(xué)儲能的卡車將在可預(yù)見的未來成為主要選擇——無論是采取 FCEV 的形式，還是使用電燃料或生物燃料的混合卡車。 如果全球社會認(rèn)真對待碳減排問題，現(xiàn)有的氫氣產(chǎn)業(yè)必須碳減排。氫氣適用于沒有其他可行替代方案的應(yīng)用。在交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域開辟出新市場之前，這些領(lǐng)域有能效更高的替代方案，如電池電氣化和電力道路系統(tǒng)。這些觀點(diǎn)也同樣適用于在重型卡車中使用電燃料——但有時(shí)會在增程器中有限地使用，并結(jié)合 ERS 來解決車輛的大部分能源消耗。 |
