美國能源部（DOE）發(fā)布燃料電池長途卡車技術(shù)發(fā)展路線圖（三）

　　電動動力總成系統(tǒng)逐漸成為先進卡車技術(shù)產(chǎn)品組合的重要組成部分，美國能源部（DOE）正在為氫燃料電池卡車和動力電池卡車設定詳細的技術(shù)目標。

　　2019年12月12日，美國能源部燃料電池8級卡車發(fā)展目標獲得批準。

　　美國能源部提出的最新目標是2030年燃料電池系統(tǒng)壽命、成本和峰值效率要分別達到25,000小時、80美元/千瓦以及68%。

　　以下為技術(shù)目標的具體內(nèi)容，氫智會分六次進行推送，今天為第三篇。

　　4、目標原理

　　4.2 充氫速率

　　由于長途卡車用例要求續(xù)航里程最多、負載最大，因而需要最多的燃料和最高的填充率。作為參考，柴油卡車的裝填速度超過了60加侖/分鐘（同時使用兩條軟管），卡車的兩側(cè)可各有一個儲油量為150加侖的油箱。加油5分鐘后，傳統(tǒng)柴油卡車有300加侖的柴油，可行駛1,800英里以上。盡管這些車輛續(xù)航時間可能長達數(shù)天，但對于加油相對較快的長途用例，我們假定每天加一次油的最大頻率是可以接受的。對于其他用例，由于距離較短或每天使用范圍較少，因此對加油速率的要求可能較低，或者較高頻率的加油可能導致每次加油少。

　　對柴油卡車而言，燃料存儲和加注相對便宜，但對于氫燃料卡車來說，則要貴得多。除了較高的壓縮機成本外，為解決較高填充率時壓縮熱增加的問題，還可能產(chǎn)生額外的預冷卻成本。因此，限制氫氣的填充速度很重要，也因此限制了車輛的行駛范圍，以匹配實際需要的范圍（即最大每日范圍），從而使得車載氫氣存儲和加注的成本盡可能低，同時能滿足必要要求。

　　加氫時間、車輛行駛里程和燃料經(jīng)濟性（車載可用氫氣取決于車輛行駛里程和燃料經(jīng)濟性）決定氫氣填充率。DOE燃料電池卡車動力總成研討會上的意見明確了加氫時間要求。加氫所花費的時間會影響加氫站操作員和卡車/車隊操作員的經(jīng)濟效益，應將其最小化，以便為每個操作員提供有利的商業(yè)案例。要強調(diào)的是，路上的時間對運輸而言至關(guān)重要，應將加氫時間控制在十分之一小時（以6分鐘為增量）內(nèi)。卡車司機在 6分鐘的加氫時間內(nèi)可完成所有任務（即等待可用的泵、加氫、付款、使用洗手間等），并在15-18分鐘內(nèi)返回道路，對加氫站運營商來說還保證了高客戶流動率。假設8級卡車的燃料經(jīng)濟性為12.4 mpkg（下面的假設部分將討論），則達到750英里的行駛距離約需要60 公斤H2。因此，要達到750英里的行駛范圍（6分鐘內(nèi)充滿60公斤H2），需要完成充氫速率10 公斤/ 分鐘的遠期目標。

　　雖然6分鐘的遠期充氫速率目標保證了快速加氫，能滿足長途卡車的燃料量需求，但使用泵需要額外的時間，更高的壓縮量和更強的冷卻會帶來額外的成本，這些方面尚未完全平衡。因此，氫氣填充速率的中期目標將加氫時間放寬至10分鐘。10分鐘的加氫時間雖然比現(xiàn)在的慢，但一些開發(fā)人員認為這個目標還過得去。假設燃料經(jīng)濟性的中期目標為11 mpkg，那么現(xiàn)有充氫速率目標8 公斤/ 分鐘足以在10分鐘內(nèi)加完跑750英里的氫。

　　當燃料經(jīng)濟性高于12.4 mpkg時，可以降低油箱容量，同時仍能保證750英里的續(xù)航里程，或者可以增加車輛續(xù)航里程。應當指出的是，這些計算并未考慮對氫動力貨運制冷系統(tǒng)的氫需求。

　　4.3 時間充裕

　　美國能源部燃料電池卡車動力總成研討會的一場分會討論了“時間充裕”。時間充裕指的是有充足的時間為車輛加氫，比如夜間的7-10個小時內(nèi)，或者長達16個小時的單班運行時間。因為處理量較低的加氫站設施無需技術(shù)進步，所以美國能源部放棄制定時間充裕的技術(shù)目標。與加油技術(shù)一樣，加氫也需要標準協(xié)議，以確保車載儲氫系統(tǒng)和加氫站設施的兼容性。

　　4.4 儲氫系統(tǒng)循環(huán)壽命

　　8級卡車的儲氫罐循環(huán)壽命目標僅用于指導早期研發(fā)，而非為了認證。這些目標與技術(shù)無關(guān)，旨在適用于低壓或低溫狀態(tài)以及高壓或不同環(huán)境溫度的情況。此外，這些目標并不等同于耐久性測試周期，后者需要更多的周期才能確保安全性能。例如，涉及壓力和溫度條件管理的關(guān)鍵設備（如氣瓶，安全閥等）的安全性要求其耐久性壽命高于美國能源部儲氫罐循環(huán)壽命目標，在適用規(guī)范和標準（即 SAE J2579和《聯(lián)合國全球技術(shù)規(guī)范》中有規(guī)定 —請參閱下面的“加壓儲氫系統(tǒng)循環(huán)壽命目標”部分。

　　運行周期數(shù)=車輛的設計壽命里程÷再次加氫之前車輛的有效續(xù)航里程?？蛻粝Ｍ剂舷到y(tǒng)能延長車輛的使用壽命（即1,200,000英里）。假設儲氫量為四分之一的儲氫罐加滿氫（即560英里）為一個周期，則需要約2140個加氫周期（即1,200,000 / 560英里）才能完成所需的車輛壽命。對于超出預期壽命或加氫更頻繁的車輛，乘以約2倍的系數(shù)得到5,000個周期的遠期目標。

　　4.5 加壓儲氫系統(tǒng)循環(huán)壽命

　　此目標專為加壓儲氫罐所需的認證而設定。為了滿足必要的耐久性測試周期，加壓儲氫罐必須符合適用的規(guī)范和標準（即SAE J2579和《聯(lián)合國全球技術(shù)規(guī)范》）。這些規(guī)范包含了很多加壓儲氫罐周期要求所特有的細節(jié)信息，從而確保加壓罐的安全運行。

　　4.6 儲氫系統(tǒng)成本

　　8級長途卡車的儲氫成本目標與技術(shù)無關(guān)，而是根據(jù)現(xiàn)有的輕型車輛每使用一公斤氫氣的情況制定的。這些目標基于較低的預期制造速度（4-8級卡車年產(chǎn)量100,000輛相較于輕型車輛年產(chǎn)量500,000輛），由于包裝方面的限制，每輛中型卡車和重型卡車很可能需要多個儲氫罐，而確保輕型車輛的產(chǎn)量可實現(xiàn)必要的規(guī)模經(jīng)濟。適配卡車的多個儲氫罐可能需要額外的配套設備（如閥門、調(diào)節(jié)器、管道、安裝支架等），但這筆額外的費用可由多個大儲氫罐均攤，因此單位質(zhì)量的成本下降了（相較于輕型車輛常用的小儲氫罐）。應當注意，美國能源部仍在進行附加分析以便進一步審核這些成本目標，在收集到更多信息后可能會更新成本目標。

　?。?）假設

　　在制定8級拖掛卡車和4–8級職業(yè)卡車的目標時，我們根據(jù)業(yè)界意見假設了車輛壽命、車輛續(xù)航里程和燃料經(jīng)濟性。

　　1.1 車輛壽命

表5 氫卡車車輛壽命現(xiàn)狀估算、中期及遠期壽命目標假設

　　由于缺少燃料電池卡車的耐用性數(shù)據(jù)，因此展示了燃料電池巴士的實際運行現(xiàn)狀。巴士中的燃料電池發(fā)電設備已超過25,000小時的目標，不過，這些發(fā)電設備尚未達到成本目標。必須同時滿足成本目標和耐用性目標，同時還要達到可接受的報廢性能和報廢效率。

　　為了確定氫卡車的目標，視車輛壽命為車輛的全使用壽命。

　　車輛壽命假設允許一個前提：車輛按現(xiàn)有技術(shù)級別運行（即柴油卡車）。美國能源部燃料電池卡車動力總成研討會的意見反饋表明，8級拖掛卡車應達到10年壽命和1,000,000英里的使用壽命。通常這些卡車一半的壽命用于長途運行，由于磨損導致可靠性降低，因而卡車更多用于地區(qū)性運輸。與業(yè)界進一步討論后得出，使用壽命里程將增加到1,200,000英里，甚至可能更高。

　　現(xiàn)有的公交車示范中的燃料電池已運行超過30,000小時，讓人有理由相信燃料電池對于卡車應用而言足夠耐用。假設現(xiàn)有耐用性可在10年內(nèi)轉(zhuǎn)移到卡車應用中，則將中期目標設定為1,000,000英里，相當于柴油卡車的現(xiàn)有耐用性。終極目標設定為1,200,000英里，以適應更高耐用性的發(fā)展趨勢。

　　1.2 燃料經(jīng)濟性

表6 燃料經(jīng)濟性現(xiàn)狀估算，中期及遠期目標假設

　　注釋：1、基于阿貢國家實驗室Autonomie2020保守模擬的燃料電池卡車在EPA 55駕駛循環(huán)中的狀況，卡車載荷為36,000磅。阿貢模型與“低耗運行”、“年度車隊燃料研究”和Navistar報告一致。

　　2、將氫動力卡車與市場上可買到且成本效益高的先進柴油車（即近期型號的卡車）相對比。全國公路卡車的平均燃油經(jīng)濟性為6.4 mpgd。

　　3、請參閱5.3部分。

　　燃料經(jīng)濟性假設用于確定充氫速率目標和簡單擁有成本計算，而簡單擁有成本計算支撐儲氫系統(tǒng)成本目標和燃料電池系統(tǒng)成本目標。通過查看近期測試報告、車隊報告和示范運行報告的真實數(shù)據(jù)確定基準燃料經(jīng)濟性。氫燃料卡車的中期和遠期（2030年和2050年）燃料經(jīng)濟性假設是通過以下方法確定并驗證的：

　?。?）假設這些方面改善：

　　柴油車和燃料電池車的空氣動力學、滾動阻力、輔助載荷和輕量化；

　　柴油發(fā)動機和廢熱回收系統(tǒng)的效率；

　　燃料電池和電動機效率。

　　（2）對高級卡車進行建模（使用阿貢國家實驗室的車輛模擬工具Autonomie），以達到與現(xiàn)有車輛相同的加速度、續(xù)航、爬坡速度以及車輛行駛范圍要求的目標。

　?。?）在EPA 55循環(huán)上模擬載荷36,000磅的先進車輛（使用Autonomie）。

　　（4）審查根據(jù)模擬得出的驅(qū)動循環(huán)動力總成效率。

　　（5）審查通過先進的柴油技術(shù)實現(xiàn)的燃料經(jīng)濟性改善。

　　（6）比較根據(jù)動力總成驅(qū)動循環(huán)效率估算的燃料經(jīng)濟性與Autonomie仿真結(jié)果進行比。

　　（7）比較穩(wěn)態(tài)、EPA 55和65 mph循環(huán)時的基準卡車模型，車輛總重量為50-66 千磅：

　　北美貨運效率協(xié)會 (NACFE) 2017低耗運行(ROL)；

　　北美貨運效率協(xié)會(NACFE) 2018年度車用燃料研究（AFFS）；

　　2017納威司達公司就2018國際輕卡燃料效率測試的報告（納威司達報告）。

　　預測技術(shù)進步時，柴油車和燃料電池車的空氣阻力、滾動阻力、配件效率和動力傳動系統(tǒng)效率的預期改進同樣適用于這兩種類型的卡車。