美國能源部（DOE）發(fā)布燃料電池長途卡車技術發(fā)展路線圖（四）

　　電動動力總成系統(tǒng)逐漸成為先進卡車技術產(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%。

　　以下為技術目標的具體內容，氫智會分六次進行推送，今天為第四篇。

　　5.3柴油卡車基準燃油經(jīng)濟性

　　10.0mpgd被認為是8級商業(yè)柴油卡車最新最先進的燃料經(jīng)濟性數(shù)值，這一數(shù)值源于“北美貨運效率協(xié)會 (NACFE)2018年度車用燃料研究”中提供的真實數(shù)據(jù)，20個車隊的2018年款卡車的燃料經(jīng)濟性為7.5mpgd-9.5mpgd。“北美貨運效率協(xié)會 (NACFE)2017低耗運行”顯示，七輛車的平均燃料經(jīng)濟性為10.1mpgd。納威司達公司報告顯示，領先車輛的平均燃料經(jīng)濟性為7.8mpgd。

　　“年度車用燃料研究”對20個車隊進行了研究，并明確了2018年款卡車在實際的區(qū)域運行和長途運行中的燃料經(jīng)濟性，但未提供駕駛周期和載荷的信息。納威司達公司的報告包含了四種不同的卡車型號（共六輛卡車），車速未知，這六輛車的運行路線約1200英尺。最近北美貨運效率協(xié)會的低耗運行28示范項目中的

　　7輛卡車17天內運行超過50,000英里，在實際條件和天氣變化的情況下完成，實現(xiàn)了8級柴油卡車平均10.1mpgd的上路燃料效率，如圖5所示。低耗運行示范項目用的車輛是當前市場上買得到的新型卡車。如果車隊在采購時不追求技術，那就不可能提高燃油經(jīng)濟性。低耗運行項目報告了載荷與速度、相對平坦的路線、由于氣候溫和很少用空調系統(tǒng)，有風暴時的風速，但不包括典型的駕駛員行為，該項目為實現(xiàn)最高的燃油經(jīng)濟性配了專業(yè)級駕駛員。

　　圖5.比較“北美貨運協(xié)會年度車用燃料研究”中的每加侖燃料平均所行的英里數(shù)與美國能源部的超級卡車和低耗運行項目的卡車的燃料效率

　　車速，風速，交通，坡度，氣候，輪胎，路面，載荷，?？看螖?shù)以及行駛路線的整體動力學等都會影響實際的燃料經(jīng)濟性。阿貢國家實驗室的分析表明，這三份報告中的燃料經(jīng)濟性差異可以通過圖6中的有效載荷和行駛周期來解釋。阿貢國家實驗室使用能源部超級卡車技術項目示范的空氣動力學、輪胎和配件方面改進的參數(shù)，對最佳的商用車輛進行了表征（請參閱表7）。在模型中改變有效載荷和行駛周期，可以再現(xiàn)“低耗運行項目”、“年度車用燃料研究”和納威司達報告中出現(xiàn)的結果范圍，根據(jù)可用數(shù)據(jù)驗證模型。

　　8級卡車運輸測算使用的Autonomie模型的數(shù)據(jù)來自國家實驗室和其他政府機構（例如美國環(huán)保署和美國高速公路安全管理局）獲得的部件測試數(shù)據(jù)。行業(yè)專家和美國能源部可持續(xù)交通技術經(jīng)理審查了2017年實現(xiàn)的技術改良假設及近期的預期改進。

　　為了分析這個模型與實際駕駛條件的區(qū)別，研究了兩個測試案例。第一個是由北美貨運效率協(xié)會開展的“低耗運行”計劃，第二個是由納威司達公司做的測試。兩個項目的測試均涉及了多家制造商的卡車，因此假設它們的平均燃料經(jīng)濟性是現(xiàn)代卡車的良好指標是合理的。

　　納威司達公司在加拿大測試了限速為100千米/小時（62.5英里/小時）的車輛。我們期望EPA65循環(huán)代表這種操作。與EPA65相比，加拿大的較低速度限制可能會導致mpgd略高。“低耗運行”計劃中的部分卡車平均速度為54英里/小時，正在努力實現(xiàn)更好的燃料經(jīng)濟性。每小時55英里的穩(wěn)定行駛足以代表“低耗運行”的測試案例。

　　圖6的最左側和最右側是“低耗運行”項目和納威司達公司測試得出的平均燃油經(jīng)濟性。這些結果體現(xiàn)了不同周期下不同容重的模擬結果。可以看出，對于55千磅的容重測試，55英里/小時穩(wěn)定行駛的結果與“低耗運行”項目的結果非常接近（模擬的10.3mpgd與“低耗運行”項目10.1的示范平均值）。同樣，重達66千磅的納威司達卡車的測試結果，非常接近EPA65的循環(huán)結果（7.8mpgd）。

　　圖6. 阿貢國家實驗室的2017模型卡車在不同負載和行駛周期下的性能與最近的“低耗運行”和納威司達示范項目的車輛性能對比

　　“低耗運行項目”數(shù)據(jù)過濾后可用來分析常速運行的高負載卡車，高負載利于整體貨運效率。車輛貨物重量為36,000磅，以確保不同車輛之間的公平比較?？傊亓拷咏?6千磅的“低耗運行”卡車在平均速度下表現(xiàn)出平均9.3-10.8mpgd的燃料經(jīng)濟性。不出所料，低速運行帶來更高的mpgd。

　　圖7：2017年“低耗運行“項目的卡車”，行駛時速50英里/小時，有效載荷接近66,000磅。每種顏色代表一輛特定的卡車。標簽上標明了燃料經(jīng)濟性（mpgd）和貨運效率（噸英里/加侖）。

　　阿貢國家實驗室模擬了載荷為66000磅的卡車在EPA55行駛周期下、穩(wěn)定時速55英里/小時的運行，從而得出了9mpgd和10.3mpgd。EPA55管制周期擁有觀察到的這些車輛的平均速度，并且EPA55中的坡度范圍有望代表美國的卡車路線。在可比速度和總重量下，“低耗運行”示范卡車的平均值10.2mpgd下降，下降結果介于EPA55和穩(wěn)態(tài)速度仿真結果之間。

　　盡管阿貢國家實驗室的示范車輛在平均性能方面接近于“低耗運行”項目所示范的（時速為54英里/小時時為10.1mpgd，載荷55千磅），但仍選擇“10.0mpgd”作為狀態(tài)，因為“低耗運行”項目中領先的卡車始終能在55英里/小時以上的行駛速度下超過10.0mpgd，同時車輛總重量為65-66千磅。自2017年“低耗運行”計劃開展示范以來，所有的8級卡車都有可能隨著技術進步達到或超過這一水平。

　　展望未來，以符合目標的方式評估技術進步將非常重要?；鶞蔄utonomie模型假定牽引車和空掛車的重量約為30,000磅，貨物負載為36,000磅，模擬時的總重量為66,000磅。由于目標是使用EPA55行駛周期設定的，而長途卡車的目標是運輸貨物，因此可以合理地評估具有可控貨物質量的技術。雖然36,000磅并非最大負載，但它允許在動力總成中進行比較，其中可能包括重量更大的零部件。同樣，許多卡車在達到最大限制總重量之前就達到了體積限制。燃料經(jīng)濟性狀態(tài)應在相同或相當?shù)男旭傊芷谙?，按相同?6,000磅貨物質量進行測量。更輕的部件有利于燃料經(jīng)濟性，并增加車輛的最大有效載荷和最大貨運效率。在負載36,000磅時可以測得8級卡車的貨運效率、在最大總重量時車輛可達到最高貨運效率（假設燃料效率不會隨最大載重量下降）。

　　5.4技術進步

　　通過模擬載貨量為36,000磅的長途臥鋪卡車在監(jiān)管周期中來確定中期的燃料經(jīng)濟性和遠期的燃料經(jīng)濟性。下表7列出了用于預測燃料經(jīng)濟性（中期和遠期）進展情況的車輛和動力總成假設。這包括保守（低）和大膽（高）的技術進步范圍。美國能源部車輛技術辦公室通過廢熱回收，為“超級卡車II”項目的柴油發(fā)動機設定了55％的熱效率目標，并考慮到2050年將59％的柴油發(fā)動機（包括廢熱回收）考慮在內。預計當前的柴油機將利用廢熱回收系統(tǒng)來達到假設的峰值柴油效率。燃料電池目前可實現(xiàn)64％以上的峰值效率（高速公路速度下效率為60％），并且到2050年，燃料電池的效率可達到72％。目前小批量商業(yè)生產(chǎn)的汽車燃料電池系統(tǒng)可達到63.7％的峰值效率。

表7 8級卡車的燃料經(jīng)濟性假設摘要