焦点热文：电池电动牵引车-挂车：车辆技术分析

编者按：随着重型商用车保有量的增加，其日益严重的能耗与排放问题给全球的能源和环境带来巨大压，目前，各国对于温室气体排放限制标准的日益严格，也出现了一系列牵引车-挂车能效优化技术，电池电动卡车由于其零排放是未来的研究方向之一。本文针对欧盟区域的电池电动牵引车-挂车减少排放、能效提升等相关技术进行了调研，并建立详细精确的车辆模型以量化当前及未来电池技术、传动系统配置、道路-载荷技术和热管理技术对于电池电动牵引车-挂车的能效及续驶里程的影响，对于公路货运商用车电动化领域具有指导作用。

本文译自：

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

(资料图片仅供参考)

文章来源：
2021 International Council on Clean Transportation

作者：

Hussein Basma, Yannis Beys, Felipe Rodríguez.

原文链接：

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

关键词：电池电动牵引车-挂车, 能量消耗, 驾驶里程, 温度影响, 有效载荷损失

1 绪论
为了将全球平均气温升幅限制在1.5℃以内，各界广泛达成共识：有必要在2050年实现全球CO2零排放。为实现这一目标，欧盟正在积极采取措施，并将这些目标写入《欧洲气候法》(European Commission, 2020)，使其具有法律约束力。这将建立法律框架，通过采取严格措施来实现跨部门的目标。交通运输约占欧洲温室气体排放量的四分之一，但近些年来，该行业的排放量却并未像过去其他部门那样逐渐下降（Delgado & Rodríguez, 2018）。公路货运的温室气体排放几十年来一直没有得到解决，直到2019年，欧盟才通过了第一个新上市重型卡车的CO2排放标准。为了指定标准的目标值，欧盟委员会研究了传统柴油和天然气动力系统在减少CO2排放方面的潜力，并没有将零排放技术纳入其评估系统中。因此，相较于2019年，标准中设定的2025年CO2减排15%和2030年CO2减排30%的目标与欧盟委员会制定的目标或巴黎协定制定的2050年排放目标不一致（Rodríguez & Delgado, 2018）。重型卡车CO2标准将在2022年底前进行审查，届时将有更多关于卡车排放、燃油经济性、现有技术和新技术成本的可靠数据。此外，标准的范围将扩大到公共汽车和小型货车，并且会更新标准化车辆模拟工具VECTO（European Commission, 2018）。这为评估零排放重型卡车最新技术发展提供了机遇，并将其减少排CO2排放的潜力纳入2030年及以后的更为严格的目标中。在长途运输和区域运输作业中，牵引挂车的CO2排放量占道路货运的一半以上（Delgado et al., 2017），使其成为降碳的最重要部分。此外，长行距离行驶和重载荷给牵引挂车带来了额外挑战，使该部分成为最难降碳的部分。目前各界正在探索几种降碳途径，包括电池、燃料电池和道路动力电动卡车。在本论文中，我们主要研究蓄电池电动牵引挂车。本文分析解决了以下问题：1. 在典型使用场景下，电池电动牵引车能耗和续驶里程是多少？2. 在典型使用场景下，满足车辆能量需求和实现所需行驶里程的电池能量容量是多少？3. 电动动力总成对牵引车有效载荷承载能力有何影响？4. 极端天气条件下对牵引挂车的续驶里程和电池容量要求有何影响？

5. 未来十年能源消耗和续驶里程有哪些改进？

为了回答这些问题，作者进行了车辆仿真建模，并详细分析了电动技术在欧洲应用于牵引车的挑战和机遇。

本文是一系列关于零排放卡车技术经济挑战研究的一部分。其他降碳途径的分析结果，例如燃料电池电力技术，将在单独的报告中介绍。

2技术方法

2017年12月，欧盟通过了法规（EU）2017/2400，对重型卡车的CO2排放和燃油消耗进行认证。为了客观地比较车辆性能，该认证法规引入了一种标准化的车辆仿真模型VECTO，用于模拟车辆在一组明确定义的驾驶循环和有效载荷下的CO2排放量和燃油消耗量。图1和表1分别显示了适用于牵引挂车的VECTO行驶循环和用于认证的相应有效载荷。这些驾驶循环和有效载荷将用于本研究的仿真工况。

图1 长途运输和区域运输VECTO驾驶循环表1 VECTO驾驶循环中有效载荷

尽管欧盟委员会正在积极扩大驾驶循环VECTO模拟配备替代动力系统的重型卡车的能力（Rodríguez & Delgado, 2019），但电池驱动重型卡车的能耗和续驶里程仍尚未得到认证。目前制造商采用自己的方法和边界条件来估计其产品的行驶里程，这种情况与引入VECTO认证之前内燃机动力系统的燃油消耗估计一致。在这项研究中，我们使用Simcenter Amesim商业仿真工具来模拟电池电动牵引卡车的性能。Simcenter Amesim是一种多物理场仿真软件，可以对各种车辆配置进行建模。与大多数车辆仿真工具一样，Simcenter Amesim(Siemens, 2020)使用详细的组件数据来表示各子系统（例如电池、电机和能量管理系统）的行为，并使用反馈回路网络来模拟彼此之间的相互作用和环境影响。模型需要各种车辆和动力总成部件的详细性能数据。研究中使用的组件数据依赖于其与工业合作伙伴合作开发和验证的不同的组件库，尤其是电池和电动机的数据。由于本研究的预期目标是分析电池电动牵引车在类似VECTO的驾驶循环下的性能，因此这里对Simcenter Amesim中具有代表性的柴油牵引车模型进行VECTO驾驶循环下的验证。尽管Simcenter Amesim牵引车模型和VECTO驾驶循环使用同一组基于物理规则的基础模型来估算油耗，但两者间仍存在一些差异，例如驾驶员模型、空气阻力和滚动阻力系数。为了估计这些差异的影响，我们为这两种工具提供了相同的数据集输入，并使用它们来模拟具有代表性的柴油牵引车在图1所示的两个驾驶周期内的燃料消耗。两种车辆仿真工具的结果显示出良好的一致性，长途运输周期差异仅为0.9%，区域交付周期差异为2%。
3影响电池电动牵引车的驶里程和能耗的车辆技术分析

本节概述了对电池电动牵引车性能有直接影响的四个关键技术研发领域：(1)电池技术，(2)电动传动系统配置，(3)道路-负载技术，(4)热管理系统。对于每个技术领域都进行了文献调研，以获取技术现状、最新发展以及专家对未来技术改进方向和改进程度的看法。然后将这些信息用于本文的电池电动牵引车仿真模型中，以量化对续驶里程和能耗的影响。

电池技术

电池化学研究综述

毋庸置疑，关于电池电动汽车，尤其是重型汽车，所配备的最关键的部件与电池相关。锂离子（Li-ion）电池因比其他可充电电池系统具有更高的能量密度而成为电动汽车的首选。在货运车辆中，电池的能量密度是最重要的参数之一，因为它直接影响车辆在给定距离内可以运输的最大有效载荷和容量。此外，还有其他一些关键参数，例如电池耐久性等，在电池选择中同样起着重要作用。这种特性取决于阴极和阳极材料、电解液、隔膜、电池的大小和形状以及制造工艺等。尽管如此，锂离子电池阴极的化学性质仍然是实现高能量密度和耐久性最关键的设计参数。下面将讨论三种最重要的锂离子阴极化学特性。锂镍锰钴氧化物（Lithium nickel manganese cobalt oxide, NMC）是最流行的锂离子阴极化学材料，这种电池技术占全球电动汽车销量的28%以上，预计到2027年其市场份额将增长到63%（Boukhalfa & Ravichandran, 2020）。NMC电池的性能取决于镍、锰和钴氧化物的相对比例。通常，NMC电池使用等量的镍、锰和钴（NMC-111）。使用富镍阴极（例如NMC-532、NMC-622、NMC-811）可提高电池的能量密度，并减少高成本钴的含量，然而，它会对电池寿命产生负面影响（Julien & Mauger，2020）。尽管由NMC阴极和石墨阳极组成的电池能量密度可达350 Wh/kg，但目前的NMC电池的能量密度约为250 Wh/kg，预计在未来几年将提高到300 Wh/kg（Ding et al., 2019）。尽管如此，对阳极的改进（如添加硅或使用锂金属，以及使用固态电解质）可以显著提高电池的能量密度，甚至可能高于400 Wh/kg的大门（Lu et al., 2019）。电池的循环寿命以整个生命周期的能量吞吐量来衡量，直到达到原始充电容量的80%，这很大程度上取决于几个条件，包括充电和放电速率、放电深度和温度。NMC电池具有良好的循环寿命性能（Miao et al., 2019），能够在80%的充电容量保持率下循环超过2000次（Preger et al., 2020）。大多数电动重型汽车制造商，包括戴姆勒（Mercedes-Benz, 2020）、MAN（MAN Truck & Bus, 2020）、沃尔沃（Volvo Trucks, 2019）、雷诺（Renault Trucks, 2020）和E-Force（E-Force AG, 2019）在其产品组合中的某些车辆中使用NMC电池。NMC 电池的成本取决于电池组成，主要是高成本的钴材料。Wentker et al. (2019)的报告指出：NMC电池成本在70美元/kWh和90美元/kWh之间，取决于其材料具体成分。另一种富含镍的锂离子正极化学物质是镍钴铝酸锂（nickel cobalt aluminum oxide, NCA），尽管与NMC相比成本偏高，但其在能量密度和耐用性方面与NMC电池有相似之处。包含NCA化学成分的电池的典型能量密度高于200 Wh/kg，与NMC电池一样，预计未来几年将达到300 Wh/kg（Ding et al., 2019）。迄今为止，特斯拉是唯一一家在其电池中使用NCA材料的汽车制造商。然而，特斯拉尚未公开是否打算为其即将推出的电动牵引车Tesla Semi电池中使用相同的化学成分，或者是否会使用NMC电池。典型NCA电池成本与NMC电池相当，为 70美元/kWh到80美元/kWh（Wentker et al., 2019）。值得一提的是，所有考虑的电池化学成分的电池组成本比均相似，为2.4-2.6。磷酸铁锂（Lithium iron phosphate, LFP）是另一种广泛用于电动汽车的锂离子阴极化学物质。与NMC和NCA化学物质相比，含有LFP化学物质的电池的能量密度较低，但循环寿命更长，超过2500次，而NCA的循环寿命约为1000-1500次，NMC电池的循环寿命约为2000次（Preger et al., 2020）。具有更高的耐用性的LFP电池的充电和放电率比NMC和NCA电池高30%（Battery University, 2021），并且由于不包含钴而具有显著的成本优势（Wentker et al., 2019）。虽然LFP电池在电池级别上具有较低的能量密度，但得益于其更不易发生热失控，因此它们集成到电池组中不需要太复杂。这反过来又将LFP电池的单元电池与电池组比率（gravimetric cell-to-pack ratio, GCTPR）提高到80%–90%，而镍基化学物质则为55%–65%（X.-G. Yang et al., 2021）。尽管电池能量密度存在限制，但LFP电池最近也取得了进展。中国电池生产商宁德时代一直在开创一种电池到电池组的制造方法，使电池组的能量密度达到160Wh/kg，并成功地将电池级的成本降低到60美元/kWh以下（Manthey, 2020）。另一家中国电池制造商国轩公司的LFP电池能量密度已达到212 Wh/kg，目标是到2022年底达到260Wh/kg（Kane, 2021）。当 GCTPR为90%时，此类电池组性能将处于镍基化学物质的范围内。VDL（Kane, 2020）和DAF（DAF, 2021）等欧洲制造商在其产品中使用了LFP电池。表2概述了可用于HDV应用的不同锂离子化学物质，并对几个关键性能指标进行了评估。

表2 可用于HDV应用的锂离子阴极化学物质一览表

不同电池化学成分的建模

为了评估电池化学成分对电池电动牵引车续驶里程的影响，本文定义了三种电池，它们在电池组级别具有相同的能量、功率和电压，但具有不同的电池化学成分：LFP、NCA和NMC-111。Simcenter Amesim中包含针对这三种电池化学成分的预校准电池模型，而这些模型又依赖于Simcenter Amesim合作伙伴收集或文献中提供的实验数据。

电池单元的性能被建模为工作条件的函数，主要是其荷电状态（state of charge, SoC）和温度。对于每种电池化学成分，模型使用测试数据来表征电池单元的开路电压、欧姆电阻和熵系数1。此外，建模还考虑了法拉第效率、滞后建模以及扩散和电荷转移损失2。

1. 开路电压是电池静止时的电压，即没有充电或放电的电压。欧姆电阻的定义取决于充电或放电电流的瞬时压降。熵系数模拟了由于温度变化和与此现象相关的热流动导致的开路电压变化。

2. 法拉第效率考虑了充电期间发生的损耗。滞后建模考虑了与充电和放电历史相关的开路电压变化。扩散和电荷转移损失反映了放电瞬态对电池电压的影响。

卡车的续驶里程也受到电池重量的影响，由电池能量密度一定，较重的车辆总是消耗更多的能量。因此，还针对最大卡车有效载荷进行了仿真，而忽略了不同电池化学成分之间电池重量差异的影响。评估的结果如表3所示，标准化为NMC电池的续驶里程，这是大多数欧洲制造商首选的电池成分。

表3 在长距离循环中使用不同电池化学成分的仿真续驶里程范围比较。结果将NMC电池的续驶里程标准化进行对比

续驶里程的仿真结果差异并不明显。使用LFP的锂离子电池比NMC电池低2%至5%，具体取决于电池组级别的能量密度。另一方面，NCA电池的续航里程略高于NMC，介于2%和3%之间。从这些数值的角度来看，对于续驶里程约为500公里的电动卡车，不同成分电池的具体续驶里程范围差异介于10公里和25公里之间。基于之前提出的分析，本报告的其余部分将重点关注NMC电池。

传动系统配置

电机技术概述

本文评估了两种不同类型的电动机：异步感应电动机（asynchronous induction motors, ASM）和永磁同步电动机（permanent magnet synchronous motors, PMSM）。两个电机都连接到一个两档变速器，并且选择合适齿轮比使得两种电机配置可以在车轮处实现相同的峰值扭矩。

在ASM中，旋转磁场由定子中的交流电产生，而交流电又通过电磁感应在转子中产生磁场。为了感应电动势，转子的磁场会跟随定子的磁场，从而导致称为“滑差”的相对运动。通常，ASM转子结构简单，与同步电机相比可以降低制造成本。然而，电机的控制却更为复杂，需要精确控制定子磁场中的可变频率以及由此产生的滑差。通常，ASM的效率略低于同步电机。

在PMSM中，转子的磁场依赖于永磁体，定子和转子中的旋转磁场同步移动，从而消除了与滑差相关的损失。然而，由于永磁体中使用了稀土金属，制造成本更高。与ASM相比，PMSM具有更高的功率密度，能够提供更紧凑的机械设计、更高的低速效率和扭矩能力。

不同传动系统配置的建模

在评估这两种电机技术时，使用两档变速箱对传动系统进行建模，以确保1档工况下大扭矩需求，同时在2档巡航行驶时降低能耗（类似于VNR沃尔沃卡车（Volvo Trucks, 2020））。

同时指定了两种不同的传动系统配置，使得卡车可以在5%的道路坡度上保持65 km/h的速度行驶。表4总结了每种电机技术对应的传动系统的关键参数。

表 4. 传动系统配置总结

根据美国环境保护署和美国交通部（U.S. EPA & U.S. DOT, 2016a）的估计，模型中变速器的动力传递效率设置为98.5%。同样的报告分析估计，未来非直联齿轮的动力传递效率将超过99.1%，直联齿轮的效率将超过99.7%。后桥的模型传动效率较低，为97%（U.S. EPA & U.S. DOT, 2016b），未来有可能提高到98%。

使用Amesim针对每项技术的预校准模型进行电机损耗建模。生成的效率图是电机速度、扭矩和电压的函数，如图2所示。

图2 两种电机在800V工作电压下的效率图（左侧为ASM，右侧为PMSM）

在长距离和区域交付循环内，对每个传动系配置的能耗性能进行评估。虽然PMSM传动系统在两个循环中均实现了更高的平均效率，但如表5所示，两种传动系统配置的续驶里程差异不到2%。接下来PMSM传动系统配置将用于本研究的其余章节。

表5 每种传动系统配置在长途和区域交付循环中的续驶里程差异。结果显示为在参考有效载荷下使用PMSM得到的续驶范围标准化

道路-载荷技术

空气动力学

欧洲长途应用的ICCT评估报告中表示是，牵引车运行期间空气阻力消耗的能量可占机械能需求的40%左右（Delgado et al., 2017）。空气阻力能量消耗与车速的平方成正比，由于在长途运输条件下车速一般较高，因此这种工况下的空气阻力尤为重要。本研究仿真了一系列牵引式挂车控制阻力系数（CD），从实际值0.5提高到未来的0.35。预计到2030年，美国的Super Truck计划(Delgado & Lutsey, 2014)以及欧盟的概念卡车将实现这些目标，后者的CD值约为0.3(Kopp, 2012; Kopp et al., 2009）。VECTO和Simcenter Amesim之间的一个重要区别是对空气阻力的处理。VECTO使用空气阻力区域中与速度相关的侧风修正来估计平均风况（Delgado et al., 2019）。而Simcenter Amesim则假设不存在侧风。为了解释这种差异，本文使用VECTO为驾驶循环和车辆的不同组合开发了侧风校正因子，并将其应用于Simcenter Amesim仿真。

轮胎

轮胎因滚动摩擦阻力而消耗的能量约占长距离循环所需机械能的40%（Delgado et al., 2017），与轮胎滚动阻力系数（rolling resistance coefficient, RRC）成正比，该系数取决于牵引车-挂车的重量和速度。本研究中使用的RRC通过模拟标准化车辆仿真工具VECTO的方式来定义，看作车辆总质量的函数。ICCT调研报告称，RRC的降低率为每年2%（Norris & Escher, 2017）。RRC目前参考值为0.005，预计到2030年将减少27%，届时将达到0.004，与标有A效率的商用轮胎一致。

车辆减重

利用轻质材料减轻车辆整备质量会以不同的方式影响车辆的能效和需求。对于以最大允许有效负载运行的牵引挂车，轻量化可以在不改变车辆总能耗的情况下增加最大允许有效载重量。对于体积受限的车辆，卡车结构的轻量化可以在需要时使用更大的电池。先前的研究表明，到2030年，车辆整备质量可以减少2吨以上，主要是通过用先进的高强度钢和铝/镁替代底盘和动力总成各种部件，以及额外使用一些复合材料（Delgado et al., 2017; Hill et al., 2015）。

热管理系统

电池电动汽车的热管理是一个关键问题，因为需要消耗电池的额外能量需求，因此会对车辆续驶里程产生较大影响，特别是在没有发动机来加热卡车驾驶舱的情况下影响更为显著。本文确定了两个主要的车载热管理系统（thermal management systems, TMS）：（1）电池热管理和（2）驾驶舱热管理。

电池热管理系统

出于性能和安全考虑，电池TMS确保电池单元的温度在一定范围内。在推荐范围之外的温度下运行会增加电池阻抗，出现不同的加速电池老化现象，导致充电容量随使用时间的增加而损失（Bandhauer et al., 2011; Kim et al., 2019）。

目前电动汽车中采用了几种电池TMS技术，以保持电池工作在最佳温度范围内，包括空气冷却、液体冷却、相变材料冷却、热管、热泵和正温度系数电阻装置（S. Yang et al., 2019）。无论采用何种冷却和加热技术，电池TMS都会对电动汽车的续驶里程产生较大影响，因为在炎热天气条件下，HDV对电池TMS的功率需求可能超过5 kW（Basma et al., 2020; Göhlich et al., 2018）。

为量化这种影响，我们采用了一个集总热模型来评估电池的温度，考虑到电池的内部热量产生和与环境的热交换。电池TMS由一个用于电池冷却的制冷电路和一个用于电池加热的热泵组成，利用已安装的热泵来满足驾驶舱的加热需求将在下一节中讨论。设计闭环控制器使得电池温度保持在20℃。通过参考文献中的相关数据，将热泵性能系数3（coefficient of performance, COP）标定为环境温度和热交换器温度的函数，用于冷却（Dinçer et al., 2017）和加热（Brodie, 2015），并使用制冷回路的详细模型验证COP值。

驾驶舱热管理系统

在这项研究中，开发了卡车车厢的热模型，考虑了卡车车厢与环境之间的不同热交换模式，包括通过舱壁的传导、对流、辐射以及太阳通量的传输和吸收。本研究认为用热泵为驾驶舱提供舱在冷却和加热等热需求，因为它是电动汽车最有前途的技术（Göhlich et al., 2015），因为其COP较高，因此，与其他技术相比，热泵对能耗的影响较小4。热泵技术在HDV中的应用正在增加，尤其是在电池电动公交车上（Solaris, 2020; Sonnekalb, 2020），预计卡车未来应用趋势与此一致。电池电动公交车热管理系统已采用热泵COP值（Basma, 2020）。采用闭环控制器，确保驾驶室温度始终在20℃左右。目前还没有国际法规规定卡车车厢的热舒适条件，大多数相关法规都是国家规定的。为此，本研究考虑20℃为驾驶舱舱目标温度。

3. 热泵性能系数是提供的可用加热或冷却能量（以能量单位计量）与系统所需的能量的比值。4. 加热COP范围为1.1（-10℃）至3.4（15℃），冷却COP范围为1.59（40℃）至2.51（25℃）
4电池电动牵引车续驶里程和能耗

基于上一节中进行的车辆技术分析，本研究中开发的模型用于估计电池电动牵引车在不同车辆技术和运行条件下的续驶里程。表6总结了用于估计牵引车续驶里程的当前和未来车辆技术的车辆规格。注意，电池重量是电池尺寸的函数，在本研究中考虑了从300kWh到1000kWh的几种电池尺寸。

表6 用于估计续驶里程的当前和未来车辆技术总结

5. 本研究中实施了与VECTO一致的侧风修正。这使循环中的有效阻力系数增加了15%到25%，具体取决于驾驶循环和车辆。

此外，还考虑了几种操作条件，包括两个驾驶循环（长途和区域交付）、几个有效载荷，以及代表不同欧盟气候区域和季节的三种不同环境温度（-7℃、15℃和35℃）。

在估计续驶里程时要考虑的一个重要参数是在测试或仿真开始时电池的初始荷电状态（SoC）。测试期间的电池SoC会影响电池的内阻和电压压降，可能会导致欧姆损失增加，从而影响估计的续驶里程，尤其是在接近最小SoC的情况下。为此，使用两个不同的初始SoC进行仿真：最大值95%和较低值，以便仿真结束时SoC达到最小允许SoC，即15%。然后将续驶里程估计为这两次仿真的平均值。

当前和未来技术的续驶里程和能耗估算

本文估计了当前和未来技术在长距离和区域交付循环内，不同电池尺寸下的牵引挂车续驶里程和能耗。图3和图4所示的结果提供了与欧盟官方认证条件一致的鲁棒性估计。根据VECTO认证条件，长途和区域交付循环的参考有效载荷分别设置为19300 kg和12900 kg（见表1），环境温度设置为15℃。

图3 使用参考有效载荷对当前和未来技术在长途驾驶循环中的续驶里程估计

图4 使用参考有效载荷在区域交付驾驶循环内对当前和未来技术的续驶里程估计

对于图3所示的长途循环，随着电池容量从300 kWh增加到1000 kWh，当前牵引车-挂车技术的续驶里程在174km到537km之间。由于较大的蓄电池会增加牵引车-挂车的重量，从而导致额外的能耗，因此，随着蓄电池容量的增加，不是里程不是线性增加的。此外，冷却或加热要求也是电池尺寸的函数。如图4所示，整个区域交付循环的续驶里程呈现出相似的趋势，与所有同样电池尺寸的长距离循环相比，差异不到7 km。尽管区域运输循环具有较高的瞬态性质，但该结果得益于参考有效载荷较低以及再生制动带来的优势。

考虑到电池能量密度、运输效率和道路负载技术的改善，图3和图4还显示了未来牵引车-挂车技术的续驶里程估计。预计未来的技术进步将使续驶里程增加30%至35%，在两个行驶循环中，1000kWh电池的行驶里程将超过700公里。如图5所示，这种改进主要是由于底盘组件质量较轻，电池能量密度增加一倍，使得牵引车-挂车总重质量减少，从而大幅降低卡车能耗。因此，对于固定续驶里程需求，结果表明，上述未来技术的进步将对电池容量要求降低约30%。也就是说，与目前车辆技术所需的1000kWh相比，在2030年配备700kWh电池即可使牵引车-挂车实现500公里的续驶里程。

图5显示了所分析的不同电池容量、两个驾驶循环以及基于当前和未来技术的电池电动牵引车-挂车的距离比能耗（单位为kWh/km）。

图5 当前和未来技术的能耗估算

电池质量对有效载荷的影响分析

电动汽车续驶里程和最大允许有效载荷之间的权衡，即有效载荷惩罚，是在讨论电池电动牵引车-挂车的局限性时面临的关键问题之一。电池电动牵引车的重量首先在没有电池的情况下进行估算。典型的牵引车重量约为7400 kg（Delgado et al., 2017）。要减去的柴油动力系统部件重量估计为2200kg，其中包括柴油发动机、变速箱和传动系（Mareev et al., 2018）。然后添加电动传动系统的重量，包括电机、逆变器和齿轮箱，估计重量为650kg（Mareev et al., 2018），因此，不带蓄电池的牵引车总重量约为5850kg。估计牵引车的轻量化潜力约为700kg，因此未来不包括电池的整车重量约为5150kg。卡车挂车的重量估计约为7400kg，轻量化潜力为1200kg，因此到2030年挂车重量将达到6200kg。这些重量减轻估计值与“道路-载荷技术”一节中的分析总结一致。图6显示了当前和未来车辆技术的最大允许有效载荷与续驶里程的函数关系。

图6 最大牵引车-挂车有效载荷与行驶里程的函数关系

图6中的水平虚线分别代表了当前和未来技术中车辆总重为40吨的柴油牵引挂车的最大有效载荷25200 kg和27100 kg（Delgado et al., 2017）。电池电动牵引挂车的最大有效载荷估计为车辆总重42吨，对应于法规（EU）2019/1242（European Commission, 2019）为零排放重型技术引入的车辆总重额外余量。由于电池重量的增加，电动卡车的最大有效载荷随着行驶里程的增加而成比例减少。在500公里的续驶里程范围内电动牵引挂车的最大有效载荷减少了11%，这种场景足以覆盖不需要在运行期间进行充电的70%的应用场景，或者在白天进行45分钟充电的95%的应用场景（Saboori & Rodríguez, 2021）。然而，随着未来技术的进步，即底盘轻量化和电池能量密度的增加，一辆续驶里程为500公里的电动卡车与柴油卡车相比不会有任何的有效载荷损失。

有效载荷对续驶里程的影响分析

通过考虑三种不同的有效载荷（低载荷、参考载荷和满载载荷）来分析有效载荷对牵引车-挂车续驶里程的影响，如表1所示。分析是在长途驾驶循环中进行的，结果如图7所示。

图7 在长距离循环中，有效载荷对牵引车-挂车续驶里程的影响（参考有效载荷：19300 kg）

与参考有效载荷相比，低有效载荷可将任何电池尺寸的电动牵引车-挂车续驶里程提高32%–36%。相反，满载车辆的行驶里程减少幅度较小，介于6%和13%之间。该图中显示的结果对应于当前的车辆技术。对于未来的车辆技术也观察到相似的趋势。然而，由于预期牵引车、挂车和电池重量减少，续驶里程对有效载荷的敏感性略高，与参考有效载荷的情况相比，低有效载荷下续驶里程增加约36%–41%，满载续驶里程减少约12%–18%。

温度对续驶里程的影响分析

电动汽车的温度需求可能会对续驶里程产生相当大的影响，尤其是在极端天气条件下。为了量化这些影响，本文分析了三种不同的环境温度，分别代表温和气候（15℃）、寒冷气候（-7℃）和炎热气候（35℃）6。这里给出的分析对应于参考有效载荷下的长途驾驶循环。

图8绘制了与15℃环境温度下的参考场景相比，在-7℃和35℃时车辆续驶里程减少的百分比。在不同的电池尺寸下，极端气候条件造成的行驶里程减少不超过9%。这种情况下对续航里程的影响是因为电池电性能对温度的依赖性以及电池和座舱热管理系统维持20℃温度需要消耗能量。对于更大尺寸的电池，电池TMS需要更多能量来将电池温度保持在所需范围内，从而对行驶里程产生更大的影响。尽管在寒冷气候情景下环境温度与座舱设定温度之间的温差较大，但炎热和寒冷气候条件对行驶里程的影响相似。这主要是由电池热调节电路的性能系数差异表现的7。座舱TMS能量需求不受电池尺寸的高度影响，因为它们受太阳辐射、环境温度和座舱几何形状影响。在电池容量1000kWh的情况下，座舱TMS能耗约为电池TMS能耗的15%–50%。

6. 对于炎热气候情景，本文设定太阳通量强度平均值为1000W/m²，这点在寒冷和参考温度情景中没有考虑。7. 在7℃的环境温度下，TMS（加热）的COP约为3。在35℃环境温度下，COP（冷却）约为2。

图8 不同环境温度和电池尺寸下的续驶里程减少量

5结论和主要要点

长途卡车是欧洲公路货运CO2排放的主要来源。尽管提高内燃机驱动卡车的效率具有巨大的技术潜力，但它们在CO2排放方面的减少不足以以实现气候目标所需的使货运完全脱碳的速度。因此，为实现欧盟的短期和长期CO2减排目标，有必要发展零排放卡车。

2019年最终确定的现行欧盟HDV CO2标准要求重型车辆制造商在2025年将其车队的平均二氧化碳排放量比2019年减少15%，在2030年至少减少30%。2030年的目标将在2022年进行审查。在HDV的CO2标准最终确定时，几乎没有关于零排放技术的信息。因此，欧盟委员会将目前采用的标准严格性建立在传统技术上，即柴油和天然气车辆。从那时起，包括大多数欧洲卡车制造商在内的几个利益相关者已经为公路货运电气化制定了明确的技术途径。2022年对CO2标准的审查为将零排放HDV纳入CO2标准严格性的技术经济评估提供了潜在机遇。

本研究对电池电动长途牵引车-挂车的相关技术进行了分析，主要侧重于典型工作条件下的能效和续驶里程的量化分析，并考虑了电池电动长途卡车运营商关注的几个领域。我们通过详细的车辆仿真来分析各技术潜力。电池、动力系统和热管理系统都经过建模和验证，并用于估计车辆的能效和续驶里程，并得出以下主要结论：

700kWh的电池能量容量可实现500公里的续航里程，足以满足绝大多数应用场景的需求。基于深入的车辆能效分析正确估计所需的电池尺寸，可以克服电动HDV的里程焦虑问题。本研究中提供的结果表明，目前对于大约1000kWh的电池容量，电池电动长途牵引车在典型使用场景下的续驶里程可能超过500公里。然而，预计电池能量密度、道路负载技术和运输效率的改进，容量为700kWh左右的电池体积将会更小，在未来能够实现500公里的续航里程，与之前的基本情况相比，电池能量容量需求降低30%。

目前，续驶里程为500公里的电动牵引车-挂车的有效载荷损失较小，未来可能避免有效载的荷损失。与柴油动力系统相比，电池电动动力系统可以实现500公里的日行驶里程，有效载荷损失仅为11%，主要体现在电池组的额外重量上。然而，未来技术改进的方案消除了有效载荷损失，而且为小于500公里续驶里程产生了有效载荷增益。最大有效载荷的差异是微不足道的，因为在大多数情况下，拖车在达到其有效载荷容量之前就达到了其体积容量。因此，电动牵引车-挂车的有效载荷损失并不是一个关键问题。

如果采用适当的技术，极寒和高温对电动卡车的续驶里程影响不到9%。极端气候条件导致的续驶里程减少是长距离牵引车-挂车驾驶员的另一个担忧。所提供的仿真结果表明，如果使用高效热泵，极端环境温度-7℃和35℃对行驶里程的影响不超过9%。这些额外的能源需求主要体现在电池的热管理系统需求上，较小程度的体现在驾驶舱的热管理上。

本文针对电池电动长途牵引车-挂车进行了车辆技术分析，明确了这些技术在各种工况和技术改进下的能效和续驶里程范围问题。未来还将研究该车型的其他脱碳途径。

标签： 有效载荷 能量密度 传动系统