重型车向零排放转型的趋势

特稿I 重型车向零排放转型的趋势重型车向零排放转型的趋势金涛，刘勇，陈伟建，谢忠红1序言向电动化的发展被广泛认为是交通运输业的关键。

这类技术有电池电动、插电式混合动力和氢燃料电池，这些汽车电驱动技术为运输 业提供了离开石油燃料的机遇，并为实现长期的空气质量和气候目标 带来巨大的碳减排效果。

乘用车正在向电动化过渡，到2017年初，全 球道路上已有数百万辆电动乘用车在行驶，这类技术现在也可用于轻 型货车。

此外，全球目前已有数十万辆电动客车投入使用。

现在重型 商用货运车辆在电动化方面的进展有限，仅有数十个示范项目和少量 原型车，在世界各地的商业应用也比较少。

由于气候变化，能源多样化和地区空气质量等多种原因，人们越 来越关注在重型货运车辆中采用先进技术。

气候变化的挑战为主要国 家和地方政府提供重要的动力，使得人们不仅仅关注乘用车，也必须关注重型货运车辆。

图1总结了世界车辆总数、行驶里程和温室气体排放的情况。

货运卡车主要使用柴油（也有汽油或天 然气），占区域污染物和温室气体排放量的比例越来越大。

尽管货运车辆仅占全球车辆总数的9%,占 车辆总行驶里程的17%，但在其生命周期内占车辆温室气体排放量的约39%，排放其他污染物的比例甚 至更高。

由于公路货运量大幅增长，重型车对全球温室气体排放的比例预计在未来几十年内将继续增长。

图 2为2015-2050年全球货运量和车辆生命周期内的温室气体排放当量（C O J 。

图中显示轻型、中型和重 型卡车的货运量，货运有效载荷乘以行驶距离（对应于左轴），还以灰线表示了有关生命周期内温室气 体排放，包括车辆排放和生产卡车燃料产生的上游排放，基于常规车辆效率趋势（右轴）。

如图所示， 2015-2050年，全球卡车货运量和卡车生命周期温室气体排放量估计在保持原来趋势情况下将至少会翻 一番。

该图还说明了重型货运量中有多少来自大卡车，通常是牵引车-挂车和北美8级牵引车，或欧洲的 车辆总重超过15吨的卡车。

这些最重的车辆占货运量的60%以上，占货车二氧化碳排放的75%,因此对 这些车辆的说明是本文的重点。

除了与货运中温室气体排放相关的气候问题外，相关的当地空气污染，特别是氮氧化物和颗粒物排金涛毕业于 哈尔滨工业 大学汽车工 程学院车辆 工程专业。

现就职于东 风商用车技 术中心，主要从事制订企业技术战略、规 划体系，企业未来技术发展方 向；制订企业研发事业计划等 方面的工作。

2汽车S f i/ AUTO SC卜TECH2019年第1期车辆数量车辆行麵离温室气体排放图1 2015年全球汽车生命周期内占道路运输的温室气体排放量比例■s i s梁货运量排放图2 2015-2050年全球货运趋势和车辆生命周期内温室气体排放量预测放，对健康和生活质量均产生负面影响，特别是 在货运集中区。

居住在靠近货运枢纽和货运走廊 的社区居民，受到的影响最大，最常见的是低收 入群体。

虽然提高车辆效率和使用最新的后处理技术 可以实现低成本减排，有许多更先进的零排放车 辆新技术出现，可以实现更大幅度的减排。

目前 电动车生产规模不断扩大，至2017年初全球电动 车累计销量超过200万辆，同时电池成本在大幅降 低。

续驶里程更长的电动车新车型正在为电动车 成为主流技术铺平道路。

此外，支持电动车的充 电基础设施继续增长。

为了在减排目标方面取得 进展，世界各国政府正在制定雄心勃勃的目标，逐步淘汰燃油车辆，转而支持电动车，并通过支 持政策、激励措施和基础设施强化效果。

许多国家的政府打算利用在电动车方面的持续进步来打破僵局，实现重型货运卡车零碳排放。

上文介绍的货运量和排放趋势越来越多表明，若要实现长期气候和空气质量目标，就要求 所有主要运输方式，包括商业货运方式都要向更 低碳排放转移，包括广泛应用电池电动车和氢燃 料电池技术。

其中许多技术在轻型车辆中得到了 较多的应用，在重型货运车辆中的应用正处在探 索中。

零排放客车的应用越来越多，这也有助于为 零排放货运铺平道路。

到2016年，这个市场的进 展一直由中国主导；中国拥有的电动客车超过28万辆，占全球电动客车市场的95%以上。

欧洲 和美国的纯电动、插电式混合动力和燃料电池客 车的应用正在增加。

这些客车应用增加了电池、燃料电池堆、车载电力电子设备、电动机以及充 电和加油设备的供应。

这些组件的数量不断增加，有助于同时支持重型货运技术的开发。

同样，充电和加油设备供应商在客车应用方面不断 增长的经验，使他们在未来类似的零排放货运应 用方面处于更有利的地位。

了解政府关于零排放重型车辆的举措，对于 清楚地了解各种零排放重型车辆技术的潜在可行 性显得很重要。

特别是对于最重的长途牵引车-挂 车，政府的举措和排放问题似乎最多，好像存在 许多潜在的技术路径。

哪种技术最适合哪些应用？考虑到各种燃料来源时，使用这些燃料车辆 的潜在气候效益是什么？相关车辆的技术成本是 多少？本文的目的就是解决这些问题，并讨论在 重型电动车队中的应用潜力。

为了解决重型车辆大幅减排潜力的问题，制 造商们专注于电动和氢燃料电池动力技术。

这些 技术在乘用车、轻卡和客车的电动和燃料电池技 术开发方面获得进展。

除了简单地接入电网以外，电动重型车辆还可以使用电池交换站或“电 气道路”，在道路上感应动态充电，或通过架空 接触网电力传输获得电力。

电气道路为车辆提供 连续的电源，直接将电力传输到电动机，并为车 载电池充电。

当高速公路使用这些架空接触网系统后，电 动车的续驶里程加长，可以选择更小的电池。

在3特稿I重型车向零排放转型的趋势电气道路上使用的车辆配备有电驱动系统，受电 弓或感应线圈和电力电子设备被集成到电池组或 混合动力传动系统中，与内燃机整合在一起。

混 合动力传动系统或配备的电池可以使车辆在电气 道路以外行驶。

燃料电池车使用车载氢气存储，通过电化学方式将氢转化为电能，为车辆提供动 力，实现长距离行驶，可快速补充燃料。

这些技术 选择都有提髙运输效率，使用可再生能源的潜力。

在第二节，本文评估了重型车辆技术的发展，整理研究文献、示范车队和小批量生产的商 业化卡车模型数据，并为后面的零排放技术分析 提供背景支持。

在第三节，本文评估主要的车辆 技术，比较柴油、柴油混合动力、天然气、燃料 电池、电池电动、动态感应电网和架空接触网在 2025-2030年期间与车辆相关成本的变化。

在第四 节，本文根据中国、欧洲和美国这三个汽车市场 的生命周期温室气体排放（包括上游燃料循环的 排放），分析这些技术。

最后，在第五节中，本 文总结并讨论了结果。

2重型车技术发展回顾为了提供下文分析所需的背景，本节首先介 绍现有的重型车政策。

然后总结相关的研究文献、卡车示范活动，以及零排放重型车辆技术和产品。

2.1重型车政策背景预计未来重型车货运量将増加，重型车的效 率标准不如轻型车那样严格，因此在现有条件下，重型车温室气体排放量将继续增加。

其主要 驱动因素有：无效率技术法规、货运车辆效率保 持相对稳定。

迄今为止，只有少数国家（加拿 大、中国、日本和美国）实施了效率和温室气体 排放标准。

欧盟预计不久将会颁布重型车二氧化 碳排放法规。

欧盟重型车碳排放法规的实施，可 能会为亚洲和拉丁美洲的其他国家打开实施这类 标准的大门，因为这些国家标准的制订建立在欧 盟车辆法规的基础上。

全球80%以上的乘用车已 受到碳排放标准的管理，而只有不到一半销售的 新重型车受到效率或二氧化碳标准的监管。

通过提高发动机效率、改善空气动力学性能 和使用后处理技术，可以使重型车辆效率和排放 实现大幅的具有成本-效益的改进。

在美国，在车辆效率和二氧化碳法规的作用下，预计在2050年 前可减少三分之一以上的普通重型车油耗。

尽管 满足这些标准的技术改进同时使技术成本增加，但是燃料效率提髙后，各种车辆的回收期可达2- 4年。

效率法规包括对电动卡车的特殊规定，但并 不期望它们在法规中发挥显著作用。

电动卡车技术 不需要遵循近期常规污染物排放法规，比如废气再 循环系统和柴油微粒过滤器技术，可以大大减少与 重型柴油机有关的负面健康影响。

重型车氮氧化物 和颗粒物排放可减少95%以上，每辆车增加约7000美元成本，整车成本通常超过10万美元。

这些技术对近期进展有作用，雛长远来看，若需要深度减排，实现政府环境目标和全球气候保 护承诺的时候，这些技术的作用有限。

2030- 2045年期间，先进的效率技术有望使牵引车-挂车 组合中降低40%-52%碳排放，载货车则可降低30%-36%。

除了提高卡车效率之外，通过进一步 优化路线以及公司之间共享卡车和仓库，可以提高 货运效率，减少三分之一的二氧化碳排放量。

此 外，如果解决可持续性和土地利用变化的影响，生 物燃料可以成为解决方案的一部分。

然而，随着重 型车货运量的增加以及车队周转变缓，与2015年相 比，即使广泛采用这些方法，仍不会使2050年二氧 化碳排放和燃料消耗的得到改善。

未来满足国际气 候稳定目标，必须采用更积极的减排方法，使用上 游能源为低碳排放的零排放重型车辆。

2.2研究文献回顾尽管目前很少有零排放重型卡车在路上行驶，但过去5年来的各种研究都考虑了许多技术的 可行性及其减排潜力。

这些相关技术研究中，确 定了车辆类型、技术和分析估算。

由于所涉及的 技术不确定和迅速变化，报告之间的成本估算和 结论差异很大。

此外，每份报告的涉及范围差异 很大，包括考虑在哪个地区、卡车类型、工况循 环和燃料成本预测。

根据研究文献，插电式电动车正被考虑用于 中型和重型车运输中。

电动汽车的效率高，通常 比柴油和天然气发动机效率高3-4倍，使一次能源 消耗和温室气体排放减少。

这些车辆最适用于短 距离运输，可以利用再生制动的工况，以及所需4汽车S f i/ AUTO SC卜TECH2019年第1期电池组较小的应用场景。

对工况循环的分析表明，城市配送卡车、厢式车、垃圾车和短驳拖运 卡车是电气化的目标。

在几项不同的研究中，分析了电动配送卡车 的潜力。

据估计，到2025年，电池电动卡车将在 短距高出勤率场景下有最低的总体拥有成本。

类 似的情况还有，据加美国加州混合动力、高效和 先进卡车研究中心预计，电动配送卡车在2020年 前后的投资回报期将为3-5年，具备广泛的商业化 应用的条件。

其他的评估更为乐观，其中一项研究 表明，在考虑税收政策时，电池电动配送卡车的总 体拥有成本在几个国家中已经低于柴油机车辆。

电池供电的动力传动系统也可用于其他类型 的重型车辆，如各种类型的作业车辆。

在港口周 围行驶距离较短（小于60英里）短驳卡车可能是 重型卡车电气化的早期应用市场。

垃圾车与城市 公交车具有相似的工况循环，每天都在城市中心 行驶，这些场景可能非常适合使用电池供电，降 低城市环境中的噪音和污染。