美国能源部（DOE）发布燃料电池长途卡车技术发展路线图（三）

　　电动动力总成系统逐渐成为先进卡车技术产品组合的重要组成部分，美国能源部（DOE）正在为氢燃料电池卡车和动力电池卡车设定详细的技术目标。

　　2019年12月12日，美国能源部燃料电池8级卡车发展目标获得批准。

　　美国能源部提出的最新目标是2030年燃料电池系统寿命、成本和峰值效率要分别达到25,000小时、80美元/千瓦以及68%。

　　以下为技术目标的具体内容，氢智会分六次进行推送，今天为第三篇。

　　4、目标原理

　　4.2 充氢速率

　　由于长途卡车用例要求续航里程最多、负载最大，因而需要最多的燃料和最高的填充率。作为参考，柴油卡车的装填速度超过了60加仑/分钟（同时使用两条软管），卡车的两侧可各有一个储油量为150加仑的油箱。加油5分钟后，传统柴油卡车有300加仑的柴油，可行驶1,800英里以上。尽管这些车辆续航时间可能长达数天，但对于加油相对较快的长途用例，我们假定每天加一次油的最大频率是可以接受的。对于其他用例，由于距离较短或每天使用范围较少，因此对加油速率的要求可能较低，或者较高频率的加油可能导致每次加油少。

　　对柴油卡车而言，燃料存储和加注相对便宜，但对于氢燃料卡车来说，则要贵得多。除了较高的压缩机成本外，为解决较高填充率时压缩热增加的问题，还可能产生额外的预冷却成本。因此，限制氢气的填充速度很重要，也因此限制了车辆的行驶范围，以匹配实际需要的范围（即最大每日范围），从而使得车载氢气存储和加注的成本尽可能低，同时能满足必要要求。

　　加氢时间、车辆行驶里程和燃料经济性（车载可用氢气取决于车辆行驶里程和燃料经济性）决定氢气填充率。DOE燃料电池卡车动力总成研讨会上的意见明确了加氢时间要求。加氢所花费的时间会影响加氢站操作员和卡车/车队操作员的经济效益，应将其最小化，以便为每个操作员提供有利的商业案例。要强调的是，路上的时间对运输而言至关重要，应将加氢时间控制在十分之一小时（以6分钟为增量）内。卡车司机在 6分钟的加氢时间内可完成所有任务（即等待可用的泵、加氢、付款、使用洗手间等），并在15-18分钟内返回道路，对加氢站运营商来说还保证了高客户流动率。假设8级卡车的燃料经济性为12.4 mpkg（下面的假设部分将讨论），则达到750英里的行驶距离约需要60 公斤H2。因此，要达到750英里的行驶范围（6分钟内充满60公斤H2），需要完成充氢速率10 公斤/ 分钟的远期目标。

　　虽然6分钟的远期充氢速率目标保证了快速加氢，能满足长途卡车的燃料量需求，但使用泵需要额外的时间，更高的压缩量和更强的冷却会带来额外的成本，这些方面尚未完全平衡。因此，氢气填充速率的中期目标将加氢时间放宽至10分钟。10分钟的加氢时间虽然比现在的慢，但一些开发人员认为这个目标还过得去。假设燃料经济性的中期目标为11 mpkg，那么现有充氢速率目标8 公斤/ 分钟足以在10分钟内加完跑750英里的氢。

　　当燃料经济性高于12.4 mpkg时，可以降低油箱容量，同时仍能保证750英里的续航里程，或者可以增加车辆续航里程。应当指出的是，这些计算并未考虑对氢动力货运制冷系统的氢需求。

　　4.3 时间充裕

　　美国能源部燃料电池卡车动力总成研讨会的一场分会讨论了“时间充裕”。时间充裕指的是有充足的时间为车辆加氢，比如夜间的7-10个小时内，或者长达16个小时的单班运行时间。因为处理量较低的加氢站设施无需技术进步，所以美国能源部放弃制定时间充裕的技术目标。与加油技术一样，加氢也需要标准协议，以确保车载储氢系统和加氢站设施的兼容性。

　　4.4 储氢系统循环寿命

　　8级卡车的储氢罐循环寿命目标仅用于指导早期研发，而非为了认证。这些目标与技术无关，旨在适用于低压或低温状态以及高压或不同环境温度的情况。此外，这些目标并不等同于耐久性测试周期，后者需要更多的周期才能确保安全性能。例如，涉及压力和温度条件管理的关键设备（如气瓶，安全阀等）的安全性要求其耐久性寿命高于美国能源部储氢罐循环寿命目标，在适用规范和标准（即 SAE J2579和《联合国全球技术规范》中有规定 —请参阅下面的“加压储氢系统循环寿命目标”部分。

　　运行周期数=车辆的设计寿命里程÷再次加氢之前车辆的有效续航里程。客户希望燃料系统能延长车辆的使用寿命（即1,200,000英里）。假设储氢量为四分之一的储氢罐加满氢（即560英里）为一个周期，则需要约2140个加氢周期（即1,200,000 / 560英里）才能完成所需的车辆寿命。对于超出预期寿命或加氢更频繁的车辆，乘以约2倍的系数得到5,000个周期的远期目标。

　　4.5 加压储氢系统循环寿命

　　此目标专为加压储氢罐所需的认证而设定。为了满足必要的耐久性测试周期，加压储氢罐必须符合适用的规范和标准（即SAE J2579和《联合国全球技术规范》）。这些规范包含了很多加压储氢罐周期要求所特有的细节信息，从而确保加压罐的安全运行。

　　4.6 储氢系统成本

　　8级长途卡车的储氢成本目标与技术无关，而是根据现有的轻型车辆每使用一公斤氢气的情况制定的。这些目标基于较低的预期制造速度（4-8级卡车年产量100,000辆相较于轻型车辆年产量500,000辆），由于包装方面的限制，每辆中型卡车和重型卡车很可能需要多个储氢罐，而确保轻型车辆的产量可实现必要的规模经济。适配卡车的多个储氢罐可能需要额外的配套设备（如阀门、调节器、管道、安装支架等），但这笔额外的费用可由多个大储氢罐均摊，因此单位质量的成本下降了（相较于轻型车辆常用的小储氢罐）。应当注意，美国能源部仍在进行附加分析以便进一步审核这些成本目标，在收集到更多信息后可能会更新成本目标。

　　（1）假设

　　在制定8级拖挂卡车和4–8级职业卡车的目标时，我们根据业界意见假设了车辆寿命、车辆续航里程和燃料经济性。

　　1.1 车辆寿命

表5 氢卡车车辆寿命现状估算、中期及远期寿命目标假设

　　由于缺少燃料电池卡车的耐用性数据，因此展示了燃料电池巴士的实际运行现状。巴士中的燃料电池发电设备已超过25,000小时的目标，不过，这些发电设备尚未达到成本目标。必须同时满足成本目标和耐用性目标，同时还要达到可接受的报废性能和报废效率。

　　为了确定氢卡车的目标，视车辆寿命为车辆的全使用寿命。

　　车辆寿命假设允许一个前提：车辆按现有技术级别运行（即柴油卡车）。美国能源部燃料电池卡车动力总成研讨会的意见反馈表明，8级拖挂卡车应达到10年寿命和1,000,000英里的使用寿命。通常这些卡车一半的寿命用于长途运行，由于磨损导致可靠性降低，因而卡车更多用于地区性运输。与业界进一步讨论后得出，使用寿命里程将增加到1,200,000英里，甚至可能更高。

　　现有的公交车示范中的燃料电池已运行超过30,000小时，让人有理由相信燃料电池对于卡车应用而言足够耐用。假设现有耐用性可在10年内转移到卡车应用中，则将中期目标设定为1,000,000英里，相当于柴油卡车的现有耐用性。终极目标设定为1,200,000英里，以适应更高耐用性的发展趋势。

　　1.2 燃料经济性

表6 燃料经济性现状估算，中期及远期目标假设

　　注释：1、基于阿贡国家实验室Autonomie2020保守模拟的燃料电池卡车在EPA 55驾驶循环中的状况，卡车载荷为36,000磅。阿贡模型与“低耗运行”、“年度车队燃料研究”和Navistar报告一致。

　　2、将氢动力卡车与市场上可买到且成本效益高的先进柴油车（即近期型号的卡车）相对比。全国公路卡车的平均燃油经济性为6.4 mpgd。

　　3、请参阅5.3部分。

　　燃料经济性假设用于确定充氢速率目标和简单拥有成本计算，而简单拥有成本计算支撑储氢系统成本目标和燃料电池系统成本目标。通过查看近期测试报告、车队报告和示范运行报告的真实数据确定基准燃料经济性。氢燃料卡车的中期和远期（2030年和2050年）燃料经济性假设是通过以下方法确定并验证的：

　　（1）假设这些方面改善：

　　柴油车和燃料电池车的空气动力学、滚动阻力、辅助载荷和轻量化；

　　柴油发动机和废热回收系统的效率；

　　燃料电池和电动机效率。

　　（2）对高级卡车进行建模（使用阿贡国家实验室的车辆模拟工具Autonomie），以达到与现有车辆相同的加速度、续航、爬坡速度以及车辆行驶范围要求的目标。

　　（3）在EPA 55循环上模拟载荷36,000磅的先进车辆（使用Autonomie）。

　　（4）审查根据模拟得出的驱动循环动力总成效率。

　　（5）审查通过先进的柴油技术实现的燃料经济性改善。

　　（6）比较根据动力总成驱动循环效率估算的燃料经济性与Autonomie仿真结果进行比。

　　（7）比较稳态、EPA 55和65 mph循环时的基准卡车模型，车辆总重量为50-66 千磅：

　　北美货运效率协会 (NACFE) 2017低耗运行(ROL)；

　　北美货运效率协会(NACFE) 2018年度车用燃料研究（AFFS）；

　　2017纳威司达公司就2018国际轻卡燃料效率测试的报告（纳威司达报告）。

　　预测技术进步时，柴油车和燃料电池车的空气阻力、滚动阻力、配件效率和动力传动系统效率的预期改进同样适用于这两种类型的卡车。