美国能源部（DOE）发布燃料电池长途卡车技术发展路线图（四）

　　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，今天为第四篇。

　　5.3柴油卡车基准燃油经济性

　　10.0mpgd被认为是8级商业柴油卡车最新最先进的燃料经济性数值，这一数值源于“北美货运效率协会 (NACFE)2018年度车用燃料研究”中提供的真实数据，20个车队的2018年款卡车的燃料经济性为7.5mpgd-9.5mpgd。“北美货运效率协会 (NACFE)2017低耗运行”显示，七辆车的平均燃料经济性为10.1mpgd。纳威司达公司报告显示，领先车辆的平均燃料经济性为7.8mpgd。

　　“年度车用燃料研究”对20个车队进行了研究，并明确了2018年款卡车在实际的区域运行和长途运行中的燃料经济性，但未提供驾驶周期和载荷的信息。纳威司达公司的报告包含了四种不同的卡车型号（共六辆卡车），车速未知，这六辆车的运行路线约1200英尺。最近北美货运效率协会的低耗运行28示范项目中的

　　7辆卡车17天内运行超过50,000英里，在实际条件和天气变化的情况下完成，实现了8级柴油卡车平均10.1mpgd的上路燃料效率，如图5所示。低耗运行示范项目用的车辆是当前市场上买得到的新型卡车。如果车队在采购时不追求技术，那就不可能提高燃油经济性。低耗运行项目报告了载荷与速度、相对平坦的路线、由于气候温和很少用空调系统，有风暴时的风速，但不包括典型的驾驶员行为，该项目为实现最高的燃油经济性配了专业级驾驶员。

　　图5.比较“北美货运协会年度车用燃料研究”中的每加仑燃料平均所行的英里数与美国能源部的超级卡车和低耗运行项目的卡车的燃料效率

　　车速，风速，交通，坡度，气候，轮胎，路面，载荷，停靠次数以及行驶路线的整体动力学等都会影响实际的燃料经济性。阿贡国家实验室的分析表明，这三份报告中的燃料经济性差异可以通过图6中的有效载荷和行驶周期来解释。阿贡国家实验室使用能源部超级卡车技术项目示范的空气动力学、轮胎和配件方面改进的参数，对最佳的商用车辆进行了表征（请参阅表7）。在模型中改变有效载荷和行驶周期，可以再现“低耗运行项目”、“年度车用燃料研究”和纳威司达报告中出现的结果范围，根据可用数据验证模型。

　　8级卡车运输测算使用的Autonomie模型的数据来自国家实验室和其他政府机构（例如美国环保署和美国高速公路安全管理局）获得的部件测试数据。行业专家和美国能源部可持续交通技术经理审查了2017年实现的技术改良假设及近期的预期改进。

　　为了分析这个模型与实际驾驶条件的区别，研究了两个测试案例。第一个是由北美货运效率协会开展的“低耗运行”计划，第二个是由纳威司达公司做的测试。两个项目的测试均涉及了多家制造商的卡车，因此假设它们的平均燃料经济性是现代卡车的良好指标是合理的。

　　纳威司达公司在加拿大测试了限速为100千米/小时（62.5英里/小时）的车辆。我们期望EPA65循环代表这种操作。与EPA65相比，加拿大的较低速度限制可能会导致mpgd略高。“低耗运行”计划中的部分卡车平均速度为54英里/小时，正在努力实现更好的燃料经济性。每小时55英里的稳定行驶足以代表“低耗运行”的测试案例。

　　图6的最左侧和最右侧是“低耗运行”项目和纳威司达公司测试得出的平均燃油经济性。这些结果体现了不同周期下不同容重的模拟结果。可以看出，对于55千磅的容重测试，55英里/小时稳定行驶的结果与“低耗运行”项目的结果非常接近（模拟的10.3mpgd与“低耗运行”项目10.1的示范平均值）。同样，重达66千磅的纳威司达卡车的测试结果，非常接近EPA65的循环结果（7.8mpgd）。

　　图6. 阿贡国家实验室的2017模型卡车在不同负载和行驶周期下的性能与最近的“低耗运行”和纳威司达示范项目的车辆性能对比

　　“低耗运行项目”数据过滤后可用来分析常速运行的高负载卡车，高负载利于整体货运效率。车辆货物重量为36,000磅，以确保不同车辆之间的公平比较。总重量接近66千磅的“低耗运行”卡车在平均速度下表现出平均9.3-10.8mpgd的燃料经济性。不出所料，低速运行带来更高的mpgd。

　　图7：2017年“低耗运行“项目的卡车”，行驶时速50英里/小时，有效载荷接近66,000磅。每种颜色代表一辆特定的卡车。标签上标明了燃料经济性（mpgd）和货运效率（吨英里/加仑）。

　　阿贡国家实验室模拟了载荷为66000磅的卡车在EPA55行驶周期下、稳定时速55英里/小时的运行，从而得出了9mpgd和10.3mpgd。EPA55管制周期拥有观察到的这些车辆的平均速度，并且EPA55中的坡度范围有望代表美国的卡车路线。在可比速度和总重量下，“低耗运行”示范卡车的平均值10.2mpgd下降，下降结果介于EPA55和稳态速度仿真结果之间。

　　尽管阿贡国家实验室的示范车辆在平均性能方面接近于“低耗运行”项目所示范的（时速为54英里/小时时为10.1mpgd，载荷55千磅），但仍选择“10.0mpgd”作为状态，因为“低耗运行”项目中领先的卡车始终能在55英里/小时以上的行驶速度下超过10.0mpgd，同时车辆总重量为65-66千磅。自2017年“低耗运行”计划开展示范以来，所有的8级卡车都有可能随着技术进步达到或超过这一水平。

　　展望未来，以符合目标的方式评估技术进步将非常重要。基准Autonomie模型假定牵引车和空挂车的重量约为30,000磅，货物负载为36,000磅，模拟时的总重量为66,000磅。由于目标是使用EPA55行驶周期设定的，而长途卡车的目标是运输货物，因此可以合理地评估具有可控货物质量的技术。虽然36,000磅并非最大负载，但它允许在动力总成中进行比较，其中可能包括重量更大的零部件。同样，许多卡车在达到最大限制总重量之前就达到了体积限制。燃料经济性状态应在相同或相当的行驶周期下，按相同的36,000磅货物质量进行测量。更轻的部件有利于燃料经济性，并增加车辆的最大有效载荷和最大货运效率。在负载36,000磅时可以测得8级卡车的货运效率、在最大总重量时车辆可达到最高货运效率（假设燃料效率不会随最大载重量下降）。

　　5.4技术进步

　　通过模拟载货量为36,000磅的长途卧铺卡车在监管周期中来确定中期的燃料经济性和远期的燃料经济性。下表7列出了用于预测燃料经济性（中期和远期）进展情况的车辆和动力总成假设。这包括保守（低）和大胆（高）的技术进步范围。美国能源部车辆技术办公室通过废热回收，为“超级卡车II”项目的柴油发动机设定了55％的热效率目标，并考虑到2050年将59％的柴油发动机（包括废热回收）考虑在内。预计当前的柴油机将利用废热回收系统来达到假设的峰值柴油效率。燃料电池目前可实现64％以上的峰值效率（高速公路速度下效率为60％），并且到2050年，燃料电池的效率可达到72％。目前小批量商业生产的汽车燃料电池系统可达到63.7％的峰值效率。

表7 8级卡车的燃料经济性假设摘要