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來源：Digi-Key 作者：Jody Muelaner 公路貨運是全球增長最快的能源消耗大戶，但重型卡車電氣化比乘用車電氣化面臨更大的挑戰。對于一名長途司機，工作一整天意味著有 8 至 12 小時都在公路上，因此可能需要行駛 950 到 1,050 公里（590 至 650 英里）才能長時間給車輛充電。如果車輛總重量達到 40 噸或以上，則需要大約 1,250 kWh 的電池容量，續航里程才能滿足一天的需求。具有這種容量的電池組可能重達 4 噸以上，大大增加了前期的車輛成本。另外，卡車行駛在偏遠道路時，經常進入很少甚至沒有充電站的區域，這意味著有很多天無法充電。這些情況下，電池電氣化完全不可行。 
圖 1：長途卡車運輸是運輸業的一個領域，已經為顛覆性技術帶來的效率提升做好了準備。（圖片來源：Getty Images） 事實上，重型卡車的碳減排方案包括純電動車 (BEV)、氫燃料電池電動車 (FCEV)、電燃料車和生物燃料車。盡管過去幾十年大肆宣傳，但生物燃料在未來的交通運輸中只扮演一個小角色，原因是： · 與糧食生產爭奪有限的農業用地 · 非公路應用和航空領域以及具有碳捕獲和儲存功能的生物能源對生物燃料有需求 其余針對重型卡車的方案都可視為可再生電力的能源載體。 考慮一下電力傳動系統如何也能由電力道路系統 (ERS) 來供電，該系統能布設在特別繁忙的路線上為車輛供電。這種 ERS 在車輛行駛時直接從當地電網供電——很像電動火車的供電方式。 混合動力系統（包括內燃機或 ICE）如果使用生物燃料或電燃料，可以實現碳中和。只是偶爾將 ICE 用作到達偏遠地區的增程器時，甚至可以接受化石燃料，并且能源系統其他部分的負排放可抵消化石燃料的排放。 關于純電動卡車的更多信息
圖 2：電動汽車 (EV) 充電站采用 AC/DC 電源以及非隔離和隔離式 DC/DC 電源。簡單的 AC EV 充電站包括一個 AC/DC 模塊（允許各種輸入電壓并保持良好的 EMC 性能和能效），以及幾個 DC/DC 低功耗模塊（用于控制、顯示和通信）。更復雜的 DC EV 充電站需要 150 至 480 W 封閉式或 DIN 導軌式 AC/DC 主電源，以及搭載 SiC MOSFET 驅動電源的非車載充電器。（圖片來源：Mornsun） 多年來，傳統觀點認為 BEV 動力系統無法提供長途重型卡車所需的續航能力。然而，一些制造商現在正在挑戰這種觀點。例如，據稱特斯拉 Semi 每公里耗電 1.25 kWh，續航里程可達 800 公里。在強制午休時間進行快速充電，這種重型卡車應該能在一個班次內行駛超過 1,000 公里。
圖 3：除了公路車輛，工業運輸還包括在運輸堆場、多式聯運、倉庫配送中心和廢品管理設施中使用的各種終端卡車。（圖片來源：Orange EV） 雖然電池的重量是等量柴油的很多倍，但這只是片面理解。這是因為電力傳動系統的其他部件比內燃機和變速箱要輕得多。雖然 1,000 kWh 的電池組可能重達 4,000 kg，但其余傳動系統部件（電機、逆變器和齒輪箱）可能只有 600 kg。與傳統 3,000 kg 柴油動力系統相比，只增加了約 1,600 kg。在歐盟，零排放車輛的車輛總重限額要多 2,000 kg——這意味著 BEV 的有效載荷能力實際上比 ICE 卡車略高。隨著結構性電池組和電池化學技術的發展進一步減輕重量，BEV 將變得更有競爭力。 乘用車采用 BEV 的一個主要障礙是電池組的資本成本很高。普通的汽車消費者每天最多只開車一兩個小時。這樣的使用情況使得投資回報周期特別長。相比之下，一般工業運輸車輛的極重度使用情況，使購買電池的投資回報相對較快。從經濟上看，BEV 已經是城市輕型運輸車輛的最佳選擇，而且可能很快就會在許多重型商用卡車業務中突顯競爭力。 需要注意的是，鋰、鈷和鎳等關鍵金屬的短缺最終可能會限制卡車制造業向 BEV 過渡的速度。雖然目前在陸地、海底和海水中都有大量未開發的儲量，但新的開采和提煉業務需要很多年才能投產。事實上，從最初投資起算，一個新礦投產可能需要 10 到 20 年。目前的投資都是基于當前和近期的需求，這并不允許交通運輸應用的全面和快速電氣化。 氫燃料電池電動車 氫氣通常被視為電氣化卡車的理想能量儲備。它很輕，含量豐富，而且氧化后只產生水。氫氣的比能量為 33 kWh/kg，是每公斤柴油儲能的 3 倍。然而，它的密度也非常低，所以必須在非常高的壓力下儲存，或在低溫下液化和儲存。這意味著，裝滿氫氣的儲罐的實際尺寸和重量要比同等的柴油油箱大得多。
圖 4：這是一個 IV 型復合材料包覆的氫氣壓力容器。（圖片來源：Jody Muelaner） 例如，豐田 Mirai 是一款房車，將 5 kg 的氫氣壓縮到 700 bar，儲存在重 83 kg 的復合罐中。儲罐的實際比能量為 1.89 kWh/kg，遠低于柴油，但仍遠遠高于電池組的 0.25 kWh/kg。然而，考慮到燃料電池、輔助電池和其他動力系統部件的額外重量，氫氣車輛的續航能力和重量與電池供電的電動汽車相似——但在運營成本上要高很多。這就是為什么汽車行業現在普遍致力于打造 BEV 乘用車，而很少有生產商仍在積極開發氫氣公路車輛。
圖 5：PGS1000 系列 MEMS 熱導式氫氣傳感器幫助氫動力系統保持安全運行。這種氫氣傳感器包括差分配置的雙熱導模。通過持續監測熱導率變化來檢測氫氣濃度。（圖片來源：Posifa Technologies） 對于大型車輛來說，氫氣仍有一定的潛力成為動力源。隨著壓力容器尺寸的增加，體積按三次冪增加，而表面積按二次冪增加。對于相當于 1,000 kWh 的電池組，需要大約 60 kg 的氫氣，加壓后約占 1.50 m3。使用圓柱形儲罐，比能量增加到約 4 kWh/kg，使用球形儲罐，比能量可能超過 7 kWh/kg。 用氫氣儲能的效率遠遠低于用電池儲能。車輛通常使用質子交換膜燃料電池將氫氣轉化為電能，能效為 60% 左右。然而，氫氣必須首先由電力產生，電解器的效率介于 50% 到 80% 之間。電解器效率越高越昂貴，而進行調節以利用低成本剩余電力的能力越弱——因此商業運營通常只達到這一效率范圍的低端。 氫氣壓縮和運輸時也會產生巨大的能量損失。例如，加氣時需將氫氣壓縮到 70 MPa，大約消耗 3 kWh/kg——能效為 91%。雖然電力傳輸和電池充電也會耗散一些能量，但遠遠低于氫氣系統的損失。目前，BEV 的典型“井到輪”效率約為 80%，而最好的氫燃料電池電動車只能達到約 40% 的效率...30% 更為常見。 有人認為，氫能源運輸的能效較低并不重要，因為生產氫氣消耗的是目前浪費的剩余（或削減）電力。然而，收回電解器的資本成本要求利用率至少達到 32% 至 57%。這類似于海上風力渦輪機的容量系數...所以事實上，經濟的氫氣生產需要專門發電。 目前每年生產的 7,000 萬噸純氫幾乎全部用于制造硝酸鹽肥料，沒有這些肥料，就無法養活全球 80 億人。幾乎所有這些氫氣都來自于化石碳氫化合物（天然氣、煤和石油）的蒸汽轉化，而這一過程會向大氣中釋放 CO2。只有大約 40,000 噸屬于通過電解生產的綠色氫氣——有悖于實現環境友好型運輸替代方案的目標。 未來幾年，航運和航空領域的碳減排也會消耗大量的氫氣，在這些領域，氫氣和氫衍生的電燃料是唯一可行的可再生發電能源載體。擴大電解器和燃料電池的生產以滿足這些基本應用的需求，可能會被證明極具挑戰性，并可能受到諸如鉑等關鍵材料供應的制約。 電力道路系統 (ERS) 當車輛行駛在設有專用設備的公路車道上時，電力道路系統或 ERS 可直接從當地電力設施為電池充電。車輛電池充電可以采用 3 種不同的方式： · 通過埋在路面下的線圈進行無線傳輸——采用的技術不同于傳統電子設計的技術 · 通過與路面上的導電軌道直接機械接觸——類似于自動倉庫中用于為自動導引車 (AGV) 充電的軌道 · 通過架空電纜，車頂上的接觸器與電纜進行直接的機械接觸 用于重型卡車的最成熟技術是使用懸掛在稱為“接觸網”的掛架上的架空電纜，并搭配卡車頂上的受電弓系統。這與鐵路和有軌電車電氣化非常相似，可使用已成熟的安裝和部件制造供應鏈。自 2016 年以來，西門子 eHighway 系統一直在瑞典一段 2 公里長的高速公路上運行，并在德國眾多更長的公共高速公路上運行，德國政府計劃在 2023 年前覆蓋 200 公里，2030 年前覆蓋 4,000 公里。
圖 6：ERS 的一個優點是，它們只需要安裝在某些路段上...無需鋪滿系統中的每條公路。（圖片來源：Siemens Mobility）
圖 7：Continental 的工程師正在與 Siemens Mobility 合作，研究動態充電的受電弓設計——換句話說，在商用卡車行駛過程中，由架空線提供電力，為其電池充電。（圖片來源：Continental AG） 在幾個歐洲國家的研究發現，這是最具成本效益的公路運輸碳減排方式。例如在英國，第一階段 ERS 安裝耗資 56 億英鎊，可以在兩年內實現 3,261 公里電氣化。車輛運營商將在 18 個月內收回對受電弓電動車的投資，而電氣化基礎設施將在 15 年內通過電力銷售收回投資。ERS 將使電池容量減少約 80%，為遠離 ERS 網絡行駛保留 200 公里的續航。沒有長電池續航里程的混合動力車輛也可以通過主要在 ERS 網絡上行駛來實現非常低的排放。減少電池需求將大幅降低電氣化的資本成本以及關鍵金屬制約的影響。 普華永道的一項研究發現，ERS 的成本比氫能源系統要高，但卻錯誤地假設所有接觸網卡車都采用小型電池（所以不適合長距離接觸網使用）。這種限制將在 ERS 網絡廣泛普及之前阻礙其采用——并預測接觸網的使用率只有新的快速充電和加氫基礎設施假設使用率的 1/3。然而，第一批 ERS 技術（包括西門子和 Scania 的技術）是基于混合動力卡車的設計——而且計劃只有在 ERS 網絡完善后才會轉向純電動卡車設計。基于正確假設的研究表明，設有新型 ERS 的繁忙交通走廊將實現高使用率。為德國政府進行的一項研究發現，到 2030 年，德國 4,000 公里的 ERS 網絡可以為 85% 的新式重型卡車提供服務。 總結 雖然純電動卡車和氫氣卡車受到很多關注，但對于大部分商業公路貨運交通來說，電力道路系統或 ERS 可能是更好的解決方案。ERS 是一種技術上成熟且具有成本效益的方案，它避免了嚴重依賴電池或燃料電池的設計所存在的供應鏈問題和關鍵金屬制約。實施特定 ERS 面臨的主要挑戰是，在運輸市場有機會證明可行之前，ERS 需要大規模的基礎設施投資——所以很可能需要激勵措施或政府直接投資。 在優化的基礎設施中，BEV 卡車可以補充 ERS，以實現本地運送以及經過不常用道路的超長途運送。本文認為，具有某種形式化學儲能的卡車將在可預見的未來成為主要選擇——無論是采取 FCEV 的形式，還是使用電燃料或生物燃料的混合卡車。 如果全球社會認真對待碳減排問題，現有的氫氣產業必須碳減排。氫氣適用于沒有其他可行替代方案的應用。在交通運輸等領域開辟出新市場之前，這些領域有能效更高的替代方案，如電池電氣化和電力道路系統。這些觀點也同樣適用于在重型卡車中使用電燃料——但有時會在增程器中有限地使用，并結合 ERS 來解決車輛的大部分能源消耗。 |
