新能源汽車正蓬勃發展,但能耗大、排放高的重型卡車的新能源之路卻充滿坎坷。前不久,美國勞倫斯伯克利國家實驗室發布了《中國重型貨運部門減油路徑評估》報告,(以下簡稱報告)該報告指出,中國是全球最大的重卡市場,開始鼓勵新能源重卡的發展。
不過,從全球來看,新能源重卡發展仍面臨諸多瓶頸障礙,目前仍需要采用多元化的技術手段來減少重型貨運部門二氧化碳排放量和柴油消費量。
我國新能源重卡的未來在哪里?如何使新能源重卡“叫好又叫座”?
優勢明顯 障礙待破
生態健康和能源安全要求重型卡車亟需清潔綠色化。
傳統燃油重型卡車作為大氣污染的重要來源,一直是城市治理的“心頭難”、藍天保衛戰的“攔路虎”。據《中國機動車環境管理年報2018》,僅占汽車保有量7.8%的柴油貨車,其氮氧化物和顆粒物排放量分別占汽車排放總量的57.3%和77.8%。
此外,重型卡車還是我國石油的主要消費對象,而我國原油對外依存度達到了70.8%,這嚴重影響國家安全、和經濟社會的可持續發展。上述報告也指出,重卡的能耗預計將在全球范圍內持續增長,作為快速發展的經濟體,中國更是如此。
“重卡行業的節能減排勢在必行。”北京交通大學機械與電子控制工程學院副教授劉杰告訴《中國科學報》。
以燃料電池、電力替代柴油作為驅動力的新能源動力系統,成為實現重卡節能綠色化的重要路徑。
與其他新能源汽車一樣,新能源重卡也有著明顯優勢,劉杰以燃料電池重卡為例指出,其具有綠色環保,有“零排放”汽車之稱;能量轉換效率高;續駛里程長,燃料加注便捷;運行平穩、噪聲低以及燃料來源多樣化、優化交通能源的構成等優點。
然而,遺憾地是,新能源重卡的市場始終溫而不火,根源在于其背后技術和成本問題尚未突破。
清華大學車輛與運載學院教授李亮告訴《中國科學報》,重型卡車多以大功率長途運輸為主,如果走純電動發展路線,那么其發展的一大制約因素是電池的過大體積與自重,以及由此帶來的過高成本;而就混合動力技術而言,由于當前車輛應用總體規模不足,導致其成本偏高,制約了普及程度提高。
“經濟上不劃算。”中國汽車技術研發中心總監胡辰樹也表示,與柴油貨車相比,新能源重卡無論是在采購環節還是在使用環節,都尚不具有成本上的優勢。“純電動重卡,每公里的電耗成本大約兩塊錢,燃料電池重卡每公里氫耗成本則要6塊,而柴油重卡每公里燃油成本一般只需要1.5元。”
“另外,目前新能源重卡的市場雖在發展,但仍比較小。據我們的統計,2019年我國新能源貨運車輛總產量6.85萬輛,其中新能源重卡(14t以上)2961輛,同期我國重卡總產量(全部燃料類型)為114.2萬輛,新能源重卡這遠低于柴油重卡。”胡辰樹認為,成本和市場問題主要由新能源技術發展現狀所決定的,比如純電動重卡,電池材料體系不突破,續航里程問題難以解決,而這是重卡的關鍵所在。
在劉杰看來,對于燃料電池重卡來說,除使用成本外,其制造成本也過高,這主要集中在雙極板、質子交換膜和鉑金屬催化劑上;汽車啟動性較差,其啟動時間一般要超過3分鐘;燃料電池系統抗震能力較差,易引起氣體泄露,從而引發著火安全事故;此外,還有燃料電池的循環壽命較短、氫燃料的儲存技術較弱、稀有貴金屬的需求量較大,以及加氫站等基礎設施建設不足問題。
“目前,新能源汽車完全替代傳統燃油汽車還為時尚早。傳統燃油汽車在可靠性、耐久性和燃料補充便捷性等方面要明顯優于新能源汽車。總體來說,目前新能源重卡處于起步和示范階段。”劉杰說。
多措并舉 協同發力
盡管困難重重,但從國家到科研單位、企業從未停止探索的腳步。專家們表示,新能源重卡主要包括純電動和燃料電池兩條技術路線。
從國家政策來看,2015年以來,國家給予了新能源重卡(包括純電卡車和燃料電池卡車)諸多政策補貼和優惠的交通政策。
今年4月,財政部等4部委聯合發布的《關于完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》明確推動落實新能源汽車免限購、免限行、路權等支持政策,加大柴油貨車治理力度,提高新能源汽車使用優勢;支持“車電分離”等新型商業模式發展。這為新能源重卡發展提供了新動能。
劉杰介紹,在政策的推動下,我國已有中國重汽、陜汽、一汽解放、東風汽車等多家商用汽車企業布局了包括燃料電池整車、系統和電堆等在內的燃料電池重卡研發工作。部分車型還入選了工信部公示的《道路機動車輛生產企業及產品公告》。“目前,我們已初步掌握整車、動力系統和核心零部件的匹配技術,但部分企業的燃料電池汽車開發平臺仍是由傳統燃油汽車平臺改裝而來,尚未開展燃料電池專用汽車底盤的開發及匹配技術研究。”
在技術進展方面,目前使用的石墨、金屬和復合材料等雙極板材均有進展。其中,石墨雙極板的技術已經成熟,具有導電及導熱性好,但也具有較重、易碎和難加工的缺點。在膜電極研發方面,國內的大連新源動力等企業已初步具備了自主開發及生產能力;在系統其他部件方面,目前國內的35MPa高壓儲氫技術以基本掌握,目前正在積極研發70MPa儲氫技術,但部分閥門、管路和傳感器仍依賴進口。
“總體來看,我國燃料電池重卡產業初具規模。但關鍵材料和零部件,如催化劑、質子交換膜、碳紙、空壓機、氫氣循環泵等國產零部件的可靠性和耐久性遠低于國外產品,需加大技術投入。”劉杰說。
在應用車型上,根據《新能源汽車推廣應用推薦車型目錄》(2020年第8批)所顯示的,目前國內生產的電動重卡主要為運輸車、城市客車、牽引車,以及郵政、環衛、冷鏈等相關車輛。
因“ 用”制宜 循序漸進
受到續駛里程短、購置成本高以及充電時間長等問題,目前新能源重卡的應用仍受到較大限制。
可循序漸進走向新能源。李亮認為,重卡下一步首先應成為“節能汽車” ,往清潔能源,提高動力傳動系統總體效率方向發展。“通過一步步提高發動機到整個動力系統的效率,從而推進技術進步。”
具體來說,一方面,實現變速箱多檔化,以充分發揮發動機的效率。另一方面,做到輕度混合動力化,用電機助力加速和制動能量回收,減小發動機后備功率,提升效率,實現整車輕量化和節能。
李亮建議,可給予一定的政策引導,比如:當發動機效率提升,油耗值滿足某一些限值后,可對汽車購置稅或是汽車使用環節給予稅收減免或是政策鼓勵。但僅依靠補貼推動重卡純電動化是不可持續的。
劉杰也認為, 強混或者增程式混合動力技術的重型卡車沒有續航危機和充電難的問題,同時還可通過柴油機和電動機的優化匹配,使得發動機工作在高效區,滿足整車油耗和排放法規,是目前的最佳解決方案。
他還表示,在發展策略方面應根據不同地區的不同需求,推動不同技術路線的實施。未來重卡將出現三條技術路線。比如,在北上廣等一線城市,推廣純電動城建、環衛重卡的應用,在城際運輸以及二三線城市推廣混合動力重卡。在長距離運輸方面,未來燃料重卡將具備較大優勢。
“在目前技術條件下,重卡汽車的發展一定要找準其應用場景,只有這樣才能真正產生經濟效益,逐步提升技術和產業化水平。”胡辰樹說。
事實上,重卡的使用場景非常多樣化,只是每種應用場景的技術要求都各不相同。比如,在城市內行駛的渣土自卸車,對環保要求高,路線相當于固定,兩地之間距離相對較近,可以使用純電動重卡。港口牽引運輸車亦是如此,并且港區內有一定條件建設充電樁等基礎設施。
此外,他還建議,可發揮龍頭企業的帶頭牽引作用,而龍頭企業不一定僅僅是車企,產品的應用方(用戶)也能發揮驅動效應,比如大型物流、快遞企業,甚至自身有較大物流需求的港口、廠礦企業,當其大規模應用相關產品時,市場足夠大,車企、零部件企業會自主積極開發適合使用場景的產品。
當前,在“智慧交通”的國家戰略和交通結構優化改變的大背景下,新能源重卡的未來或許可找到新的突破口。
劉杰指出,除了動力系統的升級優化,還應注重智能駕駛技術的應用。通過采用路徑規劃、駕駛員意圖識別、自適應巡航以及主動安全技術等智能駕駛技術,充分提高整車的節能減排效果。
胡辰樹認為,從長遠來看,新能源重卡跟自動駕駛相結合,更進一步發揮新能源的優勢。此外,交通部正著力優化運輸結構,將中長距離的貨物運輸由公路運輸向鐵路和水運轉移,打造綠色高效綜合運輸體系。“當貨車只用于臨近城市或者是城市內的短距離運輸時,新能源重卡現有的劣勢可能就不復存在了。”
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