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2020-08-06
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中国科学报 韩扬眉
新能源汽车正蓬勃发展,但能耗大、排放高的重型卡车的新能源之路却充满坎坷。前不久,美国劳伦斯伯克利国家实验室发布了《中国重型货运部门减油路径评估》报告,(以下简称报告)该报告指出,中国是全球最大的重卡市场,开始鼓励新能源重卡的发展。
不过,从全球来看,新能源重卡发展仍面临诸多瓶颈障碍,目前仍需要采用多元化的技术手段来减少重型货运部门二氧化碳排放量和柴油消费量。
我国新能源重卡的未来在哪里?如何使新能源重卡“叫好又叫座”?
优势明显 障碍待破
生态健康和能源安全要求重型卡车亟需清洁绿色化。
传统燃油重型卡车作为大气污染的重要来源,一直是城市治理的“心头难”、蓝天保卫战的“拦路虎”。据《中国机动车环境管理年报2018》,仅占汽车保有量7.8%的柴油货车,其氮氧化物和颗粒物排放量分别占汽车排放总量的57.3%和77.8%。
此外,重型卡车还是我国石油的主要消费对象,而我国原油对外依存度达到了70.8%,这严重影响国家安全、和经济社会的可持续发展。上述报告也指出,重卡的能耗预计将在全球范围内持续增长,作为快速发展的经济体,中国更是如此。
“重卡行业的节能减排势在必行。”北京交通大学机械与电子控制工程学院副教授刘杰告诉《中国科学报》。
以燃料电池、电力替代柴油作为驱动力的新能源动力系统,成为实现重卡节能绿色化的重要路径。
与其他新能源汽车一样,新能源重卡也有着明显优势,刘杰以燃料电池重卡为例指出,其具有绿色环保,有“零排放”汽车之称;能量转换效率高;续驶里程长,燃料加注便捷;运行平稳、噪声低以及燃料来源多样化、优化交通能源的构成等优点。
然而,遗憾地是,新能源重卡的市场始终温而不火,根源在于其背后技术和成本问题尚未突破。
清华大学车辆与运载学院教授李亮告诉《中国科学报》,重型卡车多以大功率长途运输为主,如果走纯电动发展路线,那么其发展的一大制约因素是电池的过大体积与自重,以及由此带来的过高成本;而就混合动力技术而言,由于当前车辆应用总体规模不足,导致其成本偏高,制约了普及程度提高。
“经济上不划算。”中国汽车技术研发中心总监胡辰树也表示,与柴油货车相比,新能源重卡无论是在采购环节还是在使用环节,都尚不具有成本上的优势。“纯电动重卡,每公里的电耗成本大约两块钱,燃料电池重卡每公里氢耗成本则要6块,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场虽在发展,但仍比较小。据我们的统计,2019年我国新能源货运车辆总产量6.85万辆,其中新能源重卡(14t以上)2961辆,同期我国重卡总产量(全部燃料类型)为114.2万辆,新能源重卡这远低于柴油重卡。”胡辰树认为,成本和市场问题主要由新能源技术发展现状所决定的,比如纯电动重卡,电池材料体系不突破,续航里程问题难以解决,而这是重卡的关键所在。
在刘杰看来,对于燃料电池重卡来说,除使用成本外,其制造成本也过高,这主要集中在双极板、质子交换膜和铂金属催化剂上;汽车启动性较差,其启动时间一般要超过3分钟;燃料电池系统抗震能力较差,易引起气体泄露,从而引发着火安全事故;此外,还有燃料电池的循环寿命较短、氢燃料的储存技术较弱、稀有贵金属的需求量较大,以及加氢站等基础设施建设不足问题。
“目前,新能源汽车完全替代传统燃油汽车还为时尚早。传统燃油汽车在可靠性、耐久性和燃料补充便捷性等方面要明显优于新能源汽车。总体来说,目前新能源重卡处于起步和示范阶段。”刘杰说。
多措并举 协同发力
尽管困难重重,但从国家到科研单位、企业从未停止探索的脚步。专家们表示,新能源重卡主要包括纯电动和燃料电池两条技术路线。
从国家政策来看,2015年以来,国家给予了新能源重卡(包括纯电卡车和燃料电池卡车)诸多政策补贴和优惠的交通政策。
今年4月,财政部等4部委联合发布的《关于完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》明确推动落实新能源汽车免限购、免限行、路权等支持政策,加大柴油货车治理力度,提高新能源汽车使用优势;支持“车电分离”等新型商业模式发展。这为新能源重卡发展提供了新动能。
刘杰介绍,在政策的推动下,我国已有中国重汽、陕汽、一汽解放、东风汽车等多家商用汽车企业布局了包括燃料电池整车、系统和电堆等在内的燃料电池重卡研发工作。部分车型还入选了工信部公示的《道路机动车辆生产企业及产品公告》。“目前,我们已初步掌握整车、动力系统和核心零部件的匹配技术,但部分企业的燃料电池汽车开发平台仍是由传统燃油汽车平台改装而来,尚未开展燃料电池专用汽车底盘的开发及匹配技术研究。”
在技术进展方面,目前使用的石墨、金属和复合材料等双极板材均有进展。其中,石墨双极板的技术已经成熟,具有导电及导热性好,但也具有较重、易碎和难加工的缺点。在膜电极研发方面,国内的大连新源动力等企业已初步具备了自主开发及生产能力;在系统其他部件方面,目前国内的35MPa高压储氢技术以基本掌握,目前正在积极研发70MPa储氢技术,但部分阀门、管路和传感器仍依赖进口。
“总体来看,我国燃料电池重卡产业初具规模。但关键材料和零部件,如催化剂、质子交换膜、碳纸、空压机、氢气循环泵等国产零部件的可靠性和耐久性远低于国外产品,需加大技术投入。”刘杰说。
在应用车型上,根据《新能源汽车推广应用推荐车型目录》(2020年第8批)所显示的,目前国内生产的电动重卡主要为运输车、城市客车、牵引车,以及邮政、环卫、冷链等相关车辆。
因“ 用”制宜 循序渐进
受到续驶里程短、购置成本高以及充电时间长等问题,目前新能源重卡的应用仍受到较大限制。
可循序渐进走向新能源。李亮认为,重卡下一步首先应成为“节能汽车” ,往清洁能源,提高动力传动系统总体效率方向发展。“通过一步步提高发动机到整个动力系统的效率,从而推进技术进步。”
具体来说,一方面,实现变速箱多档化,以充分发挥发动机的效率。另一方面,做到轻度混合动力化,用电机助力加速和制动能量回收,减小发动机后备功率,提升效率,实现整车轻量化和节能。
李亮建议,可给予一定的政策引导,比如:当发动机效率提升,油耗值满足某一些限值后,可对汽车购置税或是汽车使用环节给予税收减免或是政策鼓励。但仅依靠补贴推动重卡纯电动化是不可持续的。
刘杰也认为, 强混或者增程式混合动力技术的重型卡车没有续航危机和充电难的问题,同时还可通过柴油机和电动机的优化匹配,使得发动机工作在高效区,满足整车油耗和排放法规,是目前的最佳解决方案。
他还表示,在发展策略方面应根据不同地区的不同需求,推动不同技术路线的实施。未来重卡将出现三条技术路线。比如,在北上广等一线城市,推广纯电动城建、环卫重卡的应用,在城际运输以及二三线城市推广混合动力重卡。在长距离运输方面,未来燃料重卡将具备较大优势。
“在目前技术条件下,重卡汽车的发展一定要找准其应用场景,只有这样才能真正产生经济效益,逐步提升技术和产业化水平。”胡辰树说。
事实上,重卡的使用场景非常多样化,只是每种应用场景的技术要求都各不相同。比如,在城市内行驶的渣土自卸车,对环保要求高,路线相当于固定,两地之间距离相对较近,可以使用纯电动重卡。港口牵引运输车亦是如此,并且港区内有一定条件建设充电桩等基础设施。
此外,他还建议,可发挥龙头企业的带头牵引作用,而龙头企业不一定仅仅是车企,产品的应用方(用户)也能发挥驱动效应,比如大型物流、快递企业,甚至自身有较大物流需求的港口、厂矿企业,当其大规模应用相关产品时,市场足够大,车企、零部件企业会自主积极开发适合使用场景的产品。
当前,在“智慧交通”的国家战略和交通结构优化改变的大背景下,新能源重卡的未来或许可找到新的突破口。
刘杰指出,除了动力系统的升级优化,还应注重智能驾驶技术的应用。通过采用路径规划、驾驶员意图识别、自适应巡航以及主动安全技术等智能驾驶技术,充分提高整车的节能减排效果。
胡辰树认为,从长远来看,新能源重卡跟自动驾驶相结合,更进一步发挥新能源的优势。此外,交通部正着力优化运输结构,将中长距离的货物运输由公路运输向铁路和水运转移,打造绿色高效综合运输体系。“当货车只用于临近城市或者是城市内的短距离运输时,新能源重卡现有的劣势可能就不复存在了。”
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