中国重卡:电动vs氢动

中国已经是电车超级大国。说起来,中国电车还是电动大巴先行一步,轿车是后来才爆发性增长的。但是,卡车似乎是明显的缺板。

中国是重卡大国,占世界40%左右。当前中国重卡与世界主流一样,柴油机驱动为主。在电车时代,电动重卡是否会取而代之,自然成为人们的关注。

柴油机卡车扭力大,省油,性能可靠,服务链完整,但噪声大、污染大。电动的话,扭力更大,无噪声,无污染,使用和维修更便宜,似乎是理想的替代。但在电动公交已经接近一统天下、新能源轿车(包括全电和混动)市场渗透率已经过半的现在,新能源卡车似乎并没有太大的声色。

曾经有一个时间,卡车与大巴共用平台。现在大巴基本上使用专用平台,不再与卡车共用。这是因为大巴需要:

1、 平台低,便于上下

2、 发动机后置,缩小占地和提高车内空间利用率,也降低车内噪声和气味

公交大巴频繁启停,每天晚上回车场,也特别适合电动的使用场景。

相比之下,重卡以牵引车为多,平台高低无所谓,发动机后置可以降低车全长和重量,但前置有降低风阻和提高碰撞安全的好处。最重要的是,重卡一上路就要开很远,长时间巡航的要求远远超过频繁启停,每天晚上也未必有正规的停车场可以停放。

重卡电动化的话,必须提供足够长的巡航里程。超过1000公里是起码的。电动轿车有声称达到1000公里行程的,但在实用条件下要打折扣。

据说深圳有电动的渣土车,这就是开始。

重卡有单车和拖头,渣土车是单车,使用模式上还有可能比照电动公交。拖头的问题更大。不过电动拖头有一个优势:不仅自带电池,拖车底盘里还可以放满电池,增加续航里程。

电池的重量是最大的问题。不管是电卡自带电池,还是拖车帮着分担电池,电池总重非常可观,在路上的全重是个问题。道路、桥梁都很吃重,过磅缴费可能也是割肉时刻。

轿车全重里,人的重量占比很小。电池比内燃机重,全车空重增加一般在10%一级,变化不算大,对道路、桥梁等问题不算大。电卡就不同了。

以北美典型重卡拖头为例,油箱在450-500升。柴油密度为0.84kg/升,1kg可以产生能量9600千卡,1卡=4. 185焦耳,1度=3600千焦耳。 柴油机的效率取40%,不计发电机/变速器损耗的话,1升柴油可以产生的能量约合0.84*9600*4.185*40%/3600=3.75千瓦-小时电能。500升柴油相当于1875千瓦-小时,重量420公斤。

相比之下,小米SU7的电池容量约74千瓦-小时,重量579公斤。把25个小米SU7的电池组绑在一起,在能量方面可以达到要求,但重量就奔14.5吨去了。典型重卡拖头全重也不过7.5-8吨。这样的电池重量是不可接受的。

把电池重量分摊一半甚至2/3到拖车,重卡拖头的重量降低了,但拖车的有效载荷就降低了,拖车的成本也大大提高。为了提高效率,在整个物流体系里,一个拖头对应很多拖车,每个拖车都自带电池将大大提高拖车车队的成本,并降低可拖运的载荷,这是不得不考虑的代价。

电池重量全部集中到拖头可以避免提高拖车成本,但轴重成为很大的限制。现在拖头大多为三轴,要保持同样的轴重的话,至少需要提高到八轴。这不是上公路的集卡拖头,改行拉“高丽原木”了。拖头的长度和复杂性不可接受。

特斯拉Semi已经跳票几次,现在说2025年底推出。希望马斯克不要染上“印度病”。据估计,Semi重达12.5吨,公路行程只有800公里。作为对比,2015年的Volvo 730只有8吨,有150加仑(570升)油箱,可以舒适地跑1600-2300公里不需要加油。

在美国,法律规定卡车司机连续开车700英里(约1100公里)必须休息10小时;每周典型实际里程约4000英里(约6500公里)。如果每一个过夜地都有充电的话,800公里行程依然意味着基本上每天都必须中途充电。快充可以在30分钟内充到80%,这意味着每周有2.5-3小时需要消耗在路上充电中,这还是假定立到立充和其余充电在休息的10小时里完成,否则每周充电要累计占用4个小时以上。

如果加油的话,大部分加油都不必在路上进行,假定所有加油都在路上而不是过夜地,停车加油也累计不超过1小时,每天的时间可以充分用于赶路。加油快多了,很少排队的问题。这意味着每周2-3小时的额外盈利时间。这是很可观的。

中国卡车司机和交规有所不同,但美国的例子还是可以用于比照的。

换电池是一个办法,但很多具体问题使得换电池“看起来很美”,蔚来正在体会到此路艰巨。

氢动的话,最大优越性是“加油”时间短,系统重量轻,行驶里程长。

氢动可以直接走内燃机路线,但现在一般还是考虑燃料电池,尽量利用电动的好处。

氢的能量密度高达120MJ/kg,相比之下,柴油只有42-46MJ/kg。也就是说,按重量的话,只需要1/3多一点的重量就足够了。问题是氢在常温常压下是气态,密度为0.084kg/立方米。也就是说,500升柴油同等能量的氢气体积为1650立方米!这不是卡车油箱,比“伯克”级驱逐舰的油箱(据说约400吨或者475立方米)还要大3倍!

加压可以缩小体积,但压力容器本身重量可观,安全性挑战更大。氢因为分子小,无孔不入,容易造成金属氢脆。氢泄露的话无色无味,连氢火焰都接近无色,很淡的蓝色在夜色里也只是隐约可见,在通常环境下很难看见,只看到扭曲升腾的热空气。

液化能进一步缩小体积。密度降低到70.9公斤/立方米,也就是说,420公斤柴油的能量可由不到150公斤的液氢替换,需要约6立方米,但温度低达-253C。

拖头上腾出6立方米的空间是有可能的,但这么大的液氢容器轻不了。6立方米的常压钢制容器大约1300公斤,加上保温和受热气化升压的加强可能还得加倍。但2.5-3吨的容器重量比14.5吨的电池要轻多了,液氢本身的重量反而可以忽略不计。

氢有泄漏问题,作为家用车辆,要长时间停在家里或者工作场所的密闭地下车库里,安全挑战很大。但氢动重卡基本上没有停地下车库的问题,少许泄漏直接就散发到空气里了,问题较小。商用车辆的维修条件也较好,检查较严格,安全相对容易得到保证。

充氢需要解决接头密封问题,此外和加油速度差不多,比充电快多了。

电动和氢动是互补的技术路线,本来就不应该非此即彼。在不同的场景下用最适当的技术才是正道。对于重卡来说,尤其是拖头来说,氢动可能更加适合。

氢动发展起来后,还可以移植到氢储能电站,用于电网低谷补电。氢动还可以发展到内河船只,船上对储氢容器的体积相对不敏感。

短途使用的渣土车、送货车需要看情况,原则还是电池重量不至于造成过度影响为度,但电动“开车不要钱”的优点就开始显著了。这些车也对里程焦虑不敏感。

但电动拖头在一个情况下是有利的:短途集卡,货场搬运,用于火车集装箱到站后的“最后一公里”。这实际上相当于集装箱送货,距离短,活儿琐碎,电动反而有利。

混动是另一个思路,可能成为电动或则氢动之前不错的过渡,但理由与混动轿车不一样。轿车混动用电动作为加速,可以小功率发动机得到大扭力的效果。柴油机卡车的功率本来就主要是按照长途巡航设计的,没有多少额外动力用于爬坡、加速,所以爬坡、加速慢吞吞的。混动卡车的话,内燃机动力依然需要按照长途巡航的动力要求,也就是说,没有多少额外功率可以用来充电;电动部分主要是起步、爬坡时加把力。混动可以在下坡或者刹车时回收能量,反复上下坡的话,能耗上等效为平地行驶,这应该是主要好处。城市内反复启停也可回收能量,降低能耗。

公交已经电动化了,这是正确的技术路线。旅游大巴其实还是柴油机为主。

旅游大巴与公交大巴的使用场景不一样,但更接近重卡单车,早出晚归,而不是远程连续使用,可能也以电动为好。旅游大巴对地板下空间高度不敏感,正好放电池,就是要解决重量问题,可能三轴要成为主流。

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