混合动力技术在重卡市场应用前景分析_史玉梅.pdf

内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n混合动力技术在重卡市场应用前景分析史玉梅,张广西,徐勤学,刘 翠(潍柴动力股份有限公司,山东 潍坊 2 6 1 0 6 1)摘 要:随着碳达峰碳中和目标的推进以及四阶段油耗法规的提出以及重卡行业销量的逐年增长,节能减排成为了重卡行业不可避免的话题,重卡为达到节能减排和双碳目标主要有以下路线:传统燃油车、纯电动汽车、燃料电池汽车以及混合动力汽车这几种主流方案。本文分析了混合动力汽车的构型及目前各种构型的发展状态,分析了各个构型的优缺点。经过分析表明,基于低碳目标的要求和四阶段油耗法规的限制,传统燃油重卡可在碳达峰阶段通过提升技术水平获得一定发展,燃料电池重卡在短期内,由于成本、核心技术以及储运设施、基础设施的限制还无法成为节能减排的主力,但是它们是解决碳中和阶段的终极解决方案,应在碳中和阶段快速导入。而现阶段到碳达峰这一时期,混合动力系统由于出色的降碳排和降油耗能力,是重卡满足碳达峰阶段最有效的技术手段。关键词:混合动力;重卡;节能减排 中图分类号:U 4 6 4 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 5-1 0 5-0 3P r o s p e c tA n a l y s i so fH y b r i dP o w e rS y s t e mi nH e a v yT r u c kM a r k e tS h iY u-m e i,Z h a n gG u a n g-x i,X uQ i n-x u e,L i uC u i(W e i c h a iP o w e rC o.,L t d.,W e i f a n g2 6 1 0 6 1,C h i n a)A b s t r a c t:W i t ht h ep e a kc a r b o nd i o x i d ee m i s s i o n sa n df o u rs t a g e f u e l c o n s u m p t i o na n ds a l e so fh e a v yt r u c k si n c r e a s i n gy e a rb yy e a r,t h ed e m a n df o r l o w-c a r b o nE n e r g yS a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o ni sh i g h e ra n dh i g h e r,h e a v yt r u c ke n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o nr o u t e i n c l u d e:e n g i n,e l e c t r i cv e h i c l e,f u e l c e l l c a r a n dh y b r i de-l e c t r i cv e h i c l e.I nt h i sp a p e r,t h ec u r r e n t c o n f i g u r a t i o na n dd e v e l o p m e n to fh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e i nh e a v yt r u c kp o w e r t r a i na r ea n a l y z e d,a n dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r ea n a l y z e d.T h e r e s e a r c hs h o w s t h a t,b a s e do nt h ep e a kc a r b o nd i o x i d ee m i s s i o n sa n df o u rs t a g e f u e l c o n s u m p t i o n.T h et r a d i t i o n a l f u e lv e h i c l ec a na c h i e v ec e r-t a i nd e v e l o p m e n tb yu p g r a d i n gt h e t e c h n i c a l l e v e l i nt h es t a g eo f c a r b o np e a k.I nt h es h o r t t e r m,f u e l c e l l h e a v yt r u c k sc a n n o tb e t h em a i np o w e rd u e t o t h e l i m i t a t i o n so f c o s t,c o r e t e c h n o l o g i e s,s t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o nf a-c i l i t i e s,a n d i n f r a s t r u c t u r e.H o w e v e r,t h e ya r e t h eu l t i m a t e s o l u t i o n t o t h e c a r b o nn e u t r a l s t a g e a n ds h o u l db e i n-t r o d u c e dq u i c k l y i nt h e c a r b o nn e u t r a l s t a g e.I n t h ep e r i o d f r o mt h ep r e s e n t s t a g e t op e a kc a r b o ne m i s s i o ns t a g e,h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e i st h em o s te f f e c t i v et e c h n i c a lm e a n sf o rh e a v yt r u c k st om e e tt h ep e a kc a r b o ne m i s s i o ns t a g ed u e t o i t se x c e l l e n t c a r b o ne m i s s i o nr e d u c t i o na n df u e l c o n s u m p t i o nr e d u c t i o na b i l i t y.K e yw o r d s:H y b r i dp o w e rs y s t e m;H e a v yt r u c k;E n e r g yc o n s e r v a t i o na n de m i s s i o nr e d u c t i o n作者简介:史玉梅(1 9 8 6),女,山东青岛人,工学硕士,工程师,主要研究方向为柴油机技术规划。2 0 2 0年9月,中国提出双碳目标的要求:2 0 3 0年碳达峰,2 0 6 0年碳中和。学者对中国的减碳问题开展了大量研究,其中交通运输行业作为碳排放的主要来源之一占中国碳排放总量的1 0.7%1。2 0 2 2年度中国汽车低碳行动计划中指出,到2 0 3 0年碳达峰阶段商用车碳排目标要达到4.7亿吨,2 0 6 0年碳中和阶段商用车碳排目标要达到0.9 4亿吨。商用车面临的减碳挑战:高峰值、高降速、快转折。在对商用车的碳排放测算中,所有商用车碳排放占据全部车辆碳排放的比例接近6 5%,其中重卡碳排放占比达8 3.5%,是碳减排所有车辆中的关键车型。近几年,我国重卡市场规模呈现大幅增长。2 0 1 52 0 2 1年,重卡市场整体一直呈上升趋势;从2 0 1 7年开始进入百万辆,2 0 2 0年,更是达到了1 6 2.3万辆,同比增长3 8%。具体数据如图1所示。基于未来汽车工业对“低碳、清洁、安全、高效”的能源的要求,重卡市场的未来发展路线存在以下几种:传统燃油车、混合动力车、纯电动车、燃料电池车等,各动力类型商用车在实际使用过程中存在一定的优势,也存在一定的挑战。图1我国燃料电池技术当前依然处于研发和小规模示范运行阶段2,在重要零部件、关键工艺、材料、耐久性等方面与国外依然存在一定差距,离产业化应用还有较长路要501DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.05.0352 0 2 3年第5期走。而混合动力相比于燃料电池系统技术更加成熟,相比于纯电动系统没有长途充电的顾虑,能够使用更小功率的电机、电池,对动力系统的改动最小,是当前技术条件下能够显著降低整车全生命周期成本并且满足国家排放法规要求的有效可行方案,当前阶段已经在一些轻、中卡上有所应用,在重卡上的应用才刚刚起步。1 传统燃油车传统燃油车面临的挑战主要是节能和减排,在碳排放控制压力和油耗法规限值要求下,商用车行业努力创新传统内燃机的技术。以使其符合节能减排的目标3。短期可以通过节能减排技术,改变发动机的喷油形式,改善燃烧状态、优化进气管路从而提高进气效率、通过各种保温措施减少热量损失、优化配副件工作环境降低摩擦力、进行动态停缸回收制动能量、高效S C R后处理系统、拓扑优化方法得到轻量化零部件等手段达到降低油耗减少排放的目的;中期通过精准的电控策略或者混合动力技术达到节能减排降碳的目的,满足2 0 3 0碳达峰的要求;长期则需要采用零碳排放的清洁燃料发动机,例如氢内燃机,以实现2 0 6 0碳达峰的目标。但是,目前传统内燃机经过一百多年的发展,各方面技术已趋近极限,节能减排潜力有限。2 纯电动汽车与传统燃油车相比,纯电动汽车也存在不可忽略的缺点,如电动汽车成本较高、续航里程不足、二手车出售难、检测与维修成本高、基础设施不完善、而且存在安全隐患4。吉利汽车研究院龚俊川等人5通过L C A的方法,发现纯电动汽车生产、报废阶段的全球增温潜势高于传统燃油车。北京理工大学孙逢春院士课题组6,对电池性能的影响做了大量的研究,证明纯电动汽车在低温环境的使用效果并不理想。3 氢燃料电池汽车氢燃料电池燃烧产物是水,是完全的零排放资源,新能源汽车产业发展规划(2 0 2 1-2 0 3 5年)指出需经过1 5年将燃料电池汽车进行商业化应用7。与氢内燃机相比,氢燃料电池具有运行噪音低、能量密度较高、排放完全无污染的优势,但是氢燃料电池对氢气纯度要求较高;与纯电动相比,氢燃料电池具有续航里程长、加注时间短的优势,因此氢燃料电池在重卡的未来应用前景较好8。但是目前,氢燃料电池技术本身与发达国家依然存在核心技术上的差距,关键零部件技术水平低,目前还是依赖进口。制氢及储氢的成本高、氢燃料电池堆的成本高、可靠性及耐久性问题未解决以及目前加氢站等基础设施的限制,包括电解水氢能的来源仍旧是以煤制氢为主,未形成可再生能源制氢模式,大规模推广短期内无法实现9。4 混合动力汽车混合动力汽车是指使用两种或两种以上动力源来为汽车提供动力的装置。基本结构是在燃油车或燃气轮机的基础上增加一套辅助动力系统。根据不同的分类形式,混合动力汽车又分为不同类别1 0。4.1 根据是否外接电源进行分类混合动力汽车按照是否有外接电源分为插电式混动和非插电式混动两种1 1。插电式混合动力电动车辆集合了传统燃油车辆及纯电动车辆的优点,既保障了续航,也可使其在城市工况下采用电能驱动以达到车辆零排放的目的,通过非车载装置获取能量;非插电式混合动力电动车辆主要有增程式混合动力电动车及混联式混合动力电动车,均是在车载燃料中获取能量,但通过采用混合动力模式以达到节能减排的效果。4.2 根据电机安装位置进行分类根据电机与发动机、变速箱、车轴之间的相对位置,混合动力系统可以分为5种构型,即P 0、P 1、P 2、P 3