电池将如何推动零排放卡车转型

汽车与装配实践 电池将如何推动零排放卡车转型 电池电动车辆技术将对于减少公路货运排放并达成全球气候目标至关重要。 作者：JakobFleischmann与LenaBell和PatrickKroyer 公路货运车辆1占全球CO排放的重要份额 。因此，最小化 2 他们的碳足迹是实现全球气候目标的关键步骤。在过去十年中，政府、车队运营商和卡车原始设备制造商已意识到这一行动需求，并采取了重大措施来促成这一积极转变。如今，减少这些排放的唯一有效方式是从化石燃料驱动的内燃机切换到零排放推进系统或其他碳中性燃料。 在柴油燃烧引擎的多个潜在零碳替代方案中，包括氢能源引擎、生物燃料或合成燃料（合成油）；然而，电池电动汽车（BEV）被认为适用于大多数商用场景的推进系统，并预计将在短期内主导市场，尤其是在短期内。 乘用车和公共汽车细分市场。过去十年中，电池包价格下降了超过80%，使得电池电动动力系统成为卡车的吸引人选择。 氢燃料电池动力系统仍处于更为初级的技术阶段，主要是由于乘客车辆领域采用率较低。为了使氢燃料电池电动汽车（H-FCEVs） 2 在竞争激烈的环境下，卡车原始设备制造商（OEMs）和供应商将需要进一步投资于创新和生产规模扩大。氢燃烧技术对动力总成平台的影响较小，因为现有的内燃机可以被调整以适应该技术。尽管氢内燃机（H-ICE）车辆最近才开始获得更多关注， 2 注意，监管机构已经开始将它们视为符合排放目标的零排放动力系统。4 本出版物探讨了为何投资电池电动卡车对于抢占卡车市场至关重要，以及原始设备制造商（OEMs）如何战略性地考虑追求电池技术，并且注重循环利用性。 最后，可再生能源燃料通常可以在无需进一步改造的情况下为现有的柴油或汽油燃烧引擎供能，并且已经在用于减少特定车队运营的碳排放。然而，这些燃料并不能计入欧洲或美国等主要市场对原始设备制造商（OEM）的重型车辆排放目标，因为它们仍然会产生尾气排放。 为什么电池是卡车的前进方向 全球各地的监管机构已为卡车原始设备制造商（OEMs）设定了雄心勃勃的排放目标。例如，欧盟委员会制定了最严格的排放规定之一，要求到2030年，与2019年的水平相比，新车销售的排放量减少45%，并在2040年减少90%。2为了促进这一过渡并推动创新，监管机构鼓励原始设备制造商（OEMs）考虑多种技术。美国环境保护署在2024年强调了这一点，表示其“标准基于性能，制造商无需使用特定技术来满足这些标准”。3 柴油的替代品 目前，柴油的可行替代方案中最具潜力的选择包括电池电动汽车（BEVs）、氢燃料电池电动汽车（H-FCEVs）以及氢内燃机。 2 发动机(H-ICE)和可再生燃料。对于电动汽车， 2 卡车原始设备制造商可以建立在十多年的电池 在实际应用中，替代动力系统具有特定的优势和劣势（见表1）。 排放。考虑CO排放时 2 和空气质量(包括氮氧化物[NOx]和颗粒物) ，仅BEV和H-FCEV5真正实现零排放 。而 2 H-ICE车辆没有排气管CO排放， 22 它们确实会排放NOx。生物燃料和合成燃料从整体上说是碳中性的，但在局部地区，它们会排放相当于CO、NOx和颗粒物的污染物 。 2 对于柴油发动机而言。因此，它们不被法规视为零排放技术，并且不计入减排目标的实现。 总拥有成本。卡车的总拥有成本（TotalCostofOwnership,TCO）受到车辆研发、基础设施和科技投入成本的影响。要达到理想的TCO水平，需要稳定且有吸引力的替代燃料供应以及经济实惠的电力。纯电动汽车（BEVs ）可能需要较大的初期资本投入，这主要是由于开发新型电池单元技术所需的显著研发投入，以及建设相关设施的成本。 技术创新的基础上 1公路货运车辆包括重型卡车(HDT)、中型卡车(MDT)和轻型卡车(LDT)。 2“问答：重型车辆的二氧化碳排放标准修订”，欧盟委员会，2024年5月13日。 3“重型车辆的温室气体排放标准：第三阶段”，美国环境保护署，2024年4月22日。 4EamonnMulholland,欧盟重型车辆修订的CO标准，国际清洁运输理事会(ICCT)，2024年5月。2 5零排放H-FCEV假定使用绿色或蓝色氢气和可再生能源。 2 Web<2024> <MCK249098商用车动力总成>附件1 <8>的附件<1> 三种柴油替代品对公路货运车辆最可行。 低性能 中低性能 BEV1 中高性能 H2-FCEV2 高性能 H2-ICE3 排放量 二氧化碳强度空气质量 总成本所有权 油箱到车轮efficiency动力总成资本支出基础设施费用 性能 正常运行时间和加油空间和有效载荷约束 1电池电动汽车。 2燃料电池电动汽车。 3内燃机车辆。 麦肯锡公司 为快速充电、高功率充电站以及充电站充电站提供充电基础设施。电池制造还需要建立新的生产设施并改造现有的车辆装配线以适应新型车辆架构。同时，BEVs（电池电动汽车）可以实现从源头到轮上的效率高达75%至85%，从而随着时间推移降低运营成本。6 H-FCEV范围的良好的车轮效率 2 使用不同类型的电子设备时，其效率范围在30 %到50%之间；而氢内燃机车辆的全链条效率范围则在某个未明确指定的值上。 2 30%和40%。7H-ICE车辆 2 此外，在资本支出方面也更为高效，因为传统发动机技术可以被修改为燃烧氢气而非化石燃料。 性能。此外，除了总拥有成本（TCO）外，加注时间或载荷限制等因素也影响了推进系统在不同应用场景下的适用性。根据充电器的类型，纯电动汽车（BEV）需要长达2.5小时来完成一次能续航500公里的充电。8而H-操作 2 卡车只需充填15至30分钟即可充至足以行驶相同距离的量。长时间的充填时间降低了卡车的效率。 并且增加了一条路线规划的复杂性，因为必须考虑强制性的驾驶员轮换和加油休息，这使得BEV在要求高利用率或全天候运营的应用场景中不太吸引人。但近年来，随着大量的研发投入，电池性能有了显著提升，尤其是在锂离子 （Li-ion）电池化学领域的投入。预计到2030年，大量的研发将致力于提高BEV充电器性能 ，使其能够在45分钟内为行驶500公里的卡车充电。9 除了排放、总拥有成本（TCO）和性能之外 ，还需要考虑地缘政治依赖性和供应链稳定性等因素。 截至目前，已有超过十家原始设备制造商 （OEMs）推出了或宣布了新的中重型零排放卡车型号。这些车型涵盖了长距离应用，欧洲的续航里程可达500公里，美国则为700公里。 预计电池电动卡车将在有限范围要求以及具有可预测、规律使用模式的货车应用案例中占据主导地位，如分发或线路运输操作。在这样的应用案例中，车辆规格和 6BerndHeid,ChristopherMartens,andAnnaOrthofer,"氢燃烧引擎如何贡献于零排放",McKinsey,June25,2021. 7Ibid. 8使用350千瓦充电器时(大多数卡车的标准类型在2024年停止)。 9使用一兆瓦充电器时。 充电基础设施可以根据特定的操作需求进行定制，以使电池电动卡车充分发挥其在高能效方面的全部优势。预计电池电动动力系统将在长途使用案例中占据较大市场份额，这些使用案例具有非常长的距离、对使用情况预测有限或涉及多司机操作，但它们将面临来自预计提供更长行驶距离和更快加注时间、从而在运营中提供更多灵活性的氢能源动力系统的竞争。 为了提供最符合其车辆独特需求的技术创新，卡车电池性能依赖于多个因素，包括能量密度 、电池成本和循环寿命——选择电池技术时最为关键的因素。此外，还应考虑功率密度、热传播以及可持续性等多方面因素以获得全面视角。 对于原始设备制造商（OEMs）要抢占纯电动汽车（BEV）市场，提供技术领先且商业吸引力强的车辆至关重要。这要求他们掌握电池技术，后者是关键的技术差异化因素和主要的成本驱动因素（见图表2）。 用于卡车的最佳短期和长期电池技术 随着电池性能因锂离子电池化学的持续进步而提升，卡车制造商可以利用这些改进来 电池的重量和体积越大，车辆的空间和载荷就越受到限制。为了在确保足够续航里程（特别是对于超过500公里的应用场景）的同时尽量减少电池的重量和体积，高能量密度（超过每千克210瓦特小时（Wh/kg））是必要的。类似地，高循环寿命（3,000至6,000次循环）对于确保电池的使用寿命至关重要。随着车队运营商力求最大化卡车的运行时间，货运电池将经历比乘用车更多次的充电循环。最后，因为电池构成了卡车物料清单的最大部分，原始设备制造商（OEMs）对单个电池成本非常敏感 ，这影响了商业竞争力和盈利能力。 Web<2024> <MCK249098商用车动力总成>附件2 <8>的附件<2> 电动汽车的主要费用是电池，占动力总成成本的84％。 2023年全球重型卡车内燃机（ICE）车辆平均成本与电池电动汽车（BEV）成本对比，每辆车€千 Part 成本分摊,% 成本趋势 Competitive优势 Battery ↓ High Other 动力总成组件 k Moderate 2 15 85 21 33 82 32 54 2× 114 其他车辆 组件1 动力总成 ICEBEV 1包括底盘、电子、内部和外部。 2包括电力驱动、电力电子和热管理。来源：麦肯锡未来移动中心 麦肯锡公司 考虑到这些因素，在短期内两种电池将是最佳选择：镍锰钴(NMC)和锂铁磷酸(LFP)。从长远来看，锂锰铁磷酸(LMFP)电池将在所有类别中展现出卓越性能，成为最有前景的电池组成（图3）。 NMC技术的高能量密度使其成为一个吸引人的选择。然而，NMC的成本相对较高，并且其循环寿命低于其他技术，因为镍化学成分的耐用性不如磷酸铁化学成分。将NMC电池的操作窗口限制在一定范围内以提高电池寿命不是一个可行的选择，因为它可能会危及电池在单个电池和电池包层面的能量密度优势，这主要是由于为了符合安全标准所需的更高的冷却和机械稳定性要求。 磷酸铁锂（LFP）电池因其对减轻电池包重量 、提升空间效率的适应性改进而变得具有吸引力，从而增加了电池的能量密度。此外，通过添加锰来推进LFP化学反应，提高了电压和能量密度，进而提升了电池性能。 磷酸铁化学。LFP的循环寿命在三种技术中是最高的；此外，其总成本相对适中，并且不含钴，这使其成为一个更加可持续和经济的选择 。 尽管LMFP在所有类别中具有最高的潜力，但该技术尚未完全开发，其首个市场应用预计要到2025年或以后才会出现。在此期间，LFP在大多数类别中的性能与LMFP相似，但能量密度较低。这对其续航能力产生了影响，尤其是在长途使用场景中。在LMFP准备好之前，LFP将是卡车的最佳电池化学成分。 卡车电池组设计的含义 包装设计选择也会对卡车的性能产生显着的影响，包括其范围和充电速度。 电池到电池组和电池到车辆设计 传统上，电池单元被排列成模块，然后组合成一个包。虽然模块在服务性方面具有优势，但基于模块的包设计在包层面牺牲了能量密度，从而影响了卡车的续航里程。 Web<2024> <MCK249098商用车动力总成>附件3 <8>的附件<3> 磷酸锰铁锂电池在六个关键类别中表现异常出色。 电池化学性能与卡车要求相比 竞争力：低High 关键因素能量密度 循环寿命总成本 其他因素功率密度 热传播阈值 可持续性 市场准备情况 适合卡车应用 NMC1 准备好了 中低 ­t LFP2 准备好了 中-t；短 术语(直到LMF3P已准备好) LMFP3 没准备好；商业规模扩大 从2025年开始 高的；长期的 1镍锰钴。 2磷酸铁锂。 3磷酸锰铁锂。来源：麦肯锡未来流动中心 麦肯锡公司 电池更换技术可以将BEV的充电时间从数小时减少至不到五分钟，从而消除一个显著的痛点。 近来，电池到封装的设计（该设计摒弃了模块化，直接从电池单元组装成封装）得到了更广泛的讨论，因为它提