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电池将如何推动零排放卡车转型

电气设备2024-09-17麦肯锡L***
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电池将如何推动零排放卡车转型

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 : Jakob Fleischmann与 Lena Bell 和 Patrick Kroyer 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。 公路货运车辆1占全球 CO 排放的重要份额。因此 , 最小化 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。 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) 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, 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。 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 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。 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。 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)。 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 排放。考虑 CO 排放时 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 H - ICE 车辆没有排气管 CO 排放 , 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。 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(Total Cost of Ownership, 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。 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。 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。4Eamonn Mulholland,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。25零排放 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。 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 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 H - FCEV 范围的良好的车轮效率 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。 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。 30% 和 40% 。7 H - ICE 车辆 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。 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。 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 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 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。 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。 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。 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 Web <2024> 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 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)。 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。 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。 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。 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。 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> 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,因为它提供了更高的封装密度。集成电池作为结构电池组件的下一步潜在步骤可能是电池到车辆设计,即直接将电池单元安装到车辆中。但这种方法需要重新考虑卡车平台设计,并且预计重型车辆的设计将继续采用框架布局,以满足刚性要求和独立供应商在卡车框架上构建的各种附加结构。 可更换电池的潜力 传统上,BEV设计假定电池包永久安装且在空置时进行充电。然而,电池充电所耗费的时间是BEV卡车最显著的缺点之一,对于依赖高利用率的车队运营商而言尤其具有挑战性。电池更换技术能够将BEV的充电时间从数小时减少至不到五分钟,从而消除一个重要的痛点。 相比之下,可更换电池可以从卡车下方或驾驶室后部取出并用充满电的电池替换。将电池放置在驾驶室后面可能只需要最少的额外投资,并且可以立即执行,但这可能会对卡车的驾驶动态、刹车距离和因此影响驾驶员安全产生影响。相反,将电池放置在卡车下方不会影响驾驶动态,但此选项可能需要更高的成本,因为它可能需要调整车辆架构,从而导致更高的成本。 影响包装能量密度的另一个因素是电池单元的形式。最常见的三种电池形式是圆形、软包和棱柱形。尽管软包电池在单个电池层面上具有更高的能量密度,但棱柱形电池的有效封装在包装层面提供了更高的能量密度。此外,棱柱形电池在生产和资本支出方面为电池生产提供了财务激励,因为它们可以用于创建更大的格式电池。因此,棱柱形电池形式的流行度有所增加。 若大规模实施,电池更换技术有可能从根本上改变零排放卡车行业的运作方式。在中国市场,大多数卡车制造商提供可更换电池的概念——2023年售出的所有电动重型卡车中,近一半具有可更换电池的能力。短期内,这一概念极具吸引力。尽管并非所有卡车都利用了这一功能,但个别电