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研究周報(bào) | 從典型技術(shù)路線看特斯拉Semi電動重卡最終形態(tài)

原本計(jì)劃于九月發(fā)布的特斯拉電動重卡Semi又一次跳票了,盡管如此,大家對Semi仍然充滿期待,因?yàn)?a class='link' href='http://autopag.com/tag/馬斯克' target='_blank'>馬斯克一向被看做新能源行業(yè)的風(fēng)向標(biāo)人物,他發(fā)布的技術(shù)路線被一向大多數(shù)人認(rèn)為能代表未來趨勢。

但是,關(guān)于Semi的詳細(xì)資料鮮有透漏,看來保密工作做的相當(dāng)好,本期周報(bào)嘗試從商業(yè)應(yīng)用角度和目前有代表性的新能源重卡車型出發(fā),來分析特斯拉究竟會在Semi車型上應(yīng)用哪些技術(shù)方案。

關(guān)于電動卡車的商業(yè)應(yīng)用前景,麥肯錫公司的 4 位咨詢師 Bernd Heid、Russell Hensley、Stefan Knupfer 和 Andreas Tschiesner發(fā)布了針對純電動商用車市場(特別是電動卡車)的研究報(bào)告《What’s Sparking Electric Vehicle Adoption in the Truck Industry?》。該報(bào)告認(rèn)為,電動卡車將在未來 10 年集中爆發(fā),爆發(fā)的臨界條件主要為以下三條:

  • 從總擁有成本(Total Cost of Ownership,TCO)的角度看,電動卡車可以和使用柴油或替代動力的卡車持平;

  • 電動汽車商業(yè)應(yīng)用的相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施逐漸完善;

  • 監(jiān)管環(huán)境促使人們采用電動卡車,包括國家層面的排放法規(guī)(如針對車企所產(chǎn)汽車總二氧化碳的排放目標(biāo))和地方層面的準(zhǔn)入政策(例如無排放區(qū)域的設(shè)立)。

目前對于電動輕型卡車的研究較多,不少產(chǎn)品已經(jīng)在實(shí)際中批量應(yīng)用。但是提到重卡,大部分的觀點(diǎn)認(rèn)為目前的電動技術(shù)還難以應(yīng)對重卡重載荷、長距離的要求,這也是人們對特斯拉Semi充滿好奇的原因。重卡一般是指載重14-100噸的卡車產(chǎn)品,以國內(nèi)的燃油卡車為例,其分類和代表車型如下:

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1. 純電重卡暫時難以大規(guī)模商用

我們從麥肯錫報(bào)告涉及的總擁有成本和排放標(biāo)準(zhǔn)兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行對比分析。

在工信部《新能源汽車推廣應(yīng)用推薦車型目錄(2017年第3批)》中首次出現(xiàn)了純電動牽引重卡車,其公告號為CGC4250BEV1GCG2,生產(chǎn)廠商為大運(yùn)重卡。

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公告顯示,該純電動重卡總質(zhì)量為25T,牽引車頭整備質(zhì)量14噸,準(zhǔn)拖掛車總質(zhì)量29噸,有效貨物載荷約為17噸。為方便對比,我們選擇大運(yùn)一款等質(zhì)量的柴油重卡來對比,這款柴油重卡車輛總質(zhì)量同樣為25T,但牽引車頭整備質(zhì)量最大僅為9.6噸,準(zhǔn)拖掛車總質(zhì)量更是達(dá)到了40噸,也即有效載荷25噸。

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(1)車輛采購成本對比

柴油重卡在卡車之家的報(bào)價為32萬,電動重卡售價約79萬(不含補(bǔ)貼),也即車輛采購成本電動版重卡高出47萬。

(2)使用成本對比

資料顯示,這款山西大運(yùn)6×4純電動重型卡車曾在江西新余鋼鐵公司、河北黃驊港碼頭、德龍鋼鐵公司等地,對車輛裝載鋼材及集裝箱等進(jìn)行過測試。測試結(jié)果顯示,該重卡綜合百公里電耗約為120kwh,按照充電費(fèi)用平均1元/kwh計(jì)算,百公里成本為120元。

傳統(tǒng)燃油重卡百公里能耗約30L柴油,按照單價5.68元/升來計(jì)算,百公里成本約為170元。按照一輛車平均生命周期跑20萬公里計(jì)算,電動重卡總?cè)剂腺M(fèi)用節(jié)省為10萬元。

(3)營運(yùn)收入對比

上面兩款車中,柴油重卡的有效載荷比電動重卡多出8噸。以常見的煤炭運(yùn)輸為例,煤炭汽運(yùn)每噸每公里運(yùn)費(fèi)約為0.4元,也即同樣拉一車煤,電動重卡每公里少收入3.2元,20萬公里的運(yùn)費(fèi)收入減少約64萬元。

在不考慮車輛殘值的情況下(一般燃油車的殘值還高于電動車),對比之下,純電動重卡的總持有成本高出100萬左右。所以目前的電動重卡都對準(zhǔn)了港口和碼頭的內(nèi)部轉(zhuǎn)運(yùn),因?yàn)樵撨\(yùn)營場景不需要考慮運(yùn)費(fèi)收入的減少這一塊。

(4)排放對比

理論計(jì)算,各類燃料的CO2排放指如下表:

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1kg柴油燃燒排放CO2約3.1kg,百公里油耗30L,按照0#柴油0.835g/ml的密度計(jì)算,柴油重卡百公里CO2排放約為77.7kg。

電池所需電力來源于電廠發(fā)電, 發(fā)電廠內(nèi)機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)和控制設(shè)備的工作都要消耗一定的電能,這部分電稱為廠用電,通常的廠用電率為5%~10%。電網(wǎng)傳輸效率93.53%,充電機(jī)效率取一般值94%。我國各大電網(wǎng)之間的電力類型比例不同,為方便計(jì)算,按照我國的發(fā)電類型平均比例71.6%為火電計(jì)算,百公里耗電為120度電時需要的火電廠側(cè)的發(fā)電量為:

120×71.6%(火電比例)÷94%(充電效率)÷93.53%(電網(wǎng)效率)÷95%(去廠內(nèi)用電)=101kWh

按照標(biāo)準(zhǔn)煤的碳元素含量68% (重量),C分子量12,CO2分子量44,根據(jù)反應(yīng)式:C+02=C02,從理論上計(jì)算電廠每發(fā)出一度電產(chǎn)生的二氧化碳為:312×0.68/12x44=788克。因此百公里120度電的發(fā)電側(cè)二氧化碳排放約79.6kg。

按照麥肯錫的評判標(biāo)準(zhǔn),純電重卡無論在總擁有成本還是排放上都高于柴油重卡,也即純電動的路線確實(shí)難以支撐重卡的業(yè)化應(yīng)用。

2. 典型重卡產(chǎn)品及技術(shù)路線對比

正如馬斯克所講,電機(jī)有著更強(qiáng)的扭矩輸出,Semi可以在拔河比賽中拖著柴油車上坡,而且電動重卡在噪音和舒適性上更勝一籌。

目前國內(nèi)外更多商用的重卡是混合動力結(jié),其中混動中卡比較有代表性的有:奔馳 Atego 1222 BlueTec Hybrid, 曼MAN TGL 12.220 Hybrid, 達(dá)夫 LF Hybrid, 沃爾沃VOLVO FE Hybrid等,都是柴油發(fā)動機(jī)和電機(jī)的并聯(lián)式混動。而特斯拉的Semi屬于牽引重卡級別,同級別的代表車型有沃爾沃 mean green、日野Profia、沃爾瑪概念重卡WAVE、尼古拉電動重卡Nikola One等。

(1)沃爾沃mean green重卡

沃爾沃mean green采用柴油引擎和電機(jī)混動,搭載了一部編號命名為“d16”的混合動力引擎,與之搭配的是一臺升級過的i-shift變速箱;其中電動機(jī)便可輸出200馬力的最大功率,峰值扭矩達(dá)到了1200牛。

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(2)沃爾瑪概念重卡WAVE

與沃爾沃不同,沃爾瑪?shù)腤AVE混動沒有使用柴油引擎,而是采用了微型燃?xì)廨啓C(jī),以天然氣或其他燃料提供動力,由此實(shí)現(xiàn)接近零排放。據(jù)稱,WAVE的混合驅(qū)動系統(tǒng)能夠在渦輪驅(qū)動和電力驅(qū)動之間找到最有效的平衡點(diǎn)。這套混合驅(qū)動系統(tǒng)有三種運(yùn)行模式:充電模式、電力驅(qū)動模式和混合電力模式。

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工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)是從飛機(jī)噴氣式發(fā)動機(jī)的技術(shù)演變而來的,已在坦克和機(jī)車動力等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。最簡單的燃?xì)廨啓C(jī)裝置包括三個主要部件:壓氣機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和燃燒室。其工作流程為:空氣和燃料分別經(jīng)壓氣機(jī)與泵增壓后送入燃燒室,在其中燃料與空氣混合并燃燒,釋放出熱能。燃燒所產(chǎn)生的燃?xì)馕鼰岷鬁囟壬撸缓罅魅肴細(xì)廨啓C(jī)的動力渦輪室膨脹做功,做功后的氣體排向大氣并向大氣放熱。重復(fù)上述升壓、吸熱、膨脹和放熱過程,連續(xù)不斷地將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能.進(jìn)而轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。

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燃?xì)廨啓C(jī)具有比較好的燃料機(jī)動性,可以使用的氣體燃料包括:天然氣、丙烷及含硫化氫(H2S)大于7%的酸性氣體等,液體燃料包括:汽油、煤油和柴油等。與往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)相比,燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)簡單,無故障使用壽命比較高且排放低于柴油發(fā)動機(jī)。隨著技術(shù)的進(jìn)步和設(shè)備成本的降低,將微型燃?xì)廨啓C(jī)應(yīng)用在混合動力汽車上也是一條值得考慮的技術(shù)路線,比如超跑泰克魯斯騰風(fēng)就是采用了微型燃?xì)廨啓C(jī)給電池組發(fā)電的增程技術(shù)。

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(3)尼古拉電動重卡Nikola One

尼古拉推出的電動重卡Nikola One,整車都采用了電機(jī)驅(qū)動,充電上則采用了氫燃料給電池組充電。下圖中?的位置,放置了320KWH的鋰電池組,位置?是氫燃料電池,位置?是加氫氣的存儲。

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根據(jù)尼古拉官方網(wǎng)站給出的參數(shù),采用這種技術(shù)之后,這個車頭的整備質(zhì)量反而比柴油引擎的車頭更輕了,加上其最大馬力幾乎是柴油引擎的兩倍,意味著Nikola One的拖掛總質(zhì)量和有效貨物載荷都會高于柴油車,這樣在總持有成本的單車收入項(xiàng)上就超過了柴油車。

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柴油

電動

馬力

500HP=367.5kw

1000HP=735kw

力矩

1650ft-lbs=2236NM

2000 ft-lbs=2710NM

里程

500-750miles=800-1200km

800-1200mils=1280-1920km

MPG英里/加侖

7.5MPG =31.5L百公里油耗

13-15MPG=15.75L百公里油耗

重量

19,000 - 23,000 lbs=8.6T-10.4t

18000-21000lbs=8.2t-9.5t

3. 特斯拉Semi的預(yù)測

按照曉宇的計(jì)算(參見:電動重卡,尼古拉·特斯拉的“姓”與“名”之爭),假如SEMI依然采用純電路線,對于一個半掛式卡車來說,每天大約要跑300-600英里,按照目前特斯拉電池pack的能量密度水平約240Wh/kg,每度電大概能跑0.503英里,那么600英里(大約1000公里)的續(xù)航大約需要1200kwh的電池,那么光電池成本就用到了25萬美元,而電池本身的重量也將達(dá)到至少5t以上。

對于燃油卡車本身重量約15t,售價僅12萬美元的車來說,以上數(shù)據(jù)顯然是沒有任何競爭力的。曉宇推測即使能量密度提升到300Wh/kg,同時成本降到172USD/kwh(約1100-1200元每度電),也不具備足夠的競爭力。

將大量的能源儲存在電池里,然后安裝在卡車上,顯然有很多不經(jīng)濟(jì)的地方。Semi如果想減小電池包,則很可能采用換電模式,沿途更換。以馬斯克一貫的獨(dú)立特行,不排除他可能鋪設(shè)solar  roadways太陽能道路,并利用道路感應(yīng)充電。

從流出的Semi照片來看,它沒有后視鏡,這對一款采用自動駕駛技術(shù)的汽車來說是必然的,如果能夠節(jié)省下司機(jī)的費(fèi)用,對于其總持有成本的打平是非常有利的。

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馬斯克曾透漏Tesla Semi 將使用“一堆”Model 3 的電動機(jī),在試駕原型車的時候這輛卡車“感覺像一輛跑車”。推測Semi將采用與Nikola One類似的全輪電機(jī)驅(qū)動,而非傳統(tǒng)的單電機(jī)加變速箱模式,也不是model x的雙電機(jī)模式。Nikola One可以通過線控驅(qū)動獨(dú)立控制每一個車輪,通過與馬達(dá)交流30次一秒鐘,每輪的速度可以調(diào)整,同時實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎,機(jī)動,加速和制動。

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對于重卡來說,更輕的重量意味著更多的收入。Nikola One宣稱其底盤減重約2000磅,而最大負(fù)荷后每磅可能值50美元。通過節(jié)省多達(dá)2000磅,業(yè)主可以賺取約1000美元的額外收入。沃爾瑪?shù)腤AVE甚至不惜成本用一整張?zhí)祭w維板打造長達(dá)53英寸的拖車頂部和側(cè)面,以減輕約4000磅的重量。因此可以肯定,馬斯克在這款Semi應(yīng)該也會有出色的減重方案。

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至于其宣稱的“Semi開起來像一輛跑車”,考慮到電機(jī)的扭矩特性,不足為奇。沃爾沃混合動力卡車 Mean Green于2012年4月27日在美國猶他州的溫道爾機(jī)場創(chuàng)造了混合動力卡車極速紀(jì)錄:全速速度 236.577km/h,靜止出發(fā)速度153.252km/h。Nikola One官網(wǎng)也稱其最大可達(dá)1000馬力輸出。

預(yù)測特斯拉Semi會通過“隊(duì)列”技術(shù)來提高電池的里程,隊(duì)列之間通過無線通訊和雷達(dá)等保持,這樣可以減少空氣阻力,減少電能消耗。

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來源:第一電動網(wǎng)

作者:冰封之城

本文地址:http://autopag.com/kol/57580

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