歐洲主要卡車OEM 低碳化中重型卡車發展路徑簡介（上）

奚美麗 文

This article summarizes the current status and future development of low-carbon powertrain of major European truck manufacturers,and clarifies what low-carbon path each truck manufacturer has chosen, the current development stage, and low-carbon powertrains to be launched in the future, thereby providing reference for domestic enterprises to formulate low carbon fuel paths.

0 引言

近年來，為了降低卡車碳排放，降低卡車運輸業的氣候影響，實現卡車凈零排放的目標，歐洲主要卡車制造商紛紛研究發展低碳商用車，選擇的方向有天然氣、生物氣(生物甲烷)、生物柴油(包括HVO、FAME、XTL、e-fuel 等)、電動、燃料電池電動、混合動力、氫內燃機等。其中，天然氣發動機、生物氣發動機、液態生物燃料發動機、氫內燃機可以看做替代燃料內燃機，這表示內燃機在未來的低碳化競爭中仍然存在。混合動力本來就使用了一個內燃機，而未來，替代燃料內燃機或許會得到推廣應用，所以在通往零碳排放的道路上，內燃機很長時間內不會消亡。

實現清潔和可持續運輸，每個運輸場景需要針對性的方法。商用車行業肯定會達成凈零排放，需要使用更廣泛的技術實現這一目標。本文對歐洲主要卡車制造商的低碳發動機現狀和未來發展進行了梳理，闡明了各個卡車制造商選擇了哪種低碳化路徑、目前發展到哪個階段、未來還將推出哪種低碳動力系，為國內廠商制定低碳燃料動力系路徑提供參考。

1 斯堪尼亞卡車

1.1 當前動力總成布局

斯堪尼亞開發使營運商能夠降低CO2排放、降低燃油消耗、改進后處理的發動機。由于斯堪尼亞所有歐VI 發動機可以使用HVO(氫化植物油)，多款歐VI 發動機燃料為純生物柴油(FAME，甲基脂肪酸酯)，其產品計劃已轉向非礦物油。斯堪尼亞提供針對替代燃料如生物氣、生物乙醇的專門技術，以及混合動力技術，使用混合動力技術時，制動能量可以回收。表1-1～1-4 為斯堪尼亞部分動力解決方案。

表1-1 斯堪尼亞歐VI 發動機產品

表1-2 斯堪尼亞混合動力(HEV)產品

1.2 未來要推出的動力解決方案

2021 年2 月，斯堪尼亞發動機系列更名為斯堪尼亞動力解決方案，其中包括替代燃料和混合動力裝置。高效內燃機以非礦物油為動力，在未來運輸系統繼續扮演重要角色。

斯堪尼亞也開發汽車和基礎設施的電動技術。替代燃料方案與電氣化方案既可以單獨應用，也可以聯合應用，斯堪尼亞給市場提供最多的替代燃料發動機類型。

斯堪尼亞的目標是：用戶每購買一輛斯堪尼亞車輛，斯堪尼亞就能提供一輛礦物燃油車輛的替代車輛。斯堪尼亞承諾將可持續運輸車輛作為該公司的標準方案，將礦物燃油車輛作為替代方案。斯堪尼亞預計，到2025 年，電動汽車將占其歐洲汽車總銷量的10%左右，到2030 年，其汽車總銷量的50%預計將實現電動化。

(1)重型混合動力裝置。

在Interschutz 2022 消防展上，斯堪尼亞展出了一個以V8發動機為基礎的混合動力系統，其最大功率高達1 150 hp，該系統應用于機場消防車上。這套動力系統可分為前后兩段：前段是一臺標準的斯堪尼亞16 L V8 發動機，展示的這臺采用了770 hp、3 700 Nm 的配置，發動機的輸出端串聯有一臺電機；在混合動力模式下，這臺電機能額外輸出380 hp、1 500 Nm的扭矩，得益于電機的扭矩特性，車輛的加速表現大幅度提升。

電機輸出端直接連接傳動軸，傳動軸將動力傳輸至位于車體中央的變速器及分動器。機場消防車為了保證發動機的散熱，大部分都采用發動機后置布局，緊湊的動力艙無法安裝變速器和分動器等部件。因此，只能采用傳動軸進行動力傳導，將其安裝位置解放出來。這臺電機采用450 V 電氣架構，凈重為250 kg。使用時，車輛需搭載動力電池，來為電機供電。

表1-5 斯堪尼亞重型混合動力裝置

圖1-1 斯堪尼亞混動系統

得益于電機的大扭矩和扭矩特性，這套混合動力系統有3種不同的動力模式。

模式一：混動模式。在這個模式下，電機和柴油機將同時工作，驅動車輛行駛，并共同為車載水泵提供動力。這個模式是這套動力系統輸出最猛烈的模式。

模式二：純電模式。在這個模式下，工作任務將僅由電機進行，柴油機并不啟動。車輛的驅動以及車載設備動力均靠電機提供。根據斯堪尼亞和齊格勒的預計，純電模式能覆蓋80%以上的機場消防車工作場景。

模式三：充電/電量保持。在這個模式下，電機將不進行工作，僅由柴油機輸出動力，保障車載動力電池電量。同時，也可在驅動時為動力電池進行補電。

搭載這套動力總成的首發車型為德國泰坦公司的T-39 6×6 Hybrid 混動機場消防車底盤。該車采用螺旋彈簧懸架搭配德國Kessler 重型車橋，紅色的發動機及電氣線路、電池等設備位于后方。緊湊的動力總成布置形成了一個塔架，排氣、進氣等設備均采用疊放布置。同時，變速器、分動器以及取力器等設置在了車架中部，電機輸出端連著一根長的傳動軸，這不僅是為了車輛結構緊湊而妥協，也有利于安裝消防水泵等設備。

齊格勒機場公司訂購了這款T-39 6x6 Hybrid 混動機場消防車底盤，已經在官網上宣布將推出混合動力版本的Z6 機場消防車。

770 PS 的V8 發動機本就是歐洲當前的最強馬力王。在電機的加持下，這臺發動機具備更強的動力表現。首臺采用這套動力系統的機場消防車：齊格勒Z6 Hybrid 將于2023 年交付法蘭克福機場使用。

(2)氫內燃機。

西港(Westport)燃料與斯堪尼亞公司于2022 年10 月26日宣布了Westport H2HPDI*氫燃料直噴系統用于斯堪尼亞重型車輛應用發動機的測試結果。Westport 和斯堪尼亞的聯合演示項目測試了H2HPDI 氫燃料系統的性能，該系統適用于斯堪尼亞13 L CBE1 平臺發動機——斯堪尼亞的下一代發動機，也是其同類產品中性能最佳的發動機。早期測試結果表明，當使用Westport 的HPDI 技術以氫為燃料時，BTE 制動熱效率峰值為51.5%，在道路負載條件下為48.7%，其效率甚至高于已經超高效的柴油發動機(BTE 50%)，且其NOx 排放與基礎柴油發動機相似，符合歐VII 和EPA27 標準。

H2HPDI 概念要求對柴油氣缸蓋進行有限的重新設計，而不需要重新設計外部氣體交換系統、排氣后處理系統或曲軸箱通風系統，同時提供高低轉速扭矩和優異的瞬態性能。與現有技術相比，在搭載H2HPDI 燃料系統的內燃機中使用氫氣作為燃料是一種具有成本競爭力的途徑。

與燃料電池技術不同，使用氫氣作為發動機燃料，意味著未來的汽車上依舊可以使用氣體燃料，且與斯堪尼亞目前的生產系統兼容，這也是Westport 希望通過其HPDI 實現的。

(3)氫燃料電池卡車。

電池電動汽車是斯堪尼亞向可持續交通系統轉變的主要技術，斯堪尼亞也探索氫和燃料電池解決方案的潛力。多年來，斯堪尼亞一直參與各種氫技術開發項目，以獲得經驗。

目前，斯堪尼亞正在與康明斯公司合作開發一個20 輛燃料電池電動卡車項目，這些卡車將用于HyTrucks 項目，并使用綠氫作為能源。

燃料電池電動卡車將建立在斯堪尼亞的電池電動汽車平臺上，并利用康明斯的PEM 燃料電池系統以及氫加注與儲存解決方案。這20 輛卡車將于2024 年交付給HyTrucks，HyTrucks 是Air Liquide 公司和鹿特丹港管理局在荷蘭共同創建的一個項目。該項目將使斯堪尼亞能夠更多地了解如何安裝燃料電池系統、運營以及客戶體驗。

圖1-3 裝載西港H2 HPDI 燃料系統的斯堪尼亞13 L CBE1 平臺發動機在演示實驗中的熱效率比超高效柴油機還高

2022 年11月8 日消息，斯堪尼亞開發的第一批燃料電池卡車將交付給客戶。這些燃料電池卡車的總運行重量在40~70 t 之間，將于2024 年和2025 年交付給瑞士幾家公司。分別是Emmi AG——一家乳制品公司，Genossenschaft Migros Zürich——經營零售業務，Gysin Tiefbau AG——巴塞爾地區運輸重型機械的建筑公司，TRAVECO Transporte AG——國有物流公司。斯堪尼亞此前在研究項目和合作中開發了燃料電池卡車。這次與瑞士客戶簽單是斯堪尼亞第一次商業化銷售的燃料電池卡車。

據稱，斯堪尼亞已經明確，電池電動是其所有應用的主要途徑，但斯堪尼亞對客戶在氫等其他解決方案方面的需求持開放態度。該項目也加強了斯堪尼亞與康明斯公司之間的合作。在某些運營條件下，電池電動汽車可能不是最佳方案，斯堪尼亞會選用燃料電池電動汽車。斯堪尼亞提供對用戶運營經濟性和環境最后的方案。

為了加速向可持續交通的轉變，斯堪尼亞需要適應多種可再生能源。斯堪尼亞有興趣了解綠色氫能發揮什么作用，這可能不是最有效的解決方案，但它不含碳，短期內某些類型運輸很難以其他方式降低碳排放。

2 沃爾沃卡車

2.1 現有低碳動力系統

2.1.1 沃爾沃的氣體動力卡車

沃爾沃提供氣體動力卡車，按作業場景，包括垃圾收集車、配送車、區域運輸和長途運輸車。氣體發動機有多種型號，可以使用CNG、LNG、生物氣等燃料。

(1)沃爾沃FH LNG 和FM LNG。

沃爾沃FH LNG 是一種用于重型區域和長途運輸的卡車。FH LNG 針對長途運輸進行了優化。其動力系統基于沃爾沃的柴油發動機技術，其中G13C 發動機基于其最先進的D13K 發動機，與其性能、效率相當。氣體機以LNG 為燃料，用少量柴油或HVO 來點燃天然氣。其油井—車輪CO2排放量減少20%，并提供了降低燃料成本的機會。FM LNG 的主要參數與FH LNG 相同。

(2)沃爾沃FE CNG。

沃爾沃FE CNG 針對城市配送運輸和廢物收集進行了優化，它是燃氣動力的，僅使用CNG(天然氣或生物氣)驅動，可減少CO2排放。同時，它與柴油動力的沃爾沃FE 一樣高效。

2.1.2 生物柴油

沃爾沃各系列卡車發動機都提供至少一款生物柴油版本，見表2-2。

表2-2 沃爾沃卡車發動機使用替代燃料的情況

圖2-1 沃爾沃全系列卡車都可提供電動版

2.1.3 沃爾沃電動卡車

沃爾沃全系列卡車都可以提供電動版，部分參數如表2-3—2-6 所示。

表2-3 沃爾沃FH/FM/FMX 動力系統部分技術參數

表2-4 沃爾沃FE 動力系統部分技術參數

表2-5 沃爾沃FL 動力系統部分技術參數

表2-6 沃爾沃VNR 動力系統部分技術參數

2.2 未來要推出的低碳動力系統

沃爾沃已在歐洲市場推出全系列電動卡車產品并計劃2025年后量產氫燃料電池卡車。2022 年6 月20 日，沃爾沃卡車展示了其氫燃料電池卡車產品，標志著沃爾沃卡車在推出全系電池電動卡車之后，進一步完善了自己的新能源卡車產品線。

沃爾沃最新發布的氫燃料卡車基于第5 代FH 系列卡車開發。氫燃料版本的FH 卡車在外觀、內飾及其他架構方面變化不大，新增的儲氫罐等設備采用機架的方式布置在駕駛室的后方，占據約2 m 的長度。因此，改裝基型車采用了長軸距的4x2 牽引車底盤進行。沃爾沃卡車官方并沒有給出車輛的儲氫罐容量，但表示一次加氫能夠行駛1 000 km。同時，每次加氫只需要15 min，這也是氫燃料卡車相比起電動卡車的優勢。

2 套燃料電池系統安裝在車輛原有的發動機安裝位置，每套能夠提供150 kW 的電力輸出，共計300 kW。儲氫罐系統安裝在駕駛室后方的機架內部，有外殼對其加以保護。加氫口布置在了儲氫罐機架的左側下方區域。除了液氫加注口外，加注區域還設計了壓力表，便于實時監控壓力信息。

由于燃料電池系統不含內燃機，原有的內燃機相關附件被取消，因此，駕駛室左后方頂部原有的進氣空濾組件也被取消，取而代之的是填角處理。

在儲氫罐和駕駛室后壁的夾層之中，還安裝了部分的設備。燃料電池工作時會產生水，水蒸氣的排放口就放在了夾層處。其位于駕駛室右后方的導流罩內，采用豎置布置。當燃料電池全力發電時，這里就會排放出白色的水蒸氣。

圖2-2 新增的儲氫罐等設備布置在駕駛室后方

圖2-3 液氫加注區域設計有壓力表

圖2-4 2 套燃料電池系統安裝在原本發動機的位置

這臺氫燃料版本的沃爾沃FH 卡車采用了和柴油版FH 卡車相同的車橋組件，燃料電池系統負責發電，之后驅動中央電動機，為車輛提供動力。目前，車輛還處在原型車測試階段，預計2025 年才能正式推向市場。不過，其關鍵參數都已經基本明晰，不會發生大的改變——續航里程1 000 km 以上，燃料電池總功率300 kW，加氫時間少于15 min，最大可進行65 t GCW 的運輸，以適應Eco Combi 等形式的高密度運輸。

車輛的燃料電池系統由沃爾沃和戴姆勒集團的合資公司Cellcentric 開發。奔馳GenH2氫燃料卡車也在使用相同的燃料電池系統。并且，這兩臺卡車的開發進度、參數等也大致相似。GenH2的驅動馬力能達到660 kW(900 hp)，轉矩4 000 Nm，沃爾沃的氫燃料電池卡車應該也會達到相近水平。

表2-7 沃爾沃燃料電池系統主要參數

3 戴姆勒卡車

根據2021 年11月12 日，戴姆勒卡車 “資本市場日”發布的未來戰略，戴姆勒卡車提出：到2025年，大部分研發支出用于零排放車輛技術。戴姆勒卡車專注于純電動車輛和氫燃料電池車輛2 條技術路線，認為BEV(電池電動)和FCV(燃料電池)同等重要，針對不同用途與場景形成互補。戴姆勒卡車的目標是：到2030 年，新能源車輛占比超過60%；到2039 年，內燃機全部淘汰，實現100%零排放。

3.1 目前電池動力系統

3.2 未來要推出的動力系統

戴姆勒卡車希望通過自身的不懈努力和與戰略伙伴的積極合作，聚焦并加速發展純電動和氫燃料電池2 大零排放動力系統技術。純電動和氫燃料技術相輔相成，可以根據具體應用場景，為客戶提供最優解決方案。戴姆勒卡車希望，自2039 年起，在北美、歐洲和日本市場只提供運營碳中和的車輛。

(1)電池電動系統。

表3-2 eActros Longhaul 的電動機和電池

2022 年9 月，在漢諾威國際商用車及零部件展（IAA）上，戴姆勒公司帶來了豐富的電動車型。其中梅賽德斯-奔馳(Mercedes-Benz Truck)eActros LongHaul 純電動長途重卡概念原型車贏得了“2023 年度卡車創新獎(2023 Truck Innovation Award)”，梅賽德斯-奔馳卡車公司首席執行官Karin R?dstr?m 代表公司領取了這一獎項。

(2)氫燃料電池系統。

圖3-3 GenH2 氫燃料電池卡車的開發目標是實現超過1 000 km 的最大續航里程

圖3-4 正在加氫的GenH2 氫燃料電池卡車

2021 年10 月25 日，戴姆勒卡車公司已獲得在公共道路上使用氫燃料電池卡車的許可證。梅賽德斯-奔馳GenH2氫燃料電池卡車的設計目標是在單次加氫的情況下能夠達到1 000 km 及以上的行駛里程。戴姆勒卡車將在公共道路上進行測試，以在現實場景中驗證以上數據，該測試項目將包括梅賽德斯-奔馳eActros 和其他制造商的卡車及燃料電池卡車的對比測試。GenH2燃料電池卡車計劃 2023 年開始客戶試用，2025 年后投產。第一批生產的氫燃料電池卡車GenH2將從2027 開始正式移交給客戶。

2021 年5 月20 日，戴姆勒卡車公司和殼牌新能源公司簽署了一份協議，雙方將聯合開發一條氫燃料電池車貨運走廊，到2030 年，將提供150 個氫燃料加氫站，并布局大約5 000輛梅賽德斯-奔馳重型燃料電池卡車。

表3-3 GenH2 氫燃料電池卡車-動力系參數

4 曼恩卡車公司

曼恩卡車公司提供電動卡車，正在開發和測試氫內燃機；目前沒有看到曼的可以使用生物柴油、HVO、生物氣等替代燃料的發動機。曼恩在傳統內燃機上肯定還會持續的投入，在未來幾年也會持續從燃油消耗量，或者是碳排放下降方面繼續努力。

4.1 目前的低碳動力產品——曼恩eTGM 電動配送卡車

圖4-1 曼恩eTGM 電動配送卡車

表4-1 曼恩eTGM 的電動機和電池-技術參數

4.2 未來要推出的低碳動力系統

(1)曼恩e-Truck 電動牽引車。

曼恩 eTruck 系列在2022 年IAA 展出，原型是其用于長途運輸的電池電動牽引車，計劃2024 年上市，準備應用兆瓦充電。

表4-2 曼恩e-Truck 的電動機和電池部分參數

圖4-2 曼e-Truck 在2022 年IAA 上展出，計劃2024 年上市

(2)曼恩氫內燃機。

曼恩公司在2020年10月發布的未來的電動化戰略中表示，除了開發和制造電池驅動的商用車外，還將優先考慮氫能，即氫燃料電池和氫內燃機。曼恩公司原計劃最早于2021 年測試氫動力汽車原型，包括測試燃料電池和氫氣內燃機。

圖4-3 曼恩將H2 內燃機視為通向燃料電池的橋梁技術

曼恩將H2內燃機視為通向燃料電池的橋梁技術，因為曼恩認為該解決方案更容易實現且更強大。該計劃將于2023 或2024 年與選定的客戶合作開始測試。曼恩的目標是在運輸物流中測試整個氫生態系統。

2022 年2 月，曼恩公司在紐倫堡進行氫內燃機測試，試圖解決相對較高的消耗量。

曼恩公司以16.8 L 的直列6 缸柴油機為基礎，提出了氫氣低壓直噴的均質稀薄燃燒概念。對柴油機的燃料噴射系統、點火系統、氣門系統、缸蓋周邊進行了變更，氫噴射壓力為低壓2.2 MPa，壓縮比為13，點火系統采用了曼恩的CNG 發動機(E18)原有系統。根據氫氣噴射正時控制圖，當發動機處于低速高負荷工況，為了最大化吸入空氣量，在吸氣門關閉后噴射；當發動機處于高轉速工況，為了確保氣體的混合和渦輪效率，在吸氣行程中噴射。為了兼顧低NOx 排放(2 g/kWh 以下)和單渦輪的空氣供應極限，空氣過剩率λ= 2.5 ～2.7 的范圍內運行。為了降低氫燃燒的冷卻損失，對活塞燃燒室形狀也進行了優化，多缸發動機試驗結果最大凈熱效率達到44%。

圖4-4 曼恩在紐倫堡測試氫內燃機

圖4-5 單渦輪空氣過剩率適合范圍

圖4-6 曼恩公司氫內燃機的熱效率及NOX 排放MAP 圖

(3)氫燃料電池電動動力系統。

在Bayernflotte 項目中，曼恩正與博世、弗吉亞(Faurecia)、采埃孚合作開發一款燃料電池卡車。將在2024 年交付給5家客戶(BayWa、DB Schenker、GRESS Speedit、Rhenus Logistics 和Speedit Dettedorfer 等公司)，他們對燃料電池卡車進行為期1 年的運營測試。