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“编队飞行”,让电动卡车续航里程增加20%

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  “编队飞行”,让电动卡车续航里程增加20%


  野心勃勃的电动达人马斯克在今年六月份宣布将在10月26日(已经延期到11月16日)推出旗下的全电动半挂卡车,马斯克更是不吝赞美之词,在推特上称“这个野兽值得亲眼一见,它简直不是真的”。其实关注卡车电动化的远远不止特斯拉一家,就在刚刚,传统车企戴姆勒公司旗下的扶桑卡车发布E-FUSO Vision ONE纯电动重型概念车,卡车总重达到23.26吨,载重达到11.11吨,续航里程达到350公里。


  我们知道,电动卡车相比于传统的燃油卡车最大的短板就是电池组,一般而言传统的燃油卡车加一次油大约可以行驶1000英里左右,而目前锂离子电池的能量密度大约在240-280Wh/kg左右,如果电动卡车续航里程达到300,600,900英里,那么所需要储存的能量就要分别达到1000,2000和3100kWh,电池组中了则要分别达到8,18和27美吨(1美吨=2000磅=907.18474kg),如此笨重的电池组将会严重的限制卡车的有效载荷。同时大电池组的昂贵的成本也是我们不得不考虑的问题,一个能够行驶300英里的电动卡车电池组成本大约需要20万美元,而一辆燃油卡车的价格也仅仅为12万美元左右。面对电动卡车如此高昂的成本,如何让它发挥出最大价值就需要我们仔细研究了。


  受制于电池组的重量因素和价格因素,我们不可能将电动汽车的续航里程做到无限大,美国卡内基·梅隆大学的VenkatasubramanianViswanathan计算后认为最经济的续航里程是在300英里左右,当续航里程进一步提高后,电池组的重量就要与卡车的有效载荷相近或者更高了,降低了卡车的经济性。因此如何在电池组容量有限的情况下将续航里程发挥到极致就是需要我们考虑的。


  卡车载行驶的过程中,电池组中的能量主要用来克服行驶过程中遇到的阻力,阻力主要分为两种:道路阻力和空气阻力,其中道路阻力主要受到车辆载重、轮胎结构等因素的影响,因此比较固定。而空气阻力受到多种因素的影响,例如车身结构、空气状况和车辆编队等影响,今天我们就和大家以其了解一下,电动卡车如何编队行驶才能更省电。


  我们知道在车辆行驶的过程中车头会劈开车辆的前方的空气,而在车辆的后方则会形成一个空气相对稀薄的低压区,周外的空气向低压区填充,就会在此处形成湍流,而随着车速的增加,空气阻力也会成倍的增加,因此如何更好的利用卡车对于气流的干扰,降低电动卡车在行驶过程中的阻力,是提高卡车续航里程的关键。


  大雁在长途飞行时,都会采取编队飞行的方式,利用头雁对气流产生的扰动飞行,有助于节省体力。同样的,卡车也可以利用前车在尾部产生的低压区行驶,降低空气阻力,减少能源消耗,提升续航里程。


  Venkatasubramanian Viswanathan研究发现风阻系数会随着电动卡车之间的距离减小和编队卡车的数量增加而降低,在距离D,平均速度下v下消耗的能量如下式所示,式中的第一项是空气阻力,其中还包含了由于编队行驶所带来的风阻系数降低Cdred,式中的第二项则代表了滚动摩擦,这与公路的特性有关


  电动卡车的有效载荷WL可以通过下式获得,其中WP为电池组重量,WV为电动卡车的空车重量


  电池组的成本可以由一下公式获得,Costp=EP/CostkWh,其中CostkWh为单位kWh能量成本。


  因此根据上式,我们可以计算获得在不同的编队模式下电池组的重量,成本和电动车的最大载荷之间的关系,计算中用到的主要参数值如表1和表2所示.


  下图展示了在不同的编队车辆数量和车辆间距的情况下,每辆汽车的空气阻力系数与单个车辆行驶时的空气阻力系数的比例,可以注意到随着卡车之间的距离降低和编队卡车的数量增加,车辆的空气阻力系数明显降低,最低可以达到单个卡车行驶时空气阻力系数的50%,这对于电动卡车在高速行驶时降低能源消耗具有重要的意义。从图上我们也注意到在给定的卡车间隔下,空气阻力系数会随着车辆的增加而降低,例如在车辆间隔在0.2个车身长度时,在2辆车编队时,空气阻力系数,下降到单车空气阻力系数的90%左右,但是在有7辆车编队时,就已经接近单车空气阻力系数的50%左右(当然0.2车身长度的间距,对于安全驾驶来说还是太小了,特别是对于大型重载卡车而言,但是实际上随着自动驾驶技术的不断发展,利用自动驾驶系统之间的快速相互通信,进行编队行驶是能够保证车队行驶的安全性的)。


  下图展示了在不同的编队数量下,电池组的重量,车辆的有效载荷和电池组的成本如下图所示,可以看到,随着编队内数量的增加,那么在同样的续航里程下,需要的电池组重量减少,有效载荷增大,电池组的成本降低。我们以300英里的行驶距离为例,单辆卡车时需要一个1000kWh左右的电池组,但是在7辆车编队行驶时仅仅需要880kWh的电池组就足够了,能量消耗降低15%。在汽车的有效载荷方面,虽然300英里的续航里程下,编队行驶对于有效载荷的提升并不大,但是在900英里的续航里程下,由于电池组减重较多,因此有效载荷可以提高11.1-14美吨。


  对于成本的计算方面我们仍然以300英里的续航里程,7辆车编队行驶为例,其最大有效载荷为25.5美吨,电池组成本为15.8万美元(880kWh电池组),而内燃机半挂卡车平均载重16美吨,车辆成本为12万美元,考虑到使用成本,电动卡车还是很具有优势的,但是在较长的续航里程下(例如1000英里),燃油车仍然具有优势。


  现在的卡车最大的续航里程在680英里左右,如果采用2,3,4,5,6,7车编队行驶,那么续航里程可以分别提升到740,760,770,780,790和800英里,续航里程最高提升可达17.6%。


  编队行驶带来的另一大好处就是电池组寿命的提高,根据上面的分,卡车在编队行驶的过程中,由于空气阻力降低,因此牵引力也相应的降低,因此电池组的输出功率、电流也相应的降低,因此可以有效的提高电池组的寿命。下图是编队行驶对电池组寿命的影响,对于一个续航里程为300英里的卡车,对照组卡车在寿命终止前能够行驶275000英里,而采用编队行驶的卡车则能够行驶305000英里,而对于600英里续航里程的情况下,对照组为550000英里,而编队行驶的卡车则能够行驶610000英里,也就说编队行驶能够为电池组带来额外将近半年的使用寿命,这对于降低电动卡车的使用寿命而言也具有非常重要的意义。


  借助编队行驶带来的空气阻力降低,能够显著的减少电动卡车在行驶过程中的能源消耗,在电池组保持不变的情况下提升卡车的续航里程最大可达17.6%,在续航里程不变的情况下也可以有效的减少电池组的重量(12%左右),从而降低电池组的成本。同时编队行驶还能够有效的降低电池组的工作电流,从而提升电池组的使用寿命,降低电动卡车的使用成本。在智能化自动驾驶技术的帮助下,编队行驶的安全性问题将得到保证,编队行驶将成为未来电动卡车的使用的重要趋势。(转载)