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美國能源部(DOE)發布燃料電池長途卡車技術發展路線圖

作者:中國儲能網新聞中心 來源:商用汽車總站 發布時間:2020-02-12 瀏覽:
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電動動力總成系統逐漸成為先進卡車技術產品組合的重要組成部分,美國能源部(DOE)正在為氫燃料電池卡車和動力電池卡車設定詳細的技術目標。2019年12月12日,美國能源部燃料電池8級卡車發展目標獲得批準。

美國能源部提出的最新目標是2030年燃料電池系統壽命、成本和峰值效率要分別達到25,000小時、80美元/千瓦以及68%。

以下為技術目標的具體的內容,氫智會分六次進行推送,今天為第一篇。

美國能源部先進卡車技術 電動動力總成路線圖分節 氫燃料長途卡車的技術目標

1、美國能源部(DOE)先進卡車技術目標

美國能源部能源效率和可再生能源運輸辦公室(EERE)的一項關鍵活動是確定技術目標,以實現與現有技術或其他先進技術競爭所需的性能,耐用性和成本。這些目標指導早期研發(R&D),并作為跟蹤技術的基準。隨著電動動力總成系統成為高級卡車技術產品組合的重要組成部分,美國能源部(DOE)正在制定詳細的氫燃料電池卡車技術目標和電動卡車技術目標。

先進卡車技術技術目標是在21世紀卡車合作伙伴(21CTP)的幫助下制定的,并將被納入新的《電動動力總成路線圖》,為研究重點提供技術基礎,解決21CTP涵蓋的四個關鍵研究領域之一。本文檔介紹了由氫燃料電池驅動的8級長途卡車的技術目標。電動卡車的發展目標也將被納入《電動動力總成路線圖》中。這些氫燃料發展目標是為長途應用場景而制定的,即假設卡車在再次加氫之前日行駛里程為750英里。而在再次充電之前日行駛里程為250-500英里的電動卡車將考慮其他應用場景,充電站可能位于交通樞紐、交付點或目的地。今后技術目標的更新將考慮到技術進步、進一步的分析及利益相關方的反饋。美國能源部能源效率和可再生能源運輸辦公室(EERE)運輸處管理的美國能源部(DOE)辦事處計劃將這些目標擴展到各種4-8級的電動動力總成和燃燒動力總成的職業牽引應用場景及區域牽引應用場景。

包括行業專家和21世紀卡車合作伙伴(21TCP)在內的很多利益相關方在目標制定過程中提供了反饋意見。這些目標的達成得益于行業認可的信息請求(RFI)和利益相關方對《美國能源部(DOE) H2 @ Scale4終端應用》中的目標草案匯集的反饋意見:在2018年7月舉行的燃料電池卡車動力總成的研發活動和目標審查研討會(DOE燃料電池卡車動力總成研討會)5。研討會的總體意見強調,必須制定最終目標,使燃料電池技術與現有技術在成本上相匹敵,且符合規定的車輛性能指標。

2、美國能源部(DOE)先進卡車技術

美國能源部(DOE)注重運輸技術的研發(R&D),如先進燃燒、生物燃料、電動汽車和燃料電池汽車,助力發展更高的燃油經濟性、貨運效率并減少排放。

21世紀卡車合作伙伴(21TCP)由美國能源部和產業屆共同領導,以促進卡車行業與政府機構間的信息共享、工作協同,從而推動那些具備商業可行性的技術。21世紀卡車合作伙伴(21TCP)的成員包括美國能源部汽車技術辦公室、燃料電池技術辦公室、國家實驗室、產業界、美國陸軍地面車輛系統中心(GVSC)、交通運輸部(DOT)國家公路交通安全局、聯邦汽車運輸安全局、聯邦公路管理局(NHTSA, FMCSA, FHWA)。21世紀卡車合作伙伴(21TCP)旨在促進技術創新,以提高能源效率,并降低關乎美國經濟的卡車貨運系統成本。該組織正在起草新的路線圖文檔,涉及更多詳細信息,可為研究重點提供技術基礎。這些目標將成為《21世紀卡車合作伙伴(21TCP)電動動力總成路線圖》的一部分,該路線圖是21世紀卡車合作伙伴(21TCP)開展的四大重點研究領域之一。

美國能源部于2010年啟動了“超級卡車I”項目,旨在將重載貨運效率提高50%。該項目重點關注內燃機(ICE)技術和空氣動力學,并助推20多項節油技術進入商業市場。繼“超級卡車I”項目成功運行后,美國能源部又于2016年資助了"超級卡車II"項目(1億美元),開發示范具有成本效益的技術,讓8級卡車的貨運效率相比2009年的基準提高一倍以上,并實現55%或更高的發動機制動熱效率(按65英里/小時的動力計進行演示)。

2.1國內卡車市場背景

美國國內8級卡車的市場很大,而且仍在增長。如下述圖1及圖2所示,8級卡車年銷售量約250,000輛(2015年、2017年和2018年),銷量持續增長的4-7級卡車也于2018年達到240,000輛。6卡車的長距離應用場景非常重要:40%的卡車日均行駛250-750英里(每年行駛261天),占長途卡車行駛里程的70%。(參考“車輛清單和使用情況調查”7 [VIUS]年行駛里程,請參閱下述車輛行駛范圍假設)。

2.2氫和燃料電池技術的作用

燃料電池技術是零排放汽車(ZEV)技術進步的一部分。值得一提的是,對于中型和重型車輛等較大重量級別的車輛而言,由氫(H2)供電的燃料電池正成為有吸引力的技術平臺。氫氣的能量存儲密度較高,而且充能時間短,因而可延長行駛距離并提高車輛利用率。根據對美國人口普查調查結果和實際駕駛周期數據的初步分析可知,這些氫燃料電池汽車的高能量存儲密度可滿足至少95%的日常行駛路線需求。8此外,夜間儲備待用可使用主牽引動力的燃料電池所提供的清潔高效的電力,而主牽引動力與動力總成的混動電池協同運行,從而無需輔助發電。氫和燃料電池技術的專業用途多樣,本文僅重點介紹它們在8級長途卡車上的應用。

3、氫燃料長途卡車的目標表

表1:技術系統目標:8級長途卡車(更新于2019年10月31日)

注釋:(1)燃料電池系統不包括儲氫、電力電子設備、蓄電池和電力驅動裝置。

(2)壽命目標旨在涵蓋車輛的全使用壽命。燃料電池系統壽命是在考慮實際駕駛條件(即非穩態運行)造成一定量占空比時的使用小時數。按40英里/小時的平均速度,相應的車輛壽命范圍為100萬英里(中期)和120萬英里(遠期)。

(3)中期成本目標和遠期成本目標假設車輛年產量為100,000臺(括號內指定的情況除外)。需注意的是,要達到燃料電池和儲氫部件的成本目標,可能需要確保汽車產量實現必要的規模經濟,才有成本競爭力。以年產量1,000臺計算,當前(2019年)重型車輛燃料電池技術的成本估計約為190美元/千瓦(燃料電池系統分析,2019年能源部氫能和燃料電池項目評估展示,https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review19/fc163_james_2019_o.pdf)。

(4)成本按2016年的美元計算。

(5)存儲系統循環壽命目標旨在體現用于長途運行的車輛全使用壽命所需的最小運行周期數。此目標與技術無關。

(6)加壓存儲系統必須符合適用法規和標準中的循環壽命要求(即SAE J2579和《聯合國全球技術規范》第13號)。這些條款和標準規定的循環壽命比存儲系統循環壽命多得多。例如,《聯合國全球技術規范》要求,基準初始壓力循環壽命達到11,000個周期數才能用于重型應用。

(7)儲氫系統的成本包括儲罐和所有必要的輔助設施。此目標與技術無關。

(8)在年產量為1,000臺時,當前(2019年)700 bar的儲氫系統,成本約為36美元/千瓦時;在大批量生產時,其成本為15美元/千瓦時(摘自《美國能源部氫和燃料電池項目記錄》#15013“車載IV型瓶儲氫系統-2015年成本及性能狀態”,https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/15013_onboard_storage performance cost.pdf).

注意:目前儲氫目標由美國DRIVE燃料電池電動汽車目標而來,今后將更新。

(9)基于2050年簡單擁有成本假設的分析,并反映了市場滲透的預計期限。

關鍵字:燃料電池

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