欧洲主要卡车OEM 低碳化中重型卡车发展路径简介（上）

奚美丽 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

近年来，为了降低卡车碳排放，降低卡车运输业的气候影响，实现卡车净零排放的目标，欧洲主要卡车制造商纷纷研究发展低碳商用车，选择的方向有天然气、生物气(生物甲烷)、生物柴油(包括HVO、FAME、XTL、e-fuel 等)、电动、燃料电池电动、混合动力、氢内燃机等。其中，天然气发动机、生物气发动机、液态生物燃料发动机、氢内燃机可以看做替代燃料内燃机，这表示内燃机在未来的低碳化竞争中仍然存在。混合动力本来就使用了一个内燃机，而未来，替代燃料内燃机或许会得到推广应用，所以在通往零碳排放的道路上，内燃机很长时间内不会消亡。

实现清洁和可持续运输，每个运输场景需要针对性的方法。商用车行业肯定会达成净零排放，需要使用更广泛的技术实现这一目标。本文对欧洲主要卡车制造商的低碳发动机现状和未来发展进行了梳理，阐明了各个卡车制造商选择了哪种低碳化路径、目前发展到哪个阶段、未来还将推出哪种低碳动力系，为国内厂商制定低碳燃料动力系路径提供参考。

1 斯堪尼亚卡车

1.1 当前动力总成布局

斯堪尼亚开发使营运商能够降低CO2排放、降低燃油消耗、改进后处理的发动机。由于斯堪尼亚所有欧VI 发动机可以使用HVO(氢化植物油)，多款欧VI 发动机燃料为纯生物柴油(FAME，甲基脂肪酸酯)，其产品计划已转向非矿物油。斯堪尼亚提供针对替代燃料如生物气、生物乙醇的专门技术，以及混合动力技术，使用混合动力技术时，制动能量可以回收。表1-1～1-4 为斯堪尼亚部分动力解决方案。

表1-1 斯堪尼亚欧VI 发动机产品

表1-2 斯堪尼亚混合动力(HEV)产品

1.2 未来要推出的动力解决方案

2021 年2 月，斯堪尼亚发动机系列更名为斯堪尼亚动力解决方案，其中包括替代燃料和混合动力装置。高效内燃机以非矿物油为动力，在未来运输系统继续扮演重要角色。

斯堪尼亚也开发汽车和基础设施的电动技术。替代燃料方案与电气化方案既可以单独应用，也可以联合应用，斯堪尼亚给市场提供最多的替代燃料发动机类型。

斯堪尼亚的目标是：用户每购买一辆斯堪尼亚车辆，斯堪尼亚就能提供一辆矿物燃油车辆的替代车辆。斯堪尼亚承诺将可持续运输车辆作为该公司的标准方案，将矿物燃油车辆作为替代方案。斯堪尼亚预计，到2025 年，电动汽车将占其欧洲汽车总销量的10%左右，到2030 年，其汽车总销量的50%预计将实现电动化。

(1)重型混合动力装置。

在Interschutz 2022 消防展上，斯堪尼亚展出了一个以V8发动机为基础的混合动力系统，其最大功率高达1 150 hp，该系统应用于机场消防车上。这套动力系统可分为前后两段：前段是一台标准的斯堪尼亚16 L V8 发动机，展示的这台采用了770 hp、3 700 Nm 的配置，发动机的输出端串联有一台电机；在混合动力模式下，这台电机能额外输出380 hp、1 500 Nm的扭矩，得益于电机的扭矩特性，车辆的加速表现大幅度提升。

电机输出端直接连接传动轴，传动轴将动力传输至位于车体中央的变速器及分动器。机场消防车为了保证发动机的散热，大部分都采用发动机后置布局，紧凑的动力舱无法安装变速器和分动器等部件。因此，只能采用传动轴进行动力传导，将其安装位置解放出来。这台电机采用450 V 电气架构，净重为250 kg。使用时，车辆需搭载动力电池，来为电机供电。

表1-5 斯堪尼亚重型混合动力装置

图1-1 斯堪尼亚混动系统

得益于电机的大扭矩和扭矩特性，这套混合动力系统有3种不同的动力模式。

模式一：混动模式。在这个模式下，电机和柴油机将同时工作，驱动车辆行驶，并共同为车载水泵提供动力。这个模式是这套动力系统输出最猛烈的模式。

模式二：纯电模式。在这个模式下，工作任务将仅由电机进行，柴油机并不启动。车辆的驱动以及车载设备动力均靠电机提供。根据斯堪尼亚和齐格勒的预计，纯电模式能覆盖80%以上的机场消防车工作场景。

模式三：充电/电量保持。在这个模式下，电机将不进行工作，仅由柴油机输出动力，保障车载动力电池电量。同时，也可在驱动时为动力电池进行补电。

搭载这套动力总成的首发车型为德国泰坦公司的T-39 6×6 Hybrid 混动机场消防车底盘。该车采用螺旋弹簧悬架搭配德国Kessler 重型车桥，红色的发动机及电气线路、电池等设备位于后方。紧凑的动力总成布置形成了一个塔架，排气、进气等设备均采用叠放布置。同时，变速器、分动器以及取力器等设置在了车架中部，电机输出端连着一根长的传动轴，这不仅是为了车辆结构紧凑而妥协，也有利于安装消防水泵等设备。

齐格勒机场公司订购了这款T-39 6x6 Hybrid 混动机场消防车底盘，已经在官网上宣布将推出混合动力版本的Z6 机场消防车。

770 PS 的V8 发动机本就是欧洲当前的最强马力王。在电机的加持下，这台发动机具备更强的动力表现。首台采用这套动力系统的机场消防车：齐格勒Z6 Hybrid 将于2023 年交付法兰克福机场使用。

(2)氢内燃机。

西港(Westport)燃料与斯堪尼亚公司于2022 年10 月26日宣布了Westport H2HPDI*氢燃料直喷系统用于斯堪尼亚重型车辆应用发动机的测试结果。Westport 和斯堪尼亚的联合演示项目测试了H2HPDI 氢燃料系统的性能，该系统适用于斯堪尼亚13 L CBE1 平台发动机——斯堪尼亚的下一代发动机，也是其同类产品中性能最佳的发动机。早期测试结果表明，当使用Westport 的HPDI 技术以氢为燃料时，BTE 制动热效率峰值为51.5%，在道路负载条件下为48.7%，其效率甚至高于已经超高效的柴油发动机(BTE 50%)，且其NOx 排放与基础柴油发动机相似，符合欧VII 和EPA27 标准。

H2HPDI 概念要求对柴油气缸盖进行有限的重新设计，而不需要重新设计外部气体交换系统、排气后处理系统或曲轴箱通风系统，同时提供高低转速扭矩和优异的瞬态性能。与现有技术相比，在搭载H2HPDI 燃料系统的内燃机中使用氢气作为燃料是一种具有成本竞争力的途径。

与燃料电池技术不同，使用氢气作为发动机燃料，意味着未来的汽车上依旧可以使用气体燃料，且与斯堪尼亚目前的生产系统兼容，这也是Westport 希望通过其HPDI 实现的。

(3)氢燃料电池卡车。

电池电动汽车是斯堪尼亚向可持续交通系统转变的主要技术，斯堪尼亚也探索氢和燃料电池解决方案的潜力。多年来，斯堪尼亚一直参与各种氢技术开发项目，以获得经验。

目前，斯堪尼亚正在与康明斯公司合作开发一个20 辆燃料电池电动卡车项目，这些卡车将用于HyTrucks 项目，并使用绿氢作为能源。

燃料电池电动卡车将建立在斯堪尼亚的电池电动汽车平台上，并利用康明斯的PEM 燃料电池系统以及氢加注与储存解决方案。这20 辆卡车将于2024 年交付给HyTrucks，HyTrucks 是Air Liquide 公司和鹿特丹港管理局在荷兰共同创建的一个项目。该项目将使斯堪尼亚能够更多地了解如何安装燃料电池系统、运营以及客户体验。

图1-3 装载西港H2 HPDI 燃料系统的斯堪尼亚13 L CBE1 平台发动机在演示实验中的热效率比超高效柴油机还高

2022 年11月8 日消息，斯堪尼亚开发的第一批燃料电池卡车将交付给客户。这些燃料电池卡车的总运行重量在40~70 t 之间，将于2024 年和2025 年交付给瑞士几家公司。分别是Emmi AG——一家乳制品公司，Genossenschaft Migros Zürich——经营零售业务，Gysin Tiefbau AG——巴塞尔地区运输重型机械的建筑公司，TRAVECO Transporte AG——国有物流公司。斯堪尼亚此前在研究项目和合作中开发了燃料电池卡车。这次与瑞士客户签单是斯堪尼亚第一次商业化销售的燃料电池卡车。

据称，斯堪尼亚已经明确，电池电动是其所有应用的主要途径，但斯堪尼亚对客户在氢等其他解决方案方面的需求持开放态度。该项目也加强了斯堪尼亚与康明斯公司之间的合作。在某些运营条件下，电池电动汽车可能不是最佳方案，斯堪尼亚会选用燃料电池电动汽车。斯堪尼亚提供对用户运营经济性和环境最后的方案。

为了加速向可持续交通的转变，斯堪尼亚需要适应多种可再生能源。斯堪尼亚有兴趣了解绿色氢能发挥什么作用，这可能不是最有效的解决方案，但它不含碳，短期内某些类型运输很难以其他方式降低碳排放。

2 沃尔沃卡车

2.1 现有低碳动力系统

2.1.1 沃尔沃的气体动力卡车

沃尔沃提供气体动力卡车，按作业场景，包括垃圾收集车、配送车、区域运输和长途运输车。气体发动机有多种型号，可以使用CNG、LNG、生物气等燃料。

(1)沃尔沃FH LNG 和FM LNG。

沃尔沃FH LNG 是一种用于重型区域和长途运输的卡车。FH LNG 针对长途运输进行了优化。其动力系统基于沃尔沃的柴油发动机技术，其中G13C 发动机基于其最先进的D13K 发动机，与其性能、效率相当。气体机以LNG 为燃料，用少量柴油或HVO 来点燃天然气。其油井—车轮CO2排放量减少20%，并提供了降低燃料成本的机会。FM LNG 的主要参数与FH LNG 相同。

(2)沃尔沃FE CNG。

沃尔沃FE CNG 针对城市配送运输和废物收集进行了优化，它是燃气动力的，仅使用CNG(天然气或生物气)驱动，可减少CO2排放。同时，它与柴油动力的沃尔沃FE 一样高效。

2.1.2 生物柴油

沃尔沃各系列卡车发动机都提供至少一款生物柴油版本，见表2-2。

表2-2 沃尔沃卡车发动机使用替代燃料的情况

图2-1 沃尔沃全系列卡车都可提供电动版

2.1.3 沃尔沃电动卡车

沃尔沃全系列卡车都可以提供电动版，部分参数如表2-3—2-6 所示。

表2-3 沃尔沃FH/FM/FMX 动力系统部分技术参数

表2-4 沃尔沃FE 动力系统部分技术参数

表2-5 沃尔沃FL 动力系统部分技术参数

表2-6 沃尔沃VNR 动力系统部分技术参数

2.2 未来要推出的低碳动力系统

沃尔沃已在欧洲市场推出全系列电动卡车产品并计划2025年后量产氢燃料电池卡车。2022 年6 月20 日，沃尔沃卡车展示了其氢燃料电池卡车产品，标志着沃尔沃卡车在推出全系电池电动卡车之后，进一步完善了自己的新能源卡车产品线。

沃尔沃最新发布的氢燃料卡车基于第5 代FH 系列卡车开发。氢燃料版本的FH 卡车在外观、内饰及其他架构方面变化不大，新增的储氢罐等设备采用机架的方式布置在驾驶室的后方，占据约2 m 的长度。因此，改装基型车采用了长轴距的4x2 牵引车底盘进行。沃尔沃卡车官方并没有给出车辆的储氢罐容量，但表示一次加氢能够行驶1 000 km。同时，每次加氢只需要15 min，这也是氢燃料卡车相比起电动卡车的优势。

2 套燃料电池系统安装在车辆原有的发动机安装位置，每套能够提供150 kW 的电力输出，共计300 kW。储氢罐系统安装在驾驶室后方的机架内部，有外壳对其加以保护。加氢口布置在了储氢罐机架的左侧下方区域。除了液氢加注口外，加注区域还设计了压力表，便于实时监控压力信息。

由于燃料电池系统不含内燃机，原有的内燃机相关附件被取消，因此，驾驶室左后方顶部原有的进气空滤组件也被取消，取而代之的是填角处理。

在储氢罐和驾驶室后壁的夹层之中，还安装了部分的设备。燃料电池工作时会产生水，水蒸气的排放口就放在了夹层处。其位于驾驶室右后方的导流罩内，采用竖置布置。当燃料电池全力发电时，这里就会排放出白色的水蒸气。

图2-2 新增的储氢罐等设备布置在驾驶室后方

图2-3 液氢加注区域设计有压力表

图2-4 2 套燃料电池系统安装在原本发动机的位置

这台氢燃料版本的沃尔沃FH 卡车采用了和柴油版FH 卡车相同的车桥组件，燃料电池系统负责发电，之后驱动中央电动机，为车辆提供动力。目前，车辆还处在原型车测试阶段，预计2025 年才能正式推向市场。不过，其关键参数都已经基本明晰，不会发生大的改变——续航里程1 000 km 以上，燃料电池总功率300 kW，加氢时间少于15 min，最大可进行65 t GCW 的运输，以适应Eco Combi 等形式的高密度运输。

车辆的燃料电池系统由沃尔沃和戴姆勒集团的合资公司Cellcentric 开发。奔驰GenH2氢燃料卡车也在使用相同的燃料电池系统。并且，这两台卡车的开发进度、参数等也大致相似。GenH2的驱动马力能达到660 kW(900 hp)，转矩4 000 Nm，沃尔沃的氢燃料电池卡车应该也会达到相近水平。

表2-7 沃尔沃燃料电池系统主要参数

3 戴姆勒卡车

根据2021 年11月12 日，戴姆勒卡车 “资本市场日”发布的未来战略，戴姆勒卡车提出：到2025年，大部分研发支出用于零排放车辆技术。戴姆勒卡车专注于纯电动车辆和氢燃料电池车辆2 条技术路线，认为BEV(电池电动)和FCV(燃料电池)同等重要，针对不同用途与场景形成互补。戴姆勒卡车的目标是：到2030 年，新能源车辆占比超过60%；到2039 年，内燃机全部淘汰，实现100%零排放。

3.1 目前电池动力系统

3.2 未来要推出的动力系统

戴姆勒卡车希望通过自身的不懈努力和与战略伙伴的积极合作，聚焦并加速发展纯电动和氢燃料电池2 大零排放动力系统技术。纯电动和氢燃料技术相辅相成，可以根据具体应用场景，为客户提供最优解决方案。戴姆勒卡车希望，自2039 年起，在北美、欧洲和日本市场只提供运营碳中和的车辆。

(1)电池电动系统。

表3-2 eActros Longhaul 的电动机和电池

2022 年9 月，在汉诺威国际商用车及零部件展（IAA）上，戴姆勒公司带来了丰富的电动车型。其中梅赛德斯-奔驰(Mercedes-Benz Truck)eActros LongHaul 纯电动长途重卡概念原型车赢得了“2023 年度卡车创新奖(2023 Truck Innovation Award)”，梅赛德斯-奔驰卡车公司首席执行官Karin Rådström 代表公司领取了这一奖项。

(2)氢燃料电池系统。

图3-3 GenH2 氢燃料电池卡车的开发目标是实现超过1 000 km 的最大续航里程

图3-4 正在加氢的GenH2 氢燃料电池卡车

2021 年10 月25 日，戴姆勒卡车公司已获得在公共道路上使用氢燃料电池卡车的许可证。梅赛德斯-奔驰GenH2氢燃料电池卡车的设计目标是在单次加氢的情况下能够达到1 000 km 及以上的行驶里程。戴姆勒卡车将在公共道路上进行测试，以在现实场景中验证以上数据，该测试项目将包括梅赛德斯-奔驰eActros 和其他制造商的卡车及燃料电池卡车的对比测试。GenH2燃料电池卡车计划 2023 年开始客户试用，2025 年后投产。第一批生产的氢燃料电池卡车GenH2将从2027 开始正式移交给客户。

2021 年5 月20 日，戴姆勒卡车公司和壳牌新能源公司签署了一份协议，双方将联合开发一条氢燃料电池车货运走廊，到2030 年，将提供150 个氢燃料加氢站，并布局大约5 000辆梅赛德斯-奔驰重型燃料电池卡车。

表3-3 GenH2 氢燃料电池卡车-动力系参数

4 曼恩卡车公司

曼恩卡车公司提供电动卡车，正在开发和测试氢内燃机；目前没有看到曼的可以使用生物柴油、HVO、生物气等替代燃料的发动机。曼恩在传统内燃机上肯定还会持续的投入，在未来几年也会持续从燃油消耗量，或者是碳排放下降方面继续努力。

4.1 目前的低碳动力产品——曼恩eTGM 电动配送卡车

图4-1 曼恩eTGM 电动配送卡车

表4-1 曼恩eTGM 的电动机和电池-技术参数

4.2 未来要推出的低碳动力系统

(1)曼恩e-Truck 电动牵引车。

曼恩 eTruck 系列在2022 年IAA 展出，原型是其用于长途运输的电池电动牵引车，计划2024 年上市，准备应用兆瓦充电。

表4-2 曼恩e-Truck 的电动机和电池部分参数

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

(2)曼恩氢内燃机。

曼恩公司在2020年10月发布的未来的电动化战略中表示，除了开发和制造电池驱动的商用车外，还将优先考虑氢能，即氢燃料电池和氢内燃机。曼恩公司原计划最早于2021 年测试氢动力汽车原型，包括测试燃料电池和氢气内燃机。

图4-3 曼恩将H2 内燃机视为通向燃料电池的桥梁技术

曼恩将H2内燃机视为通向燃料电池的桥梁技术，因为曼恩认为该解决方案更容易实现且更强大。该计划将于2023 或2024 年与选定的客户合作开始测试。曼恩的目标是在运输物流中测试整个氢生态系统。

2022 年2 月，曼恩公司在纽伦堡进行氢内燃机测试，试图解决相对较高的消耗量。

曼恩公司以16.8 L 的直列6 缸柴油机为基础，提出了氢气低压直喷的均质稀薄燃烧概念。对柴油机的燃料喷射系统、点火系统、气门系统、缸盖周边进行了变更，氢喷射压力为低压2.2 MPa，压缩比为13，点火系统采用了曼恩的CNG 发动机(E18)原有系统。根据氢气喷射正时控制图，当发动机处于低速高负荷工况，为了最大化吸入空气量，在吸气门关闭后喷射；当发动机处于高转速工况，为了确保气体的混合和涡轮效率，在吸气行程中喷射。为了兼顾低NOx 排放(2 g/kWh 以下)和单涡轮的空气供应极限，空气过剩率λ= 2.5 ～2.7 的范围内运行。为了降低氢燃烧的冷却损失，对活塞燃烧室形状也进行了优化，多缸发动机试验结果最大净热效率达到44%。

图4-4 曼恩在纽伦堡测试氢内燃机

图4-5 单涡轮空气过剩率适合范围

图4-6 曼恩公司氢内燃机的热效率及NOX 排放MAP 图

(3)氢燃料电池电动动力系统。

在Bayernflotte 项目中，曼恩正与博世、弗吉亚(Faurecia)、采埃孚合作开发一款燃料电池卡车。将在2024 年交付给5家客户(BayWa、DB Schenker、GRESS Speedit、Rhenus Logistics 和Speedit Dettedorfer 等公司)，他们对燃料电池卡车进行为期1 年的运营测试。