CAT蓄电池长途和区域电动卡车的行驶周期、电池组规模及使用考量

8级重型卡车的电气化为提升能源效率和降低货运成本提供了重要机遇。得益于电池技术进步与成本下降，曾被视作小众产品的纯电动卡车（BETs）正日益受到关注。然而，在实际使用条件下准确预测电池寿命仍是关键挑战。开发者与车队运营商必须深入理解电池失效机制及其与设计、运营和管理策略的关联。
本研究提出了一种基于真实柴油卡车使用数据、针对区域性和长途运输8级电池电动卡车(BETs)开发简化实验室可测动态应力测试(DST)循环的方法。这些DST循环可用于电池技术性能对标、老化应力因素识别以及电池设计、寿命与成本的优化。该方法支持评估平准化驾驶成本及总拥有成本等关键指标，有助于公平比较与技术采用决策。我们还提出了通过策略性充电满足当前驾驶需求的可行电池组容量方案，以及将电池组级DST循环缩放到电芯级实验室测试循环的方法。这些工具可促进不同电池化学体系、电池组规模与充电策略之间的权衡分析，同时提供获取真实工况下电池老化机制的途径——最终为BET部署决策提供科学依据。
引言
电气化深刻改变了人类生活的方方面面，成为提升现代机械效率和改善公共卫生的关键驱动力。交通运输领域尤其适合电气化转型，其能耗约占美国能源总消耗量的27%[1]。中重型车辆（MHDVs）作为运输部门的核心组成部分，承担着全国货物运输重任，消耗该领域约25%的燃料总量[[2], [3], [4]]。2018至2020年间，8级中重型车辆的平均燃油效率为每加仑7.24英里[5]。燃料成本在大多数卡车车队的运营支出中占比显著，且历来波动较大[2]。中重型车辆电气化有望提升能效、降低运营成本，并减少该运输领域平准化及全生命周期拥有成本。
与轻型车辆(LDVs)不同，中型和重型车辆(MHDVs)，如区域运输(RH)和长途运输(LH)8级卡车，其单车能源需求显著更高。这些车辆作为商业车队运营，采购决策由可量化指标驱动，例如平准化行驶成本(LCOD)和总拥有成本(TCO)[2,6,7]，这些指标是在拥有周期内比较不同车辆技术的关键度量标准。LCOD和TCO很大程度上受电池技术影响，尤其是电池成本和寿命，因此相较于传统柴油驱动的MHDVs，它们在精确估算和/或进一步降低LCOD与TCO方面具有关键作用[2]。
早期研究表明，MHDV纯电动卡车（BETs）在平准化成本（LCOD）和总拥有成本（TCO）指标上可能优于柴油卡车。例如，Phadke等学者指出：装备135美元/千瓦时电池组（续航375英里/600公里）、日均运营300英里（480公里）的8级纯电动卡车，其每英里TCO可降低约13%，投资回收期约为三年，15年生命周期内净现值节约可达20万美元[7]。另有研究认为，若仅考虑LCOD因素，8级电动区域运输（RH）和长途运输（LH）卡车或将于2030年与2040年分别实现与传统卡车的成本竞争力[2]。欧洲一项研究发现，MHDV纯电动卡车最早可能在2030年实现比传统柴油卡车更低的TCO[8]。该研究同时强调，纯电动卡车相较于柴油卡车更低的运营成本，足以抵消其较高的初始购置成本。
2024年，锂离子电池（LiB）组的价格为115美元/千瓦时。预计这一成本将持续下降，2026年前将跌破100美元/千瓦时，到2030年有望达到69美元/千瓦时[[9], [10], [11]]。电池组价格的下降可能导致总拥有成本（TCO）/平准化充电成本（LCOD）降低，并加速中型重型商用车（MHDV）的电动化进程。然而，电池寿命仍是阻碍MHDV推广的关键因素——8级MHDV的预期全生命周期行驶里程是轻型车辆（LDV）的4至5倍，预计总里程将超过100万英里[2]。
在运行层面，RH和LH BETs可能具有不同的工作循环、充电制度与运行计划[2]，这些因素共同影响着电池性能与使用寿命，因此它们对电池性能衰退的影响程度可能存在差异。与轻型电动汽车(LDEV)电池技术评估通常采用标准化的美国先进电池联盟(USABC)电动汽车动态应力测试(DST)工作循环不同，当前RH和LH电池技术领域尚缺乏一种能全面涵盖RH和LH驱动循环特征属性的标准行驶循环。开发改进型BET DST（动态应力测试）将有助于推动不同电池技术的研发、基准测试与验证，并为实现标准化比较奠定基础。通过将多样化的运行工况浓缩为包含战略充电（如快速充电[[12], [13], [14], [15]]）的简化代表性测试方案，并结合不同电池技术进行评估，可更真实地反映电池使用寿命。更准确的电池寿命估算将有助于精确计算平准化放电成本(LCOD)和总拥有成本(TCO)，因为现有计算通常假设电池寿命与特定用途车辆的预期使用寿命相匹配[2]。同时，这种电池寿命评估能指导电池电动卡车(BET)开发者选择合适的电池技术及相关运营管理策略。此外，该估算还可帮助车队运营商识别导致电池老化的关键因素，并采取主动措施予以缓解，从而实现电池寿命最大化，并进一步降低LCOD和TCO。
本文提出一种利用美国落基山国家实验室(NLR)FleetDNA数据库[16]中大量传统柴油动力8级卡车数据的方法。通过未来汽车系统技术模拟器(FASTSim)建模工具[[17], [18], [19]]，这些数据被转换为等效的中重型车辆(MHDV)8级电池电动卡车(BET)行驶工况。随后，BET行驶工况在整车/电池包层级被简化为360秒的美国先进电池联盟(USABC)电动汽车动态应力测试(DST)型工况曲线。基于现有文献、FleetDNA/FASTSim数据及联邦汽车运输安全管理局(FMCSA)法规[20]，本研究确定了电池组规格，并将车辆/电池组层面的BET DST型工况曲线转换为适用于实验室评估各类电池技术的单体电池无量纲DST工况曲线。最终提出八种24小时行驶工况（例如四种RH与四种LH职业类型），这些工况通过策略性布置充电点，在满足RH与LH续航需求的同时有效降低对大容量电池组的依赖。该方法的实施可为行业提供电池技术评估的标准化方案，通过优化电池规格与实施策略性充电调度，显著提升中重型商用车(MHDV)运营效率，从而对产业产生深远影响。