電動(dòng)汽車進(jìn)化的下一步：如何實(shí)現(xiàn)車隊(duì)電氣化

中型和重型車輛 (MHDV) 的電氣化正在興起。與個(gè)人擁有的輕型車輛 (LDV) 的電氣化相比，不斷增長(zhǎng)的公共汽車、送貨卡車、物流卡車和其他 MHDV 車隊(duì)將為技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)新的機(jī)遇。這些進(jìn)步將使所有類型電動(dòng)汽車的制造商和用戶受益，從 LDV 到越野農(nóng)業(yè)和采礦車輛。

與較小的 LDV 相比，MHDV 需要更大的充電器，并且可以支持不同的充電基礎(chǔ)設(shè)施。這些新車隊(duì)將需要復(fù)雜的充電技術(shù)組合，包括傳統(tǒng)的插入式充電器、固定位置的無(wú)線充電器和一些高速公路內(nèi)置的無(wú)線充電，以便在車輛行駛時(shí)持續(xù)充電。

車隊(duì)運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)精通遠(yuǎn)程信息處理，以提高現(xiàn)有內(nèi)燃動(dòng)力車輛車隊(duì)的運(yùn)營(yíng)效率。軟件和實(shí)時(shí)控制對(duì)于管理 MHDV 車隊(duì)的能源消耗和充電需求將變得更加重要。

本文考慮了公共汽車、送貨和垃圾卡車以及物流卡車的各種 MHDV 用例。然后，我們將研究 MHDV 車隊(duì)的出現(xiàn)將如何導(dǎo)致新充電技術(shù)的發(fā)展，并討論軟件的重要性，包括提供數(shù)據(jù)所需的傳感器，以及高級(jí)分析以及人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的使用優(yōu)化運(yùn)行 MHDV 車隊(duì)運(yùn)行。

MHDV 用例

MHDV 在幾個(gè)重要方面與當(dāng)今的 LDV 不同（圖 1）。重型車輛預(yù)計(jì)可行駛 100 萬(wàn)公里或更長(zhǎng)，約為輕型車的三倍。MHDV 比 LDV 消耗更多的電量：MHDV 消耗的電量從 300Wh/km 到 2000Wh/km，而 LDV 的能源使用量通常低于 250Wh/km。MHDV 的每公里耗電量更大，加上日常行駛距離更長(zhǎng)，需要更大的電池組。在某些情況下，可以通過(guò)使用機(jī)會(huì)收費(fèi)來(lái)緩解這種情況，我們將對(duì)此進(jìn)行回顧。LDV 通常有一個(gè)低于 100kWh 的電池組，而當(dāng)前的 MHDV 電池組可以是 660kWh。未來(lái)的 MHDV 設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)電池組容量為 1MWh。

圖 1：用于商業(yè) MHDV 的分類標(biāo)準(zhǔn)。（MED = 中；COE = Cab Over Engine）（來(lái)源：WTWH Media, LLC）

MHDV 本身、駕駛員補(bǔ)償和燃料是運(yùn)行傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī) (ICE) 時(shí)最大的運(yùn)營(yíng)成本。預(yù)計(jì)采用電動(dòng) MHDV 將顯著降低燃料成本。然而，為了證明 MHDV 的經(jīng)濟(jì)使用是合理的，較低的燃料支出需要足夠大，以抵消電池的高成本。電池成本是電動(dòng) MHDV 中的一個(gè)重要成本，而在 ICE 驅(qū)動(dòng)的 MHDV 中沒(méi)有相應(yīng)的元素。例如，假設(shè) MHDV 電池組在使用遠(yuǎn)少于 100 萬(wàn)英里時(shí)需要更換。在這種情況下，它將顯著增加電動(dòng) MHDV 的成本，并對(duì)大規(guī)模部署的潛力產(chǎn)生負(fù)面影響。

此外，各種 MHDV 的不同駕駛模式預(yù)計(jì)會(huì)影響相應(yīng)充電基礎(chǔ)設(shè)施的架構(gòu)：

• 公共汽車有專門的路線行駛，可以在車站利用機(jī)會(huì)充電，并且可以從使用嵌入式高速公路收費(fèi)中受益
• 送貨卡車、垃圾收集車和類似服務(wù)需要堆場(chǎng)收費(fèi)，因?yàn)槁肪€每天都不同
• 根據(jù)路線和行駛距離，物流卡車可以使用車廠充電、沿高速公路戰(zhàn)略性放置的充電站或嵌入式高速公路充電，用于在固定的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)路線上行駛，例如從機(jī)場(chǎng)或港口到倉(cāng)庫(kù)來(lái)回區(qū)。

MHDV 的充電選項(xiàng)

越來(lái)越多的 MHDV 充電系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn) J1772-CCS Type 1 插入式充電連接和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) SAE J3105 受電弓系統(tǒng)兼容。雖然插入式充電器幾乎普遍存在于車站充電場(chǎng)景中，但受電弓充電可以在車站充電和機(jī)會(huì)充電中找到，主要用于?？科陂g的公共汽車。

公共汽車機(jī)會(huì)充電的典型使用模式是使用受電弓系統(tǒng)，在停車期間充電時(shí)間為 3 到 6 分鐘（圖 2）。該系統(tǒng)還包括充電系統(tǒng)和電池的遠(yuǎn)程診斷以及車隊(duì)管理軟件。受電弓系統(tǒng)的工作電壓范圍為 150V 至 850V，額定功率通常為 150kW 至 600kW，使系統(tǒng)能夠支持各種總線尺寸和充電需求。

MHDV 的無(wú)線機(jī)會(huì)充電是一項(xiàng)新興技術(shù)，預(yù)計(jì)將在未來(lái)幾年顯著增長(zhǎng)。例如，雖然受電弓系統(tǒng)用于為市政巴士車隊(duì)提供機(jī)會(huì)充電，但巴士的無(wú)線機(jī)會(huì)充電仍主要處于開(kāi)發(fā)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)階段（圖 3）。

公共汽車和其他 MHDV 的機(jī)會(huì)充電可以提供的好處超出了使用更小、成本更低的電池組支持給定行駛里程的能力。放電深度對(duì)電池的循環(huán)壽命有顯著影響。放電深度越大，循環(huán)壽命越短。例如，將電池組放電至接近零電荷，而不是 50% 的水平，可以將循環(huán)壽命縮短一半。通過(guò)支持較低深度的放電率，機(jī)會(huì)充電還支持更長(zhǎng)的電池循環(huán)壽命。

MHDV 充電將需要更高的功率水平，而更高輸入電壓的充電器將支持這些更高的功率水平。預(yù)計(jì) MHDV 的電池總線電壓也會(huì)增加。如今，為傳動(dòng)系統(tǒng)供電的 800V 至 900V 主電源總線很常見(jiàn)。正在研究開(kāi)發(fā)設(shè)備和電路以支持 1200V 電池電壓和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力總線。對(duì)于最大的應(yīng)用（大約 1MW），正在考慮更高的電壓。對(duì)于給定的功率水平，電壓越高，電流越低。較低的電流意味著可以使用更小、更輕的電源總線。

對(duì)于大功率 MHDV 充電器，480V 電源是常見(jiàn)的。未來(lái)，MHDV 充電器有望在 1200V 電源電壓下運(yùn)行。未來(lái)的充電器還有望包括數(shù)字控制，使單個(gè)充電器能夠與各種車輛一起使用。這些充電器將支持多種輸入電壓，并基于中央控制識(shí)別每輛汽車的充電需求，中央控制了解每輛汽車的預(yù)期用途以及每個(gè)電池組的充電狀態(tài)和狀況，并相應(yīng)地修改充電電壓和充電速率。例如，與短期內(nèi)需要的車輛相比，計(jì)劃稍后使用的車輛可以更慢地充電。

軟件和傳感器

MHDV 的電氣化將產(chǎn)生軟件定義的車輛和軟件定義的車隊(duì)。在這兩種情況下，都需要大量數(shù)據(jù)。今天的車輛有 60 到 100 個(gè)車載傳感器，數(shù)據(jù)幾乎完全在車輛本身上進(jìn)行分析。隨著車輛變得越來(lái)越智能并通過(guò)結(jié)合使用云計(jì)算和車載計(jì)算來(lái)優(yōu)化車輛性能，包括 MHDV 在內(nèi)的下一代電動(dòng)汽車預(yù)計(jì)將包括兩倍數(shù)量的傳感器。

一旦車輛制造完成，MHDV 中的各種機(jī)械和儲(chǔ)能系統(tǒng)就相對(duì)固定。軟件不同；它可以定期更新，支持對(duì)各種控制系統(tǒng)的持續(xù)學(xué)習(xí)和改進(jìn)，以提高 MHDV 的效率。軟件還使 MHDV 能夠響應(yīng)不斷變化的操作條件。軟件被稱為新的空氣動(dòng)力學(xué)，可以控制從動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)到電池和能源系統(tǒng)的一切。管理當(dāng)今電動(dòng)汽車中電池和電機(jī)之間能量流的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)軟件包含超過(guò) 100 萬(wàn)行代碼。預(yù)計(jì)下一代 MHDV 會(huì)變得更加復(fù)雜。

人工智能和 MHDV 艦隊(duì)

MHDV 與傳統(tǒng)電動(dòng)汽車的一個(gè)顯著區(qū)別在于，大多數(shù) MHDV 將由車隊(duì)運(yùn)營(yíng)商而非個(gè)人車主使用。對(duì)車隊(duì)的集中控制將使用高級(jí)分析和人工智能提供更多的運(yùn)營(yíng)優(yōu)化激勵(lì)。

隨著智能電網(wǎng)的不斷進(jìn)步，電動(dòng) MHDV 車隊(duì)的廣泛采用有望帶來(lái)更大的環(huán)境效益。例如，MHDV 將擴(kuò)大電網(wǎng)并充當(dāng)分布式能源存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。預(yù)計(jì)車隊(duì)運(yùn)營(yíng)商和公用事業(yè)公司將開(kāi)發(fā)能源管理能力和相應(yīng)的商業(yè)模式，以幫助支持間歇性可再生能源的最佳能源使用。如果要實(shí)現(xiàn)這些好處，需要解決幾個(gè)挑戰(zhàn)。需要以這樣的方式組織車隊(duì)甚至多個(gè) MHDV 車隊(duì)，以避免可能導(dǎo)致高電價(jià)和當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)過(guò)載的電網(wǎng)高峰。

大數(shù)據(jù)和人工智能的應(yīng)用將是這種擴(kuò)展優(yōu)化的重要方面。正在開(kāi)發(fā)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來(lái)分析 MHDV 車隊(duì)的能源使用模式，然后應(yīng)用人工智能算法來(lái)優(yōu)化充電參數(shù)和調(diào)度。機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能將應(yīng)用于 MHDV 本身，以進(jìn)行快速和高級(jí)別的性能調(diào)整。數(shù)據(jù)還將上傳到云端，以進(jìn)行更深入的分析和微調(diào)。因此，無(wú)需進(jìn)行昂貴且耗時(shí)的充電基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)，就可以提供更多能源。

最后，EEMBC 計(jì)劃擴(kuò)展 ADASMark 基準(zhǔn)套件，以包括機(jī)器學(xué)習(xí)功能。ADASMark 是一種性能測(cè)量和優(yōu)化工具，適用于構(gòu)建下一代高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 的汽車公司，可以在下一代 MHDV 中找到應(yīng)用。ADASMark 旨在分析自動(dòng)駕駛中使用的片上系統(tǒng) (SoC) 性能，利用代表高度并行應(yīng)用的真實(shí)工作負(fù)載，例如環(huán)繞視圖拼接、分割和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (CNN) 交通標(biāo)志分類。ADASMark 基準(zhǔn)測(cè)試強(qiáng)調(diào)各種形式的計(jì)算資源，例如 CPU、GPU 和硬件加速器，允許用戶確定可用計(jì)算資源的最佳利用率。

結(jié)論

不斷增長(zhǎng)的公共汽車、送貨卡車、物流卡車和其他 MHDV 車隊(duì)將為技術(shù)進(jìn)步提供新的機(jī)會(huì)。這些新車隊(duì)將需要復(fù)雜的充電技術(shù)組合，包括傳統(tǒng)的插入式充電器以及固定位置的無(wú)線充電器，以及在某些高速公路上內(nèi)置的無(wú)線充電功能，以便在車輛行駛時(shí)持續(xù)充電。

車隊(duì)運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)精通遠(yuǎn)程信息處理的使用，以提高現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)車隊(duì)的運(yùn)營(yíng)效率。軟件和實(shí)時(shí)控制對(duì)于管理 MHDV 車隊(duì)的能源消耗和充電需求將變得更加重要。MHDV 上的傳感器數(shù)量將繼續(xù)增長(zhǎng)，并推動(dòng)對(duì)高級(jí)分析的需求，包括云計(jì)算、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)，以優(yōu)化 MHDV 車隊(duì)運(yùn)營(yíng)并最大限度地提高經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

審核編輯：符乾江