编者按
小咖解文是环境学院研团推出的文献解读特色栏目，会定期推送身边朋辈的优秀科研成果，并在开始增设背景介绍，结尾增加作者采访部分，旨在增强环境学院内部的学术交流氛围，激发大家的科研活力。
本期为子刊专场，将带你深入剖析文献内容和研究历程，从前沿课题的背景介绍，到作者亲述的科研心得，一站式解锁科研背后的思考与努力！
本期小咖解文给大家带来一篇发表在Nature Energy的文章《Challenges and opportunities in truck electrification unveiled by big operational data》，希望对大家有所帮助。
01 基本信息
文章标题：Challenges and opportunities in truck electrification unveiled by big operational data（实际运行大数据揭示货车电动化的挑战与机遇）
发表时间：2024年8月12日
期刊名称：Nature Energy（自然·能源）
影响因子：49.7
DOI：https://www.nature.com/articles/s41560-024-01602-x
作者简介：赵昢，2019级直博生，就读于清华大学环境学院大气污染与控制教研所，导师为吴烨教授，研究方向为重型车的减污降碳和新能源化。
02 研究背景
货车电动化是全球交通部门减污降碳的重大挑战之一。货车行驶距离长、单车能耗大，新能源车推广面临的挑战显著高于乘用车。此外，货车存在城市物流、厂矿运输、长途运输等复杂使用场景，不同场景货车使用特征差异显著。
然而，现有货车电动化可行性及效益评估模拟主要依靠统一的假设参数，缺乏对不同场景、不同车辆电动化真实效益的深刻认识。基于实际运行大数据量化重型车电动化的技术可行性、成本及环境效益对科学制定重型车新能源化转型路径具有重要意义。
03 研究思路
研究采集了中国2021年6.2万辆电动货车（占当年全球电动货车保有量1/3以上）的实际运行数据，其中涵盖实际能耗与充电信息，与同期5.5万辆柴油货车（Diesel truck, DT）的车载监测记录作对比，进行分析建模。按用途和车辆总重（Gross vehicle weight, GVW）分类评估了九个车队。（见图1a）
基于单车日出行里程分布和车队运力需求平衡，提出了两个技术可行性评估指标：一是priority group ratio（优先电动化车队比例），即可一比一电动化替代的柴油车比例，二是replacement rate（全场景电动化替代率），代表着同等运输需求下，平均需要多少ET来替代一辆DT。
耦合电动货车实际使用特征和生命周期分析方法，研究评估了不同使用场景货车电动化的单车、车队级的成本效益及减排潜力。依据国内外先进技术调研结果，研究从车辆（电池）技术进步、应用先进补能模式等未来不同技术优化组合，评估各使用场景重型车队在不同技术优化情景下的电动化可行性及环境成本效益，明确不同使用场景重型车队电动化推广的主要优化方向。
图1 电动货车车队存量和使用模式
a. 2021年全球电动货车存量（左侧）、本研究中包含的电动货车数量（中间）、电动货车样本的分类（右侧）；b. 柴油货车和电动货车车队的日行驶里程分布。UBR）：电动货车充满电后的最大行驶里程；c. 柴油货车和电动货车车队年活跃行程的分布。b、c中电动货车/柴油货车车队中的优先组用绿色/红色曲线下的深阴影突出显示，百分比值表示当前优先组比例。
04 研究成果
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电动货车与柴油货车使用模式差异分析
从日行驶里程分布及可用电池续航里程（UBR）对比（见图1b），除特定车型外，电动货车各车型平均日行驶里程显著低于柴油货车。多数电动货车（除重型牵引车外）平均日行驶里程低于 UBR，表明有提升使用强度空间。但部分车型 UBR 低于柴油车日行驶里程，需额外充电，且重型牵引车因平均日行驶里程超 UBR 而需频繁充电（日均 2.4 次）。充电起始时的荷电状态（SOC）分布显示，除重型牵引车外多在 40% - 60% 达峰，表明里程焦虑导致电动货车实际有效电池续航约为电池容量的一半。
电动货车驾驶频率低于柴油货车，差距随 GVW 增大（见图 1c）。如轻型电动物流车年活跃行程较柴油车少 17%，重型电动牵引车较柴油车少 71%。
尽管电动货车整体使用不足，但部分可替代同类别一定比例低里程柴油货车（即 “优先组” 车辆），其比例在 16% - 48% 之间（见图 1b），轻型物流车和重型牵引车一比一替代柴油货车比例分别为 23%和30%。这意味着在当前状态下，这部分电动轻型物流货车不需要额外的改进，就能够一对一地替代掉同等比例的柴油轻型物流货车。
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单辆电动货车与柴油货车CO2排放及成本比较
研究基于实际车辆使用情况、能源消耗以及中国CO2排放强度，评估了电动货车和柴油货车的总拥有成本（TCO）及生命周期CO2排放量。
电动货车在多数电网区域中能实现显著地从油井到车轮（WTW）CO2减排，但电池供应链排放和低里程影响了其整体减排效果（见图 2a ）。电动环卫车因里程低，其生命周期排放高于柴油货车，而其他电动货车可减少8%-37%的脱碳效益。预计2030年后，随着电力清洁化和材料生产碳强度降低，电动货车的碳排放将进一步下降，除中型环卫货车外，其他电动货车的排放将低于柴油货车。
电动货车购买成本高且里程低，但燃料（电）成本较低，购买成本差距基本可由燃料成本节省弥补。从车队平均比较来看，目前有五个类别的电动货车的TCO已低于柴油货车（见图 2b），其中三个重型货车和轻型物流货车可节省 12 %- 37% 的成本。轻型环卫车和中型货车因里程低（燃料成本节省有限），TCO仍高于柴油货车。
综上，电动轻型物流车、轻型垃圾车和重型车队实现了减排和成本节省。
优先组电动货车在所有类别中，TCO降低15%- 54%，CO2排放量降低1%- 49%，显示出更高的使用强度和更低的材料周期排放，使得电动化效益更为显著。
图2 单辆电动货车和柴油货车生命周期CO2排放和总拥有成本（TCO）
a. 按车队划分的单辆电动货车和柴油货车的平均生命周期CO2排放；b. 2020年按车队划分的单辆电动货车和柴油货车的平均TCO，以美元计。
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通过优化使用提升车队电动化效果
研究开发了基于出行链的全场景电动化替代率评估方法，并建立了全场景电动化的总拥有成本（TCO）效益和生命周期CO2减排效益。基于实际运行大数据的评估结果显示，对于轻型物流车和重型牵引车，平均需要3.8辆和3.6辆电动车，才能替代1辆同类型柴油车（见图3）。
优化车辆使用能提高一比一电动化替代率、降低全场景替代率。
通过提高平均电池使用率至85%（高使用率情景），除中型环卫车、重型牵引车和重型垃圾车外，其他ET车队的一比一电动化替代率可超过49%，并实现全场景电动化的碳减排效益（见图3）。例如，在高使用率情景下，对于轻型物流货车，一比一电动化替代率可提高34%，全场景电动化替代率可从3.8降至2.0。
图3 车队使用归一化后的替代率
a和b分别表示在当前和优化使用强度下，轻型物流车和重型牵引车的替代率结果。
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未来提升货车车队电动化效益的策略
未来动力电池、换电等先进补能方式的落地应用有望提高货车电动化的转型效益。研究进一步探究了高使用率情景（提高电池使用率至85%）下，全场景电动化替代率及生命周期CO2减排及总拥有成本效益，以确定未来不同重型车队电动化的优化方向。提高能量密度有利于降低替代率，提高货车车队全场景电动化的成本及减排效益。电池能量密度至220 Wh/kg时，各使用场景货车的优先电动化车队比例提高至70%以上。
在电池能量密度不变的情况下，增加电池重量（电池能量密度不变）会减少有效负载，但同时可提高车辆里程。当电池重量增加50%时，电动牵引车的有效载荷减少7%，生命周期CO2排放量减少11%，成本降低25%。然而，这对其他车队的生命周期CO2和TCO有负面影响。
所有重型车队电动化未来都有机会实现TCO降低、生命周期CO2减排的协同效益，但不同车队需要差异化的优化策略。如，对于轻型物流车队，提高使用率是提高车队电动化效益的关键；与此同时仍需小幅提高电池能量密度。但重型牵引车队现阶段使用率已经较高（电池平均使用率82%），提高使用率对其电动化可行性及效益的影响有限。使用可再生电力是降低ET生命周期CO2排放的关键。在电池能量密度提高至220 Wh/kg、增加50%电池重量、电耗降低25%且采用换电的情景下，电动重型牵引车可与柴油货车成本平价、生命周期CO2减排的环境成本协同效益。
图4 不同情景下ET的未来电动化效果
a和b分别展示了在不同电动化情景下，轻型物流车和重型牵引车的预期效果。
Q&A
Q1
请问您是如何开展这项研究的？研究过程中经历了哪些阶段和挑战？
这项研究从2021年10月开始，历时将近三年，经历了数据收集、建模分析和两次投稿。前期工作集中在收集重型车的实际运行数据，并构建评估模型。完成第一稿后，投稿遇到失败，我们对文章进行了全面的修改，包括完善模型和提出新的可行性指标。
研究中遇到的挑战包括，如何从海量数据中提炼有意义的信息，同时构建直观、科学的模型。以及在投稿失败后需要重新调整思路，进一步提升研究的深度和完整性。
Q2
面对投稿失败，您是如何调整研究和心态的？
第一次投稿失败后，我们对文章进行了全面调整，新增了两个可行性的关键指标，并且重新构建了成本排放评估模型。与此同时，我们也优化了文章结构，让研究逻辑更紧凑。国内外导师和团队的支持让我能够更有信心地面对挑战，完成对文章的调整。
Q3
在科研与生活的平衡上，您有哪些经验可以分享？
在完成科研工作的同时需要保持身心健康。运动是我缓解压力和保持专注的重要方式。在遇到科研瓶颈时，我会主动寻求导师和课题组同学的帮助，或者适当放松，调整状态。对我来说，及时的情绪调节和师友的支持是平衡科研与生活的关键。
Q4
对于学弟学妹您有哪些建议？
希望大家基于自己的兴趣和性格选择科研方向。如果对研究本身缺乏兴趣，博士阶段的压力可能会让人感到痛苦。面对困难时，要相信自己的能力，不要因为短期挫折否定自己。科研过程充满挑战，但也是收获成长和成就感的机会。希望大家可以选择适合自己的道路，坚持走下去，减少内耗。
采访现场
供稿 | 环境学院研团总支
审核 | 程泽堃 陈子晗 何宏宇
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