研究周报 | 从典型技术路线看特斯拉Semi电动重卡最终形态

原本计划于九月发布的特斯拉电动重卡Semi又一次跳票了，尽管如此，大家对Semi仍然充满期待，因为马斯克一向被看做新能源行业的风向标人物，他发布的技术路线被一向大多数人认为能代表未来趋势。

但是，关于Semi的详细资料鲜有透漏，看来保密工作做的相当好，本期周报尝试从商业应用角度和目前有代表性的新能源重卡车型出发，来分析特斯拉究竟会在Semi车型上应用哪些技术方案。

关于电动卡车的商业应用前景，麦肯锡公司的 4 位咨询师 Bernd Heid、Russell Hensley、Stefan Knupfer 和 Andreas Tschiesner发布了针对纯电动商用车市场（特别是电动卡车）的研究报告《What’s Sparking Electric Vehicle Adoption in the Truck Industry？》。该报告认为，电动卡车将在未来 10 年集中爆发，爆发的临界条件主要为以下三条：

• 从总拥有成本（Total Cost of Ownership，TCO）的角度看，电动卡车可以和使用柴油或替代动力的卡车持平；

• 电动汽车商业应用的相关基础设施逐渐完善；

• 监管环境促使人们采用电动卡车，包括国家层面的排放法规（如针对车企所产汽车总二氧化碳的排放目标）和地方层面的准入政策（例如无排放区域的设立）。

目前对于电动轻型卡车的研究较多，不少产品已经在实际中批量应用。但是提到重卡，大部分的观点认为目前的电动技术还难以应对重卡重载荷、长距离的要求，这也是人们对特斯拉Semi充满好奇的原因。重卡一般是指载重14-100吨的卡车产品，以国内的燃油卡车为例，其分类和代表车型如下：

1. 纯电重卡暂时难以大规模商用

我们从麦肯锡报告涉及的总拥有成本和排放标准两项指标进行对比分析。

在工信部《新能源汽车推广应用推荐车型目录（2017年第3批）》中首次出现了纯电动牵引重卡车，其公告号为CGC4250BEV1GCG2，生产厂商为大运重卡。

公告显示，该纯电动重卡总质量为25T，牵引车头整备质量14吨，准拖挂车总质量29吨，有效货物载荷约为17吨。为方便对比，我们选择大运一款等质量的柴油重卡来对比，这款柴油重卡车辆总质量同样为25T，但牵引车头整备质量最大仅为9.6吨，准拖挂车总质量更是达到了40吨，也即有效载荷25吨。

（1）车辆采购成本对比

柴油重卡在卡车之家的报价为32万，电动重卡售价约79万（不含补贴），也即车辆采购成本电动版重卡高出47万。

（2）使用成本对比

资料显示，这款山西大运6×4纯电动重型卡车曾在江西新余钢铁公司、河北黄骅港码头、德龙钢铁公司等地，对车辆装载钢材及集装箱等进行过测试。测试结果显示，该重卡综合百公里电耗约为120kwh，按照充电费用平均1元/kwh计算，百公里成本为120元。

传统燃油重卡百公里能耗约30L柴油，按照单价5.68元/升来计算，百公里成本约为170元。按照一辆车平均生命周期跑20万公里计算，电动重卡总燃料费用节省为10万元。

（3）营运收入对比

上面两款车中，柴油重卡的有效载荷比电动重卡多出8吨。以常见的煤炭运输为例，煤炭汽运每吨每公里运费约为0.4元，也即同样拉一车煤，电动重卡每公里少收入3.2元，20万公里的运费收入减少约64万元。

在不考虑车辆残值的情况下（一般燃油车的残值还高于电动车），对比之下，纯电动重卡的总持有成本高出100万左右。所以目前的电动重卡都对准了港口和码头的内部转运，因为该运营场景不需要考虑运费收入的减少这一块。

（4）排放对比

理论计算，各类燃料的CO2排放指如下表：

1kg柴油燃烧排放CO2约3.1kg，百公里油耗30L，按照0#柴油0.835g/ml的密度计算，柴油重卡百公里CO2排放约为77.7kg。

电池所需电力来源于电厂发电， 发电厂内机组的运转和控制设备的工作都要消耗一定的电能，这部分电称为厂用电，通常的厂用电率为5％～10％。电网传输效率93.53％，充电机效率取一般值94％。我国各大电网之间的电力类型比例不同，为方便计算，按照我国的发电类型平均比例71.6%为火电计算，百公里耗电为120度电时需要的火电厂侧的发电量为：

120×71.6％（火电比例）÷94％(充电效率)÷93.53％（电网效率）÷95％（去厂内用电）=101kWh

按照标准煤的碳元素含量68％ (重量)，C分子量12，CO2分子量44，根据反应式：C+02=C02，从理论上计算电厂每发出一度电产生的二氧化碳为：312×0.68/12x44=788克。因此百公里120度电的发电侧二氧化碳排放约79.6kg。

按照麦肯锡的评判标准，纯电重卡无论在总拥有成本还是排放上都高于柴油重卡，也即纯电动的路线确实难以支撑重卡的业化应用。

2. 典型重卡产品及技术路线对比

正如马斯克所讲，电机有着更强的扭矩输出，Semi可以在拔河比赛中拖着柴油车上坡，而且电动重卡在噪音和舒适性上更胜一筹。

目前国内外更多商用的重卡是混合动力结，其中混动中卡比较有代表性的有：奔驰 Atego 1222 BlueTec Hybrid, 曼MAN TGL 12.220 Hybrid, 达夫 LF Hybrid, 沃尔沃VOLVO FE Hybrid等，都是柴油发动机和电机的并联式混动。而特斯拉的Semi属于牵引重卡级别，同级别的代表车型有沃尔沃 mean green、日野Profia、沃尔玛概念重卡WAVE、尼古拉电动重卡Nikola One等。

（1）沃尔沃mean green重卡

沃尔沃mean green采用柴油引擎和电机混动，搭载了一部编号命名为“d16”的混合动力引擎，与之搭配的是一台升级过的i-shift变速箱；其中电动机便可输出200马力的最大功率，峰值扭矩达到了1200牛。

（2）沃尔玛概念重卡WAVE

与沃尔沃不同，沃尔玛的WAVE混动没有使用柴油引擎，而是采用了微型燃气轮机，以天然气或其他燃料提供动力，由此实现接近零排放。据称，WAVE的混合驱动系统能够在涡轮驱动和电力驱动之间找到最有效的平衡点。这套混合驱动系统有三种运行模式：充电模式、电力驱动模式和混合电力模式。

工业燃气轮机是从飞机喷气式发动机的技术演变而来的，已在坦克和机车动力等领域获得了广泛应用。最简单的燃气轮机装置包括三个主要部件：压气机、燃气轮机和燃烧室。其工作流程为：空气和燃料分别经压气机与泵增压后送入燃烧室，在其中燃料与空气混合并燃烧，释放出热能。燃烧所产生的燃气吸热后温度升高，然后流入燃气轮机的动力涡轮室膨胀做功，做功后的气体排向大气并向大气放热。重复上述升压、吸热、膨胀和放热过程，连续不断地将燃料的化学能转换成热能．进而转换成机械能。

燃气轮机具有比较好的燃料机动性，可以使用的气体燃料包括：天然气、丙烷及含硫化氢(H2S)大于7％的酸性气体等，液体燃料包括：汽油、煤油和柴油等。与往复式内燃机相比，燃气轮机的结构简单，无故障使用寿命比较高且排放低于柴油发动机。随着技术的进步和设备成本的降低，将微型燃气轮机应用在混合动力汽车上也是一条值得考虑的技术路线，比如超跑泰克鲁斯腾风就是采用了微型燃气轮机给电池组发电的增程技术。

（3）尼古拉电动重卡Nikola One

尼古拉推出的电动重卡Nikola One，整车都采用了电机驱动，充电上则采用了氢燃料给电池组充电。下图中„的位置，放置了320KWH的锂电池组，位置†是氢燃料电池，位置‡是加氢气的存储。

根据尼古拉官方网站给出的参数，采用这种技术之后，这个车头的整备质量反而比柴油引擎的车头更轻了，加上其最大马力几乎是柴油引擎的两倍，意味着Nikola One的拖挂总质量和有效货物载荷都会高于柴油车，这样在总持有成本的单车收入项上就超过了柴油车。

3. 特斯拉Semi的预测

按照晓宇的计算（参见：电动重卡，尼古拉·特斯拉的“姓”与“名”之争），假如SEMI依然采用纯电路线，对于一个半挂式卡车来说，每天大约要跑300-600英里，按照目前特斯拉电池pack的能量密度水平约240Wh/kg，每度电大概能跑0.503英里，那么600英里(大约1000公里)的续航大约需要1200kwh的电池，那么光电池成本就用到了25万美元，而电池本身的重量也将达到至少5t以上。

对于燃油卡车本身重量约15t，售价仅12万美元的车来说，以上数据显然是没有任何竞争力的。晓宇推测即使能量密度提升到300Wh/kg，同时成本降到172USD/kwh(约1100-1200元每度电)，也不具备足够的竞争力。

将大量的能源储存在电池里，然后安装在卡车上，显然有很多不经济的地方。Semi如果想减小电池包，则很可能采用换电模式，沿途更换。以马斯克一贯的独立特行，不排除他可能铺设solar  roadways太阳能道路，并利用道路感应充电。

从流出的Semi照片来看，它没有后视镜，这对一款采用自动驾驶技术的汽车来说是必然的，如果能够节省下司机的费用，对于其总持有成本的打平是非常有利的。

马斯克曾透漏Tesla Semi 将使用“一堆”Model 3 的电动机，在试驾原型车的时候这辆卡车“感觉像一辆跑车”。推测Semi将采用与Nikola One类似的全轮电机驱动，而非传统的单电机加变速箱模式，也不是model x的双电机模式。Nikola One可以通过线控驱动独立控制每一个车轮，通过与马达交流30次一秒钟，每轮的速度可以调整，同时实现转弯，机动，加速和制动。

对于重卡来说，更轻的重量意味着更多的收入。Nikola One宣称其底盘减重约2000磅，而最大负荷后每磅可能值50美元。通过节省多达2000磅，业主可以赚取约1000美元的额外收入。沃尔玛的WAVE甚至不惜成本用一整张碳纤维板打造长达53英寸的拖车顶部和侧面，以减轻约4000磅的重量。因此可以肯定，马斯克在这款Semi应该也会有出色的减重方案。

至于其宣称的“Semi开起来像一辆跑车”，考虑到电机的扭矩特性，不足为奇。沃尔沃混合动力卡车 Mean Green于2012年4月27日在美国犹他州的温道尔机场创造了混合动力卡车极速纪录：全速速度 236.577km/h，静止出发速度153.252km/h。Nikola One官网也称其最大可达1000马力输出。

预测特斯拉Semi会通过“队列”技术来提高电池的里程，队列之间通过无线通讯和雷达等保持，这样可以减少空气阻力，减少电能消耗。