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车辆电气化是交通运输行业实现减排的途径

2022-06-14 16:54:40 Littelfuse公司 阅读:
本文概述了重型车辆电动化方面的电力电子技术详情,通过研究由能源生成、存储、运输和消耗构成的价值链,可帮助减低交通运输领域的碳排放。

目的

本文概述了重型车辆电动化方面的电力电子技术详情,通过研究由能源生成、存储、运输和消耗构成的价值链,可帮助减低交通运输领域的碳排放,如1所示。NaOednc

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1基于清洁的可再生能源的电动化交通运输NaOednc

1.简介

卡车、公交车和工程车辆亦称为重型车辆,据估算这些车辆的碳排放占据了交通运输领域排放量的25%,在欧洲总体温室气体排放量中占据了6%[1]NaOednc

由于线上业务活动蓬勃发展,可以观察到跨越各大洲的长途交通运输业务出现相应的大幅增长,以及城市内的物品配送运营活动不断增加,这种状况并不限于欧盟地区。根据美国交通局公布数据[2],在美国卡车车辆每年行驶里程大约为2960亿公里,燃烧了1130亿升汽油,进而产生多达2.94亿公吨的二氧化碳量。NaOednc

在法规和更严格的排放要求推动下,车队运营商越来越多地转向使用零排放车辆。业界认为在全球范围所有主要城市中,提升公共交通以减少私家车数量是减低大都市碳排放的另一个重要考虑。在这个方面,使用零排放车辆运营是目标选择,最好与绿色的可再生能源相结合。NaOednc

超过 3.5 吨级重型车辆的电动化是一项涉及多学科的艰巨任务,也是功率半导体产品面临的特殊挑战。与设计运行时间约为 8000 小时的典型客用车相比,卡车或公交车的使用寿命则要长得多(包括使用寿命和正常运行时间)。通用目标要求是一年 360 天、每天8 到 10 小时运行时间。预计这些车辆每天行驶多达 400 公里,在 15 年使用寿命期间总计行驶里程超过 200 万公里。在这方面,城市交通中使用的公交车同样面临挑战,因为它们单日需要行驶 200-300公里。而且,这些公交车辆固有的启停模式(start-stop-mode)带来了更多的难题。NaOednc

全电动重型车辆包含了众多子系统,这些子系统需要使用非常可靠的解决方案。 2 以电力电子器件为重点进行了深入的剖析。NaOednc

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2重型车辆应用概述NaOednc

经过十年来的电池技术发展,车辆电池成为了一个可行的解决方案,甚至对于电动重型车辆亦然。在过去十年中,每度电的价格已经下降了大约88%[3]。由于业界开发新的材料和生产工艺,以及制造能力不断增加,预计电价还将会进一步下降。同时,电池的能量密度持续增加,媒体不断报道有关技术突破的新闻。NaOednc

电池可支持的充电循环次数是决定性参数,这代表着电池的使用寿命,因而非常重要。先前的凝胶式铅酸电池技术可提供几百次充电循环,而现代的锂电子电池则可以达到几千次充电循环。全球范围的电池制造商都在努力实现进一步的改善,并且已经公布了可实现超过10,000次循环和高达1 kWh/kg能量密度技术[4]NaOednc

所有这些因素使得车辆电池方案变得越来越有吸引力,甚至对于长距离车辆运营亦如此。接下来的挑战是在合理时间内为车辆充电,而所谓的合理与否,很大程度上取决于车辆的使用情况。NaOednc

对于作为当地载客工具的客运公交车,最常见的选择是在轮班或夜间的休息时间停靠在车站里充电。在这种情形下,合理时间是指公交车闲置在停靠站中的几个小时。另一个选择则是在专门的充电站点进行充电。由于只有几分钟的时间,需要更高的充电功率才能向电池注入足够的能量。由于可在几个站点进行充电,可以考虑与在停靠站充电的方式相结合。NaOednc

对于用于物流运营的卡车,就无法容忍花费几个小时充电的暂停作业。在这种情况下,必须在休息时间进行充电,而休息时间是驾驶员必须遵守的法律规定。未来没有驾驶员的自动驾驶卡车,甚至不需要休息。最理想的选择是在技术上实现最短时间充电。NaOednc

因此,需要将支持这类车辆运营的基础设施视为价值链的一部分。NaOednc

2.电动化交通运输价值链

从可再生能源系统的发电到电解、传动系统、充电器和较小的车载应用,在交通运输价值链上可以找到功率范围从几瓦到几兆瓦的设计。3是相互连接部件的示意图。NaOednc

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3用于从发电到电能消耗各阶段的Littelfuse功率半导体产品NaOednc

所有这些应用均需要使用高效和可靠的电子子系统。在这个严苛的环境中,控制、保护、传感器和电力电子器件无所不在,以安全高效地处理能量传输。如图所示,Littelfuse产品可以用于使用可靠的元器件来构建、运营和维护电动化交通运输环境。NaOednc

3.能量存储

对于为移动应用设备供电,现有三种主要的储存电能方法,每种方法各有其优缺点。NaOednc

  1. 在电场中使用电容器直接能量储存。电容器能够以非常高的速率进行充电和放电,从而提供极高的功率密度。除此之外,电容器不会像电池那样受到充电的影响,可以轻松实现数百万次充电循环。根据公式EC=1/2 C·U2,储存能量由电容器的容量和允许电压而定义。在技术方面,高电压的电容器只有低电容量,反之亦然。由于电容器以kWh/dm³为单位测量的能量密度低于电池,因而可以结合电容器与电池以提供高峰值功率,而电池充当主要的储能装置。
  2. 在化学方面,能量储存在电池中。对于给定的电池化学,充放电能力受到化学过程的限制。现代的锂离子电池每公斤可以储存多达0.2到0.3kWh电能,这在目前的大多数应用中受到欢迎。在循环稳定性方面,目前采用的化学物质可以实现几千次充放电循环。
  3. 从化学过程中获取作为能量载体的氢气,并在第二步中进行纯化。通过电解将水分离成氧气和氢气,提供了使用可再生能源来支持过程的方法。在所谓的燃料电池中,氢气和氧气会依次反应并产生电能。今天大多数可用的氢气是使用蒸汽重组器从石油和天然气中提取出来的。

4.车辆与传动系统

4框图所示,重型车辆的传动系统在技术上与电动客用车的并没有太大的区别。NaOednc

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4电池电动车辆的简化框图NaOednc

重型车辆与客用车相比具有两项主要的区别。重型车辆的连续功率输出水平超过了客用车,在使用寿命方面也是同样。通常情况下,如果客用车的使用寿命是6000至8000个工作小时,那么卡车和公交车的使用寿命应该是它们的10倍之多。NaOednc

尽管如此,商用车使用的电机大多数为永磁同步电机,由二级逆变器控制,如5所示。NaOednc

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5电动车辆传动系统的典型动力部分NaOednc

6所示是将氢气和氧气转化为水、热能和电能的燃料电池作为电源的扩展框图。大储槽中装有氢气,仍然需要电池在加速期间提供峰值功率,并在恢复期间储存能量。NaOednc

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6 使用燃料电池的电动车辆传动系统框图NaOednc

除此之外,在构成燃料电池和电池之间接口的DC-DC转换器中,还需要更多的电子电力器件。NaOednc

燃料电池传动系统固有的重要部件是压缩机,压缩机驱动强烈的气流进入燃料电池中,这些空气中含有平衡氢气和氧气所需要的氧气。NaOednc

通过仔细研究燃料电池,可以了解到压缩机方面的挑战。图7是使用氢气进行能源转换所使用部件示意图。NaOednc

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7燃料电池能量转换系统NaOednc

根据燃料电池内需要的气体平衡,可以估算实现150 kW连续运作所需的气流:NaOednc

  • 1 kg H2 和8 kg O2生成大约20 kWh电能
  • 每小时需要7.5 kg H2 + 60 kg O2
  • 1 m²空气重量为1.2 kg,含有0.24 kg氧气

由此可见,每小时必须向燃料电池提供250 m³大气空气。由于燃料电池的负载可能变化得非常快,压缩机需要具备快速启动能力,这往往需要在几分之一秒内从零加速到100%速度。由于这些要求,驱动压缩机之逆变器的额定功率通常为20-40 kW。NaOednc

如要真正将基于燃料电池的车辆作为一项绿色技术,就必须使用可再生能源来制造氢气。从石油或天然气中提取氢气是一个技术选项,但这种所谓的“黑氢”(black hydrogen)会出现副产品,也就是导致大量二氧化碳产生。NaOednc

目前,业界正在考虑将风能和太阳能等可再生能源的电力与电解运作相结合,从而将水分离成氢气和氧气。特别地,如果用于消耗多余的电力,这种做法是支持电网稳定性以及生成氢气作为副产品的很好选项。世界各国纷纷制订计划,要将氢气作为减少温室气体排放的基石技术。NaOednc

电解是直流电流驱动的应用。单个电解槽的正向电压低于2V,但在工业制氢中可能需要数千安培电流量。8中的B12C拓朴结构是最普遍的兆瓦(MW)级整流方案。NaOednc

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8带有B12C的整流器拓朴结构,也称为B6C-2PNaOednc

十二脉冲B12C拓朴结构,也可以视为两个B6C结构的并联,称为B6C-2P。即使没有平滑和滤波,也可以在直流侧实现非常低的电压波纹。单级AC-DC能量转换也可以实现出色的效率。NaOednc

使用的相关电子电力器件是采用压接封装的晶闸管或 IGBT器件,通常安装在所谓的器件堆栈中。IGBT的额定电流高达4500 A,晶闸管甚至超过8000 A。这些器件可以轻易满足高电流要求。此外,压接封装的短路故障(short-on-fail)特性带来了更好的可靠性和系统可用性。NaOednc

5.用例︰车队运营和停靠站充电

尽管使用现代的电池技术和尖端的功率半导体解决方案能够设计出高效的基础设施,但这个想法本身并不如许多人所想的那样新颖。9描述了现代版本的车辆停靠站充电情景,而图10则提供了一百多年以前的前人构思。NaOednc

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9设有充电基础设施的现代化公交依靠NaOednc

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10充电中的配送车辆,1917年伦敦圣潘克拉斯车站NaOednc

在汽车停靠站充电是当地车队营运的首选方案,尤其是对公交车和任何类型配送车辆而言。这些车辆在相当固定的路线上行驶,并且在夜间里闲置数个小时。NaOednc

这种运营方法减少了对充电电源的需求,并且在能源管理方面拥有更多的选择。包括固定电池,以及可以选择将公交车的充电时间与能量过剩的时间分开。NaOednc

截至2021年普通电池电动公交车的电池容量在250至500 kWh范围,这样它们能够在不充电的情况下行驶一个班次。汽车停靠站的一个充电器只需要为一辆车充电一个晚上。即使是在6小时内进行80%的500 kWh充电,70 kWh充电功率也就足够了。当然,对于整个汽车停靠站来说,这还要乘以同时充电的车辆数量。NaOednc

11所示,典型充电器示意图包括一个能够适应直流链路电压的输入级、一个电气隔离级,以及一个输出整流器。NaOednc

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11双向充电器示意图与适用的元器件NaOednc

充电器通常采用模块化方式由子系统构成,这些子系统可以堆叠以增加输出功率。常见的设计是每个子系统功率为15-60 kW,元器件的选择随着输出功率要求和冷却偏好方式而变化。虽然业界广泛采用分立器件来构建10至15 kW范围强制空气冷却装置,但功率级别较高的单元则使用液体冷却,并且主要由功率模块构成。除了增加输出功率之外,并联单元还可以作为冗余备用,使得系统以较低的功率运行,而不会在单个模块发生故障时,导致整个系统失效。NaOednc

在汽车停靠站充电也是二级电网服务的敲门砖。固定式储能有助于减少电网的负荷,在高能源需求期间甚至可以为电网提供支持。负载平衡和调度充电也成为一种选择。充电时间可以配合电网能源过剩的时期,夜间的能源价格很低,甚至为负值。从整体上看,汽车停靠站和较大的工业园区可以发展成为太阳能发电站。在具有固定时间班表的车队中,并非所有的车辆都必须同时充饱电力。车辆之间共享能量是可能的,那些未计划投入使用的车辆也可以贡献储存能量。在12的立体绘图中,我们看到大有潜力的应用场景。NaOednc

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12使用太阳能和储能的车队运营整体方法NaOednc

12所示的初始项目已经构建完成并投入使用[6]。而且,更加先进的项目正在建设中[7]NaOednc

回顾2014年,在美国纽约进行的电动公交车试验[8]显示,电动公交车与使用柴油或CNG动力的公交车相比,每英里行驶成本降低了超过一美元。NaOednc

美国还出现了独特的情况,在美国有超过48万辆校车运行,这被认为是美国最大的公共交通车队。这些校车每年行驶约60亿英里,或说96亿公里[9]。在正常情况下,它们在上午行驶一次,下午再行驶一次,中间时段则停止运行。假设每辆电动车有电能200 kWh[5],这就相当于具有96 GWh储能的分布式能源储存体系。尤其是在暑假,这些公交车连续100天不行驶,在夏季因空调使用量增加而导致高能源需求的时期,它们正好可以提供电网支持。NaOednc

现在的美国政府从2021年中期开始,已经公告了这个特殊车队的零排放政策。NaOednc

6.用例二︰机会充电

沿着预先确定路线行驶的营运车队,可以选择通过更频繁地添加少量能源来延长行驶里程。这就是所谓的机会充电,如果以完全自动化的方式进行,则效果最佳。NaOednc

这种充电方式有两种基本的解决方法。NaOednc

6.1电弓机会充电

集电弓是一种机械系统,允许大型电触点移动更远的距离,并可安全地接触对应体。集电弓广泛用于有轨电车与铁路应用,并提供了成熟可靠的技术。根据安装位置的不同,集电弓可以分为自上而下和自下而上两种系统。自下而上的系统是安装在车辆上,可与车站接触;而自上而下的机械装置则是车站的一部分,降低以接触车辆。13所示为如何设置集电弓进行充电的示例。NaOednc

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13自上而下的集电弓用于机会充电NaOednc

集电弓基础设施的建设仍然限于路边环境。因此,如果当地有合适的电源,此类装置可以作为对现有车站点的升级设备。由于这种情形很少见,因此以电池储能来缓解充电站运作的设置成为了广受欢迎的解决方案,从而可将车辆的大功率充电与固定电池的充电分开处理。NaOednc

相比在汽车停靠站的充电方式,机会充电方式要求更大的充电功率,这是因为车辆在单个车站内停留的时间有限。常见充电功率范围为125至250 kW。在充电过程开始之前,车站和车辆的电池管理系统之间的充电电压及电流是一致的。由于涉及到高功率,采用集电弓充电始终是直流充电,可直接被车辆的电池吸收。NaOednc

考虑到未来的安装设施,业界认为集电弓是“命中注定”的解决方案,特别是对于自动驾驶车辆,因为不涉及需要精确处理的插头和电线。集电弓系统可以很轻松处理不同高度的车辆,其构造可以容忍车站和车辆之间的错位。NaOednc

6.2. 采用无线电能传输(WPT)进行机会充电

无线充电在智能手机等移动设备上很流行,可以升级功率以满足大规模能量传输的需求。SAE J2594标准描述了车辆规模系统的无线电能传输(WPT)。14是概述WPT普通设置的示意图。NaOednc

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14大功率感应式充电系统的普通设置示意图NaOednc

WPT系统本质上由两个独立的部分组成,它们通过磁通量交换能量。所涉及的典型转换级如15所示。NaOednc

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15WPT系统普通结构示意图NaOednc

无线电能传输标准要求发送方和接收方之间具有互操作性,尽管它们的额定功率不同。这就要求针对7.7 kVA优化的发送设备必须与3.3 kVA、11.1 kVA或22 kVA的接收设备保持兼容。很明显,不同功率等级的发送和接收线圈具有不同的几何形状,然而在同一个功率等级中,发送线圈和接收线圈可以共享相同的几何形状。由于互操作性要求,必须容忍接收线圈和发送线圈的非对称性安排。NaOednc

为了防止过多损失传输效率,SAE J2594设定了至少达到80%传输效率的目标。NaOednc

为了满足这项要求,如16所示的串联补偿谐振电路成为常见的方法,工作频率范围为80至140 kHz。NaOednc

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16串联补偿谐振WPT设定NaOednc

可以考虑使用多种输入整流器拓朴结构,包括作为成本优化解决方案的静态二极管整流器或基于晶闸管型款。由于具有出色的EMI性能,更少的滤波工作量以及可调节的直流链路电压,Vienna整流器是常见的解决方案。NaOednc

根据标准要求,使用80至140 kHz高开关频率来驱动发送线圈,DC-DC转换级可以选择具有低开关损耗的IGBT或SiC-MOSFET器件。NaOednc

感应式充电器需要安装在车辆可以辗过之处,与集电弓方式相比,这对基础设施具有更深远的影响,特别是在公共交通方面。因此,感应式充电主要适用于半公共区域,例如,机场的行李车可以从无线电能传输中受益,因为其功率水平、所涉及的能量和地形条件适合这项用例。NaOednc

除了技术的挑战之外,无线电能传输还有一项独特要求。发送线圈和接收线圈之间有几十厘米的间隙,这足以容纳异物甚至是活体生物。因而必须注意在充电过程中没有导电物品存在,这是因为感应能量会产生极其麻烦的发热现象,甚至可熔化金属物体。人们亦需要注意不要造成宠物和小动物等受到伤害。充电过程中磁场带来的影响可能超过活体生物可承受的限度,以至造成严重的伤害。NaOednc

7.用例三︰单独长途运输行驶

如果长途物流中电动卡车在随机的路线上行驶,这同样需要单独的大功率充电操作。这种大功率充电装置必需成为现有基础设施的一部分,以便将电动卡车顺利整合到交通运输领域中。NaOednc

在欧洲,目前为客用车推出的350 kW充电器仍需要两小时间断时间,以便为大型卡车的500至600 kWh电池组充电。业界已经公布最高800 kW充电功率,参与定义充电标准的CharlN组织已经推出了商用车大功率充电标准(HPCCV)。NaOednc

由于直流电压高达1500V,最大充电电流高达3000A,有可能实现超过2 MW充电速率。17以视觉方式地比较了商用车充电与客用车充电的不同规格。NaOednc

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17大功率客用车和商用车充电器的工作区域比较NaOednc

以2 MW功率充电时,大约可以在15分钟内提供500 kWh电量,从而可让车辆再行驶300公里,这完全能够配合司机遵守法规而必须执行的休息时间。然而,最高400 V城市低压三相电网无法支持这种高功率水平。NaOednc

在这种情况下,需要首先考虑由中压系统供电的本地电源。虽然以固定式电池作为缓冲装置是可行选项,但其储存容量过大而变得不经济。NaOednc

通过中压变压器,可以为兆瓦级充电器提供两种最具有潜力的选择。NaOednc

7.1扩大堆叠子系统规模

11所示,采用350 kVA客用车充电器方法,然后加以扩大。通过提高功率来支持兆瓦级充电应用。可将几个子系统并联起来而构成一个充电器组,用以提供所需的输出功率。如果要建立250 kVA到500 kVA子系统,则需要具有4到8个充电器单元的堆栈,如18所示。NaOednc

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18兆瓦级直流充电器结构图NaOednc

兆瓦级充电提供了另一个选择,因为电池和供电电网之间的电气隔离被转移到变压器中,而无需加入在AC-DC转换器中。NaOednc

与其扩大客用车充电结构,不如采用在电解方面受到青睐的方法。请记得基于晶闸管的B6C电桥只能在降压模式下运作,因此中压输入变压器需要设计成不同的传输比和绕组方案,如19所示。NaOednc

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19基于晶闸管电桥的兆瓦级直流充电器NaOednc

如图8所示,尽管用于电解的单个B12C结构只有两个B6电桥,在技术层面上来说是充足的,但这样的系统仅具有有限的冗余备用选项。NaOednc

消除各个转换器的电气隔离级可以提高效率,并将每千瓦装置的资源量降到最低。采用压接式元器件制作的组件也减少了空间需求。NaOednc

可为电动重型车辆提供能源的其他解决方案还包括运行期间的动态无线充电[10] REF _Ref80359448 \n \h \* MERGEFORMAT VALUE 和通过架空线路供电[11],但这些内容不在本白皮书的讨论范围内。NaOednc

8.用例四︰建筑机械

除了公交车和卡车,挖掘机、履带式装载机或推土机等建筑机械在恶劣的环境中作业,这些机械对于驾驶员和乘员的舒适性重视程度较低。因此,可以在驱动系统中使用开关磁阻电机(SRM),取代永磁同步电机(PMSM)。NaOednc

SRM属于不需要永久磁铁的同步电机,机械设计更为简单,无需外部磁性材料,从而获得更好的Nm/$比例。其扭矩密度略低于PMSM,但由于转子表面没有磁铁,因而可以实现更高的转速。NaOednc

顾名思义,SRM 特性在于运作模式类似于步进电机。由于感知振动和可闻噪音,在对驾驶舒适性有较高要求的应用中,它们不是最佳的选择。NaOednc

在电子方面,SRM是具有三个独立绕组的三相电机,需要进行独立供电。这种机器的转矩只取决于电流的幅度。与 PMSM 相比,电流的方向无关紧要。因此,SRM驱动电子电力级仅由高边和低边斩波器组成,如20所示。NaOednc

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20控制开关磁阻电机(SRM)的电源部分和设备示意图NaOednc

一个特殊的建筑设备系列是大型工业采矿企业的自卸车辆。自1970年代以来,这些重达数百吨且有效载荷相同的车辆,一直是柴油电动混合动力车[12],它们巨大的传动系统可以达到超过3500 HP输出功率。NaOednc

由于23小时或每日运作的严苛要求,这类特殊级别卡车具有类似于火车机车的传动系统。工作电压未有标准化,最高可达2.5kV。构建功率转换器的合适功率器件包括采用模块和压接式封装形式的大功率IGBT,还包括圆盘型GTO。21所示为综合示意图。NaOednc

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21兆瓦级运输应用中的大功率传动系统NaOednc

9. 结论

公交车、卡车和建筑设备等重型车辆的电动化实施,并无万用的解决方案,因为所有用例的要求都有很大的差异。然而,通常有类似的共同方法可用作解决方案。市场现有构成交通运输系统的所有不同部分的电子电力器件,可以支持车辆电动化价值链中从几千瓦到兆瓦范围的任何应用。NaOednc

10. 参考文献

  1. European commission, https://ec.europa.eu/clima/policies/transport/vehicles/heavy_en, visited May 12th, 2021
  2. US Bureau of Transportation Statistics, , visited May 12th, 2021
  3. Bloomberg, https://www.bloomberg.com/news/articles/2020-12-17/this-is-the-dawning-of-the-age-of-the-battery, visited May 12th, 2021
  4. INNOLITH AG Hirzbodenweg 95, 4052 Basel, Switzerland, https://innolith.com/technology/, visited May 12th, 2021
  5. Thomas Built Buses Delivers Its 50th Electric School Bus, https://insideevs.com/news/506038/thomas-50th-electric-school-bus/, visited June 8th, 2021
  6. Buses Go Truly Zero Emission with Solar Power, https://goexplorer.org/buses-go-truly-zero-emission-with-solar-power/, visited June 9th, 2021
  7. Qatar home to region’s first ever solar-powered bus depot, https://www.dohanews.co/qatar-home-to-regions-first-ever-solar-powered-bus-depot/, visited June 9th, 2021
  8. BYD and New York Metropolitan Transportation Authority (MTA) Complete a Successful Pilot of BYD All-Electric Bus, https://www.businesswire.com/news/home/20140108006692/en/BYD-York%C2%A0Metropolitan-Transportation-Authority-MTA-Complete-Successful#.UtRaL2RDv4V, visited June 9th, 2021
  9. New York School Bus Contractors Association NYSBCA, https://www.nysbca.com/fastfacts.html, Visited May 12th, 2021
  10. KAIST rolling out dynamic wireless charging in buses in South Korea, https://www.greencarcongress.com/2013/08/kaist-20130808.html, visited June 11th, 2021
  11. eHighway – Electrification of road freight transport, https://www.mobility.siemens.com/global/en/portfolio/road/ehighway.html, visited June 11th, 2021
  12. Terex 33-19 "Titan", https://en.wikipedia.org/wiki/Terex_33-19_%22Titan%22, visited June 11th, 2021
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