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新能源車輛發展規律初步探討

放大字體??縮小字體 發布日期:2019-08-19 09:00:38 ??來源:新能源汽車網??編輯:全球新能源汽車網??瀏覽次數:437
核心提示:2019年08月19日關于新能源車輛發展規律初步探討的最新消息:新能源車輛發展規律初步探討現在大家都在討論汽車后續的發展方向。目前,大家討論關鍵詞有:電動化、智能化、網聯化、共享化、輕量化、氫能化、換電模式等等。鮮有認真研究汽車產業發展規律,探
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新能源車輛發展規律初步探討

現在大家都在討論汽車后續的發展方向。目前,大家討論關鍵詞有:電動化、智能化、網聯化、共享化、輕量化、氫能化、換電模式等等。鮮有認真研究汽車產業發展規律,探尋出汽車發展必然性趨勢。到目前為止,聰明的專家學者、果敢又富有執行力的汽車高管,看汽車發展方向及趨勢,如霧里看花聞花香而不見花美,又如盲人摸象各執一端莫衷一是。所有人均不能給一個明確而具體、權威性和令人信服的趨勢判斷。媒體和學術界經常出現的觀點也是人云亦云,給大眾的印像是新能源汽車發展技術路線是"條條大路能通北京,大家都在彎道超車",但是卻回避走哪一個路徑是最近,造成當前中國的汽車產業全部駛入彎道,忽視了兩點之間直線最近的最簡單常識,誤入歧途,耽誤了發展。

對汽車后續發展方向及路徑的討論,實質上是對汽車發展規律的認識。汽車發展規律具有必然性,單個人對汽車發展規律的認識必定有局限性的。當人們對汽車發展規律認識到位了,就能少些許盲目性。筆者按從汽車發展規律性研究的角度,對研究汽車的發展方向(汽車發展的必然性)予以即研究、得到基本結論:未來發展新能源汽車的直線超車路徑是,短途純電,長途增程的LY混動車,及人工為主、智能為輔的漸進式車輛智能化。

(1) 事物發展的必然性

是指事物發展、變化中的不可避免和一定不移的趨勢。必然性(跟"偶然性"相對)是由事物的本質決定的,認識事物的必然性,就是認識事物的本質。而新能源汽車的本質就是能源利用方式的優選。

車是人和物體的位置轉移工具,滿足人的出行需求,實現貨物運送是車的基本屬性。由人力車發展到馬車(牛車)、再發展到機動車(蒸汽車、電動車、內燃機車)自然有其規律所遵循,發展的必然性原因是客觀的。

圖 1 車輛演變的規律是什么?

驅動汽車運動的必須是機械力(機械能),給汽車機械能的裝置是能量源,當前產業化主流的動力源有兩種內燃動力和電動動力兩種。燃料化學能通過燃燒釋放內能,內燃機做功也可以用來發電,用于驅動電動機的。電動動力的能量源則是來自電能。人力、馬(牛)力由肌肉推動車輛,是生物能的持續輸出,蒸汽機、內燃機和電動機的輸出持續的機械能。所有的能源儲能介質,如汽柴油、甲醇、氫能、太陽能、風能和電能都不能直接驅動汽車運動,必須有能源轉換裝置,對汽車而言,電池、汽柴油等是能源儲能部件。發電機、內燃機和傳動機構是能源轉化部件。

內燃機和電動機之間還存在混動,混動車都可以看成是增程車型。市面上各種混動車型、不同的是油電供能比例的不同。根據油電比例的不同,電動化車輛可以有一個新的劃分方式。100%油供能稱為油氣電動化車輛。100%電供能稱為電池車。而短途純電長途增程則稱為增程車。增程車分兩種。第一種是偏油氣車:以滿足城市通勤、短途出行(通常小于60~100公里)的大功率油氣發動機增程車。第二種是偏電池車:當純電續航里程較長(如160~500公里)、根據每次出行的里程需求確定純電續航、當出行距離超過純電距離、選擇小功率發動機作為增程動力,增程發電在電池電量較充足的情況就與電池一起供能。

必需認識到的是,增程車的使用小功率內燃機+發電機作為轉換部件,其轉換效率要比大規模電站效率低很多,但是因增程車中,偏電池車在每次出行中電能提供能源占比更高,在短途的時候甚至達到100%,而長途的時候,有電池提供能量。整體能源利用效率也比燃油車高。這樣還有一個好處是能夠恰當地提高了能源存儲部件的能量密度。

(2) 電能來自清潔可持續的新能源,用電的車輛離新能源最近

目前新能源類別比較多,車輛不是新能源,而是新能源的利用方式。大部分的新能源,如生物質、光伏、水電、風電其能源的輸出都以電能為主,故未來的車輛必須是以電能為主導,才能實現能源來源清潔可持續。

圖 2 光伏水電生物質等電力來源是清潔可持續的

電驅動汽車發展嘗試了混合動力汽車、插電式混合動力汽車、增程式電動汽車,純電動汽車以及燃料電池發電系統的電動汽車。其中混合動力汽車、插電式混合動力汽車、增程式電動汽車都保留了內燃機。但并不是說利用內燃機就不是新能源,比如使用液態陽光(如甲醇等)的內燃機,也是新能源。只是內燃機轉換能源的效率(最高近50%)遠低于電動機(超過90%),利用電能的控制方式也比內燃機快穩準。但因液態陽光、生物燃料和氫能源的能量密度較電池高出兩個數量級,只能用來作為備用能源提高整車能量密度。內燃機提供的是輔助能源。

(3) 汽車電動化推進十分艱難的緣由

電驅動車輛的出行,比內燃機汽車要早上數十年。內燃機車輛長期占據產業主導位置,電驅動車輛市場份額極低,即便是今天電動車存量在交通工具中的占比仍未達到1%。要從0%發展到100%。這是多么艱難的事情。造成電驅推進艱難的主要原因能源儲能部件的能量密度差異,電能儲能的電池與汽柴油能量密度相差兩個數量級。在汽車上將汽柴油轉換為電能,即便內燃機效率只有30~50%,發電機效率95%,汽柴油轉換為電能其能量密度仍有大幅領先,至少是一個數量級,也就是幾十倍于電池。混動車就是利用了這樣的能源規律。此外還有,混動車的能源轉換部件,如電動機+傳動,其能量轉換能力及能量轉換部件能量密度也比大功率的內燃機高。

圖 3 混動車要集中純電池和內燃機車的優點

而這樣的混動,如增程方式,盡管其小功率內燃機+發電機的能源轉換部件能量密度比大功率內燃機更高,工況穩定內燃機效率也更高。但因其能源轉換經過好多手,第一手內燃機,第二手電力電子變換,第三手電動機,然后才是能源的有效輸出機械能,有些還要經過電池的充放電,兩次電力電子變換。最多是經歷了六道手,每經手一道能源變換環節,都會有能源的損失。這是當前車載內燃機增程器無法推廣的基本原理。如何降低能源變換次數,是提高增程車輛能源有效轉化為車輛機械能的效率方法之一,增程系統的能源密度較當前主流鋰電池高數十倍以上,這樣的輕量化可以降低車輛能源損耗。也是提高車載能源轉為車輛機械能的有效方法。

故增程式車輛具備融合電動車、內燃機車的優點。

(4) 發展新能源汽車的基本途徑

新能源包含光伏、水電、風電等可持續清潔的電力,還包括液態陽光,氫能源和生物質燃料等等能源來自太陽能的化學內能。發展新能源汽車就是發展利用太陽能的方式。

什么樣的太陽能利用方式才是最好的呢?借助"WTW"油井到車輛的概念,有"STS"即"solar to service"太陽能到服務人生產生活的效率。

這個效率有三類:

第一類效率是"STS"的能源轉換效率,如光伏發電效率,電機效率等。

第二類效率是"STS"的經濟效率,即單位能源成本。如度電成本,燃油燃油價格等。

第三類是"STS"能源轉換裝置成本效率,即單位能源的轉換成本,如家里煮飯的電飯煲成本,電動化車輛購置成本。

這三種類效率是用來判斷新能源汽車好壞的客觀標準。

車用電動機的發展具有必然性,是因為電動機能源轉換效率最高、電能是當前能源種類中較便宜的能源,此外電機的制造成本也較內燃機、燃料電池等等能源轉換裝置更低。車用電動機的必然性是有前提的,這個前提條件是車載電能足夠多,足夠便宜。

車載電能來源有多種途徑,目前主要有:

1) 電化學儲能電池,如鋰電池。

2) 車載電磁感應發電,如增程。

3) 燃料電池,如甲醇燃料電池等。

4) 其他。

(5) 儲能電池能滿足驅動電機的要求嗎?

早在130多年前,鉛酸儲能電池就能滿足提供車載電能需求,并在內燃機技術成熟前成為主流出行方式。但因電化學儲能電池較燃油內燃機的能量密度性能缺失,電化學儲能電池失去了市場價值。

進入二十一世紀,經過二十年的努力電化學儲能中的佼佼者,鋰離子電池能量密度獲得極大的提升,到2018年,量產化的能量密度已經超過300WH/KG。固態電池的實驗室水平已經普遍獲得600WH/KG,目前實驗室電池最高能量密度水平是Innolith AG達到1KWH/KG。理論上電池最高能量密度則是2018年Goodenough研究室Braga女士開發出來的Li-S化學電池與超級電容復合類電池,其理論值達到8KWH/KG。實際有望達到30~40%。也就是3.2KWH/KG。

我們知道阿波羅登月工程中使用的最高化學能源是氫氧燃料,其能量密度只有4.41KWH/KG。如果Braga提出的電池達到理論水平8KWH/KG,那么人類將進入星際時代。百年內,月球、火星上將會有超大城市出現。故電化學儲能解決地面的交通出行問題是完全沒有問題的。

(6) 最佳的新能源車輛發展技術路徑是車輛能更好地利用能源

經過上面的論述,什么樣的車輛發展技術路線才是最佳的呢?在"STS"的判斷標準下,我們得到了最佳的利用能源的方式才是最佳的車輛技術路線。

我們先看一種全新的增程系統結構

圖 4 新型增程車典型圖

如圖4,這是一輛帶發電功能的純電動車,也是一輛增程車,當車身前艙增加一套增程發動系統,就可以通過傳動帶動發電電動機A發電。以圖4增程車結構為基本動力配置原理,可以設計出下面三種類型產品。

第一種:車上動力系統總功率小于60KW的48V系統車輛,短途純電,長途增程。購車成本3~6萬。用來取代摩托車、三輪車、電單車。市場容量1億輛以上。

第二種:純電動乘用車、增程乘用車、外置增程乘用車、偏油氣車、混動車。這些車輛根據市場需要設計,種類多。未來車輛技術方式以外置增程,短途純電長途增程為主,其他技術路線并行發展。

第三種:耗電量大(噸百公里電耗大,整車電耗也大)如卡車、大型貨車、大型客車等。假設耗電量60度每百公里以上,可以通過增程、純電和牽引機的方式實現能源的調配。

這三種大類產品設計中需要遵循下面原則

1) 車載能源按需配置

2) 交通工具單次補能從A地點到B地點。所耗費的能量,除以整車空載質量成為稱為有效能量密度。交通工具單次補能從A地點到B地點。所剩余在車上的能量,除以整車空載質量稱為備用能量密度。

3) 車載能源的補能方式非常重要,盡可能給增加補能方式,如加油,慢充,快充,機械補能,外部牽引補能,制動饋能。

4) 無勝于有,對于車輛有限的能源來說,車上任何東西能無勝于有。比如增程系統,在大多數時候用不到,只是作為備用,沒有增程系統的增程車是最好。

5) 盡可能復用車上已有零部件,分時復用,分地點復用。比如利用增程系統在車輛停下來的時間作為生物質發電系統。利用備胎作為增程器結構件。利用車身作為能源部件。

圖4的新型增程車結構,是一個能源消費和生產終端,在能源的角度中扮演重要的角色。

關于這方面的論述詳見筆者所寫的一本能源科技筆記的書里。目前已有20萬字的內容,尚不能完全講述清楚。故這里只能簡單介紹。

(7) 化石能源還要繼續使用嗎?

我們不要去爭論溫室效應是否發生,是否會深刻影響人類未來。也不去討論化石能源什么時候會枯竭。這些爭論沒有意義,干就對了。按照本文描述的技術路線,未來十年內,石油等化石能源將退出市場,不是因為沒有石油了,而是因為石油作為能源來使用太過于昂貴。居民用電才0.6元每度,而燃油相同做功換算度電成本超過2元,部分場合超過4~5元。我們發展新能源生產、利用技術,是出于經濟效益。

(8) 固態電池技術正在成熟,純電動車使用超大車載電能即可,為什么還需要增程系統?

即便最好的實驗室水平1KWH/KG能量密度,實現了量產,價格也很便宜。但仍舊無法跟短途純電,長途外置增程的模式競爭。從能源角度來看,任何能源都是有成本。增程器通過租用的方式,成本最低。至于換增程系統和換電池兩種方式比較,換電池也能通過租用降低電池成本。但是電池更換需要專門場地,電池的能源密度也比增程系統低。此外,大電池的補能方式只能用快充。這樣有局限的補能方式也會影響大電池、換電池的模式。小電池+增程就沒有這些問題。

(9) 電動汽車是發展智能汽車最佳載體

當前電化學儲能的電驅動車輛,落后內燃機的是續航里程。但電動化車輛因電能的控制快為準。電動化車輛是人工智能的最好載體。交通工具的智能化,無人化必定以電驅動為主。得益于通信技術,人工智能等信息技術的發展。互聯網汽車、智能化汽車和完全自主無人化的汽車將是產業的前沿方向。目前鋰電池水平已經基本滿足出行需求(如300公里續航以內)

,在這個能源儲能水平上,可以大膽利用電動化車輛平臺實現互聯網化,智能化,無人化的進階級產品開發。

當前發展以電動化車輛為平臺的信息技術去操控能源,這是互聯網化、智能化、無人化的目的。在有人的車上,如家用乘用車,發展無人駕駛是不經濟、不可行、不安全的。即便車輛達到了L5級,完全取代人的操控。乘用車上有人,人來操控能源才是最好的利用方式,智能化的駕駛適合作為輔助。聯網、智能和無人化的更多的適用場合是移動工作場所,如農業機械、拖拉機收割機。商業車輛,貨運卡車,集裝碼頭,掃地車等等,這些移動工作場所實現聯網、智能和無人化后,產生巨大的經濟效應。并且,有些場合聯網、智能和無人化的實現成本非常低。下面用電動卡車,大貨車車來說明,如何零成本實現無人化。我們先看一下幾組圖片。

圖 5 電動化貨車無人牽引機和有人牽引機

圖 6 可低速短途行駛的貨車車身和牽引機的對接示意圖

圖 7 一臺完整的大貨車

圖 8 兩個車身和一個無人牽引機、一個有人牽引機組成的大貨車

圖 9 三個車身和兩個無人牽引機、一個有人牽引機組成的大貨車

如圖5~9所示。

圖5的無人牽引機可以實現人工智能的無人駕駛,或者僅提供牽引動力。有人牽引機需要司機駕駛,人工智能輔助行駛。牽引機是由一個固定的增程系統,發電電動機、動力系統等和200~400公里續航里程所需可調整電池組。也就是說這個車輛最大的純電續航在500公里,

圖6車身也是一輛純電動車。可以在沒有車頭牽引機的情況下保持低速移動,有電動駕駛室。開車身就如同開電動玩具車一樣,還可以遙控操作。其電池可以滿載續航5~10公里,最高時速滿載20公里每小時。車身可以配置快換電池組。電池組可以擴容到滿載續航100公里。

圖7是一輛大貨車,圖8是兩輛大貨車,圖9是三輛大貨車。依次類推,如果路況允許,這種編組式車隊可以增加到數十輛大貨車。通常大貨車需要兩個司機,數十輛大貨車需要數十名司機。而得益于電能控制的快穩準,編組式車隊只需要2名司機。其聯網、智能和無人化的成本幾乎為零。

在作者從事十幾年的工業自動經驗中,電氣化、自動化、智能化的不論規模大小、完全無人化是做不到的,工業自動化的場景中,控制系統的輸入擾動更小,尚且需要人工干預才能夠達到最優的輸出效果。車輛行駛場景,當控制系統的輸入波動大,擾動更大。根本無法實現完全無人化的駕駛,換個說法就是,如果生產汽車的生產線未能完全人工智能化,無人化。自動駕駛功能也無法超越生產汽車的生產線。(這里說的是量產化,規模化有經濟效益的情況下,試驗情況下,者冗余控制、大量儀表加人工智能算法等昂貴技術,自動駕駛是完全沒有問題的。)

由此可見,未來車輛技術中,對聯網、智能和無人化有需求的是移動工作場所的車輛,這些需求并非一定要通過人工智能、昂貴的儀表設備去實現無人化,即便是簡單的編組車隊,也可以實現無人化。掃地車輛通過簡單碰撞轉向,也能實現無人化。農業機械、農用車輛也是實現基本自動化即可應用。

本文有少量內容(少于5%)借鑒了雷博士文章,已經獲得他微信上的許可。再次表示感謝。

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關鍵詞: 新能源汽車 新能源 電池 能源 新能源技術 能量密度 能量轉換 新能源產業 電動汽車 儲能 電力


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