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新能源车辆发展规律初步探讨

2019-08-19 08:56
LY说新能源
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新能源车辆发展规律初步探讨

现在大家都在讨论汽车后续的发展方向。目前,大家讨论关键词有:电动化、智能化、网联化、共享化、轻量化、氢能化、换电模式等等。鲜有认真研究汽车产业发展规律,探寻出汽车发展必然性趋势。到目前为止,聪明的专家学者、果敢又富有执行力的汽车高管,看汽车发展方向及趋势,如雾里看花闻花香而不见花美,又如盲人摸象各执一端莫衷一是。所有人均不能给一个明确而具体、权威性和令人信服的趋势判断。媒体和学术界经常出现的观点也是人云亦云,给大众的印像是新能源汽车发展技术路线是"条条大路能通北京,大家都在弯道超车",但是却回避走哪一个路径是最近,造成当前中国的汽车产业全部驶入弯道,忽视了两点之间直线最近的最简单常识,误入歧途,耽误了发展。

对汽车后续发展方向及路径的讨论,实质上是对汽车发展规律的认识。汽车发展规律具有必然性,单个人对汽车发展规律的认识必定有局限性的。当人们对汽车发展规律认识到位了,就能少些许盲目性。笔者按从汽车发展规律性研究的角度,对研究汽车的发展方向(汽车发展的必然性)予以即研究、得到基本结论:未来发展新能源汽车的直线超车路径是,短途纯电,长途增程的LY混动车,及人工为主、智能为辅的渐进式车辆智能化。

(1) 事物发展的必然性

是指事物发展、变化中的不可避免和一定不移的趋势。必然性(跟"偶然性"相对)是由事物的本质决定的,认识事物的必然性,就是认识事物的本质。而新能源汽车的本质就是能源利用方式的优选。

车是人和物体的位置转移工具,满足人的出行需求,实现货物运送是车的基本属性。由人力车发展到马车(牛车)、再发展到机动车(蒸汽车、电动车、内燃机车)自然有其规律所遵循,发展的必然性原因是客观的。

图 1 车辆演变的规律是什么?

驱动汽车运动的必须是机械力(机械能),给汽车机械能的装置是能量源,当前产业化主流的动力源有两种内燃动力和电动动力两种。燃料化学能通过燃烧释放内能,内燃机做功也可以用来发电,用于驱动电动机的。电动动力的能量源则是来自电能。人力、马(牛)力由肌肉推动车辆,是生物能的持续输出,蒸汽机、内燃机和电动机的输出持续的机械能。所有的能源储能介质,如汽柴油、甲醇、氢能、太阳能、风能和电能都不能直接驱动汽车运动,必须有能源转换装置,对汽车而言,电池、汽柴油等是能源储能部件。发电机、内燃机和传动机构是能源转化部件。

内燃机和电动机之间还存在混动,混动车都可以看成是增程车型。市面上各种混动车型、不同的是油电供能比例的不同。根据油电比例的不同,电动化车辆可以有一个新的划分方式。100%油供能称为油气电动化车辆。100%电供能称为电池车。而短途纯电长途增程则称为增程车。增程车分两种。第一种是偏油气车:以满足城市通勤、短途出行(通常小于60~100公里)的大功率油气发动机增程车。第二种是偏电池车:当纯电续航里程较长(如160~500公里)、根据每次出行的里程需求确定纯电续航、当出行距离超过纯电距离、选择小功率发动机作为增程动力,增程发电在电池电量较充足的情况就与电池一起供能。

必需认识到的是,增程车的使用小功率内燃机+发电机作为转换部件,其转换效率要比大规模电站效率低很多,但是因增程车中,偏电池车在每次出行中电能提供能源占比更高,在短途的时候甚至达到100%,而长途的时候,有电池提供能量。整体能源利用效率也比燃油车高。这样还有一个好处是能够恰当地提高了能源存储部件的能量密度。

(2) 电能来自清洁可持续的新能源,用电的车辆离新能源最近

目前新能源类别比较多,车辆不是新能源,而是新能源的利用方式。大部分的新能源,如生物质、光伏、水电、风电其能源的输出都以电能为主,故未来的车辆必须是以电能为主导,才能实现能源来源清洁可持续。

图 2 光伏水电生物质等电力来源是清洁可持续的

电驱动汽车发展尝试了混合动力汽车、插电式混合动力汽车、增程式电动汽车,纯电动汽车以及燃料电池发电系统的电动汽车。其中混合动力汽车、插电式混合动力汽车、增程式电动汽车都保留了内燃机。但并不是说利用内燃机就不是新能源,比如使用液态阳光(如甲醇等)的内燃机,也是新能源。只是内燃机转换能源的效率(最高近50%)远低于电动机(超过90%),利用电能的控制方式也比内燃机快稳准。但因液态阳光、生物燃料和氢能源的能量密度较电池高出两个数量级,只能用来作为备用能源提高整车能量密度。内燃机提供的是辅助能源。

(3) 汽车电动化推进十分艰难的缘由

电驱动车辆的出行,比内燃机汽车要早上数十年。内燃机车辆长期占据产业主导位置,电驱动车辆市场份额极低,即便是今天电动车存量在交通工具中的占比仍未达到1%。要从0%发展到100%。这是多么艰难的事情。造成电驱推进艰难的主要原因能源储能部件的能量密度差异,电能储能的电池与汽柴油能量密度相差两个数量级。在汽车上将汽柴油转换为电能,即便内燃机效率只有30~50%,发电机效率95%,汽柴油转换为电能其能量密度仍有大幅领先,至少是一个数量级,也就是几十倍于电池。混动车就是利用了这样的能源规律。此外还有,混动车的能源转换部件,如电动机+传动,其能量转换能力及能量转换部件能量密度也比大功率的内燃机高。

图 3 混动车要集中纯电池和内燃机车的优点

而这样的混动,如增程方式,尽管其小功率内燃机+发电机的能源转换部件能量密度比大功率内燃机更高,工况稳定内燃机效率也更高。但因其能源转换经过好多手,第一手内燃机,第二手电力电子变换,第三手电动机,然后才是能源的有效输出机械能,有些还要经过电池的充放电,两次电力电子变换。最多是经历了六道手,每经手一道能源变换环节,都会有能源的损失。这是当前车载内燃机增程器无法推广的基本原理。如何降低能源变换次数,是提高增程车辆能源有效转化为车辆机械能的效率方法之一,增程系统的能源密度较当前主流锂电池高数十倍以上,这样的轻量化可以降低车辆能源损耗。也是提高车载能源转为车辆机械能的有效方法。

故增程式车辆具备融合电动车、内燃机车的优点。

(4) 发展新能源汽车的基本途径

新能源包含光伏、水电、风电等可持续清洁的电力,还包括液态阳光,氢能源和生物质燃料等等能源来自太阳能的化学内能。发展新能源汽车就是发展利用太阳能的方式。

什么样的太阳能利用方式才是最好的呢?借助"WTW"油井到车辆的概念,有"STS"即"solar to service"太阳能到服务人生产生活的效率。

这个效率有三类:

第一类效率是"STS"的能源转换效率,如光伏发电效率,电机效率等。

第二类效率是"STS"的经济效率,即单位能源成本。如度电成本,燃油燃油价格等。

第三类是"STS"能源转换装置成本效率,即单位能源的转换成本,如家里煮饭的电饭煲成本,电动化车辆购置成本。

这三种类效率是用来判断新能源汽车好坏的客观标准。

车用电动机的发展具有必然性,是因为电动机能源转换效率最高、电能是当前能源种类中较便宜的能源,此外电机的制造成本也较内燃机、燃料电池等等能源转换装置更低。车用电动机的必然性是有前提的,这个前提条件是车载电能足够多,足够便宜。

车载电能来源有多种途径,目前主要有:

1) 电化学储能电池,如锂电池。

2) 车载电磁感应发电,如增程。

3) 燃料电池,如甲醇燃料电池等。

4) 其他。

(5) 储能电池能满足驱动电机的要求吗?

早在130多年前,铅酸储能电池就能满足提供车载电能需求,并在内燃机技术成熟前成为主流出行方式。但因电化学储能电池较燃油内燃机的能量密度性能缺失,电化学储能电池失去了市场价值。

进入二十一世纪,经过二十年的努力电化学储能中的佼佼者,锂离子电池能量密度获得极大的提升,到2018年,量产化的能量密度已经超过300WH/KG。固态电池的实验室水平已经普遍获得600WH/KG,目前实验室电池最高能量密度水平是Innolith AG达到1KWH/KG。理论上电池最高能量密度则是2018年Goodenough研究室Braga女士开发出来的Li-S化学电池与超级电容复合类电池,其理论值达到8KWH/KG。实际有望达到30~40%。也就是3.2KWH/KG。

我们知道阿波罗登月工程中使用的最高化学能源是氢氧燃料,其能量密度只有4.41KWH/KG。如果Braga提出的电池达到理论水平8KWH/KG,那么人类将进入星际时代。百年内,月球、火星上将会有超大城市出现。故电化学储能解决地面的交通出行问题是完全没有问题的。

(6) 最佳的新能源车辆发展技术路径是车辆能更好地利用能源

经过上面的论述,什么样的车辆发展技术路线才是最佳的呢?在"STS"的判断标准下,我们得到了最佳的利用能源的方式才是最佳的车辆技术路线。

我们先看一种全新的增程系统结构

图 4 新型增程车典型图

如图4,这是一辆带发电功能的纯电动车,也是一辆增程车,当车身前舱增加一套增程发动系统,就可以通过传动带动发电电动机A发电。以图4增程车结构为基本动力配置原理,可以设计出下面三种类型产品。

第一种:车上动力系统总功率小于60KW的48V系统车辆,短途纯电,长途增程。购车成本3~6万。用来取代摩托车、三轮车、电单车。市场容量1亿辆以上。

第二种:纯电动乘用车、增程乘用车、外置增程乘用车、偏油气车、混动车。这些车辆根据市场需要设计,种类多。未来车辆技术方式以外置增程,短途纯电长途增程为主,其他技术路线并行发展。

第三种:耗电量大(吨百公里电耗大,整车电耗也大)如卡车、大型货车、大型客车等。假设耗电量60度每百公里以上,可以通过增程、纯电和牵引机的方式实现能源的调配。

这三种大类产品设计中需要遵循下面原则

1) 车载能源按需配置

2) 交通工具单次补能从A地点到B地点。所耗费的能量,除以整车空载质量成为称为有效能量密度。交通工具单次补能从A地点到B地点。所剩余在车上的能量,除以整车空载质量称为备用能量密度。

3) 车载能源的补能方式非常重要,尽可能给增加补能方式,如加油,慢充,快充,机械补能,外部牵引补能,制动馈能。

4) 无胜于有,对于车辆有限的能源来说,车上任何东西能无胜于有。比如增程系统,在大多数时候用不到,只是作为备用,没有增程系统的增程车是最好。

5) 尽可能复用车上已有零部件,分时复用,分地点复用。比如利用增程系统在车辆停下来的时间作为生物质发电系统。利用备胎作为增程器结构件。利用车身作为能源部件。

图4的新型增程车结构,是一个能源消费和生产终端,在能源的角度中扮演重要的角色。

关于这方面的论述详见笔者所写的一本能源科技笔记的书里。目前已有20万字的内容,尚不能完全讲述清楚。故这里只能简单介绍。

(7) 化石能源还要继续使用吗?

我们不要去争论温室效应是否发生,是否会深刻影响人类未来。也不去讨论化石能源什么时候会枯竭。这些争论没有意义,干就对了。按照本文描述的技术路线,未来十年内,石油等化石能源将退出市场,不是因为没有石油了,而是因为石油作为能源来使用太过于昂贵。居民用电才0.6元每度,而燃油相同做功换算度电成本超过2元,部分场合超过4~5元。我们发展新能源生产、利用技术,是出于经济效益。

(8) 固态电池技术正在成熟,纯电动车使用超大车载电能即可,为什么还需要增程系统?

即便最好的实验室水平1KWH/KG能量密度,实现了量产,价格也很便宜。但仍旧无法跟短途纯电,长途外置增程的模式竞争。从能源角度来看,任何能源都是有成本。增程器通过租用的方式,成本最低。至于换增程系统和换电池两种方式比较,换电池也能通过租用降低电池成本。但是电池更换需要专门场地,电池的能源密度也比增程系统低。此外,大电池的补能方式只能用快充。这样有局限的补能方式也会影响大电池、换电池的模式。小电池+增程就没有这些问题。

(9) 电动汽车是发展智能汽车最佳载体

当前电化学储能的电驱动车辆,落后内燃机的是续航里程。但电动化车辆因电能的控制快为准。电动化车辆是人工智能的最好载体。交通工具的智能化,无人化必定以电驱动为主。得益于通信技术,人工智能等信息技术的发展。互联网汽车、智能化汽车和完全自主无人化的汽车将是产业的前沿方向。目前锂电池水平已经基本满足出行需求(如300公里续航以内),在这个能源储能水平上,可以大胆利用电动化车辆平台实现互联网化,智能化,无人化的进阶级产品开发。

当前发展以电动化车辆为平台的信息技术去操控能源,这是互联网化、智能化、无人化的目的。在有人的车上,如家用乘用车,发展无人驾驶是不经济、不可行、不安全的。即便车辆达到了L5级,完全取代人的操控。乘用车上有人,人来操控能源才是最好的利用方式,智能化的驾驶适合作为辅助。联网、智能和无人化的更多的适用场合是移动工作场所,如农业机械、拖拉机收割机。商业车辆,货运卡车,集装码头,扫地车等等,这些移动工作场所实现联网、智能和无人化后,产生巨大的经济效应。并且,有些场合联网、智能和无人化的实现成本非常低。下面用电动卡车,大货车车来说明,如何零成本实现无人化。我们先看一下几组图片。

图 5 电动化货车无人牵引机和有人牵引机

图 6 可低速短途行驶的货车车身和牵引机的对接示意图

图 7 一台完整的大货车

图 8 两个车身和一个无人牵引机、一个有人牵引机组成的大货车

图 9 三个车身和两个无人牵引机、一个有人牵引机组成的大货车

如图5~9所示。

图5的无人牵引机可以实现人工智能的无人驾驶,或者仅提供牵引动力。有人牵引机需要司机驾驶,人工智能辅助行驶。牵引机是由一个固定的增程系统,发电电动机、动力系统等和200~400公里续航里程所需可调整电池组。也就是说这个车辆最大的纯电续航在500公里,

图6车身也是一辆纯电动车。可以在没有车头牵引机的情况下保持低速移动,有电动驾驶室。开车身就如同开电动玩具车一样,还可以遥控操作。其电池可以满载续航5~10公里,最高时速满载20公里每小时。车身可以配置快换电池组。电池组可以扩容到满载续航100公里。

图7是一辆大货车,图8是两辆大货车,图9是三辆大货车。依次类推,如果路况允许,这种编组式车队可以增加到数十辆大货车。通常大货车需要两个司机,数十辆大货车需要数十名司机。而得益于电能控制的快稳准,编组式车队只需要2名司机。其联网、智能和无人化的成本几乎为零。

在作者从事十几年的工业自动经验中,电气化、自动化、智能化的不论规模大小、完全无人化是做不到的,工业自动化的场景中,控制系统的输入扰动更小,尚且需要人工干预才能够达到最优的输出效果。车辆行驶场景,当控制系统的输入波动大,扰动更大。根本无法实现完全无人化的驾驶,换个说法就是,如果生产汽车的生产线未能完全人工智能化,无人化。自动驾驶功能也无法超越生产汽车的生产线。(这里说的是量产化,规模化有经济效益的情况下,试验情况下,者冗余控制、大量仪表加人工智能算法等昂贵技术,自动驾驶是完全没有问题的。)

由此可见,未来车辆技术中,对联网、智能和无人化有需求的是移动工作场所的车辆,这些需求并非一定要通过人工智能、昂贵的仪表设备去实现无人化,即便是简单的编组车队,也可以实现无人化。扫地车辆通过简单碰撞转向,也能实现无人化。农业机械、农用车辆也是实现基本自动化即可应用。

本文有少量内容(少于5%)借鉴了雷博士文章,已经获得他微信上的许可。再次表示感谢。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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