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十分钟让你搞懂混合动力和纯电动车

Autocarweekly·2015-03-03 12:40
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汽油的密度是0.72kg/L,燃烧热值是46mJ/kg,那么一升汽油燃烧释放出的总能量是多少?

最先进的18650锂电池,储电量为3100mAH,重量约为46克,工作电压约3.7v,那么每公斤电池的储电量有多少?

据说体育老师由于兼授数学课,已经不堪重负,所以还是直接给出结论。使用老百姓喜闻乐见的能量单位“度”来衡量,一升汽油燃烧热量为9.2度,但发动机的热效率最高大约40%左右,所以实际上一升汽油能释放的最大能量约为3.7度,而一公斤锂电池的储存能量为0.25度。

如果您偶尔也听到过“电池储能密度”这个词汇。这结论也许能有个较为直观的印象,为什么说电池储能是电动车无可规避的硬伤。电池的储能效率与传统燃料相比,实在是少的可怜。这就好比你吃掉整整一冰箱的黄瓜,得到的热量也许还不如一小碟冰淇淋。

最近遇到很多人问我电动车的事情,义务扫盲之时,常常会聊到混动。混合动力汽车无论从技术和市场角度,都已较为成熟。纯电动车则是比较新的热点,吸引眼球的潜力巨大,实际市场前景,则有些前途未卜。

电池容量,电动车不得不面对的硬伤

回到刚开始的数学题,化学电池储能密度比传统燃料低了不止十倍。

其实特斯拉使用的就是18650锂电池,和笔记本电脑上用的完全一样。常说的6芯笔记本电池就是由6节18650电池组成,若以此类比,特斯拉的电池就是7000多芯,高配版85kwH的电池组由7000多节小电池组成。电池加上辅助结构,重544公斤,储存85度电。

直观上理解,544公斤电池=23升汽油(约16.5公斤)。但电动系统的效率很高且稳定,内燃机则随路况情况波动巨大,综合而论,这544公斤电池大致相当于30~40升汽油。

特斯拉的电池组重量一定是精心优化过的。无限制的增加电池会进一步增加车重,或影响整车布置。即便如此,续航里程只能做到差强人意。Model S P85的理论续航里程为500公里,但仅仅是理论值,在城市综合路况,实测的续航大致上在350到400公里之间。而普通轿车一箱油,跑市区500公里,或跑高速800公里,然后还能放心开着车去找油站,并不算过分的要求吧?

从本质上讲,汽油是发生燃烧反应直接消耗掉,能量释放比较猛烈。电池则是通过较为温和的化学反应来储存和释放能量,可以反复充放。其它一些课题,比如燃料电池、超级电容储能,也都是试图提升储能密度,但目前还没什么本质上的进展。

纯电动车和混合动力车,从本质上,都是改善能量利用效率

对汽车的运转,除了能量储备,另一个关键就是能量利用率。

以目前内燃机技术,一升汽油虽然“应该”释放出3.7度左右能量。但是,由于效率降低而“浪费”掉的能量要占去很大一部分。

由于车型、驾驶习惯和路况有很大差异,不可能有准确数据。但大致上在城市路况,传统汽车发动机浪费掉的能量要占总能量的一半。这些浪费,主要来自起步、换挡和大脚油门,此时发动机的热效率急剧下降,称为发动机的“恶劣工况”,恶劣工况在总行驶时间中比例很低,但造成的浪费却极为巨大。

相反,最优工况就是以恒定速度运行,此时热效率可以达到发动机的最高水平,一升汽油中的3.7度能量全部发挥出来。因此,70km/h定速巡航的油耗,比上下班堵车的油耗要明显降低,不管排量是大是小,普通轿车在这个工况都能达到很低的油耗水平。

其实电动和混合动力,都是试图改善恶劣工况下的发动机效率低下的问题。

纯电动的做法非常彻底,干脆就把发动机干掉,纯靠电池电机驱动车轮,始终保持很高的效率;混合动力,则是在恶劣工况时用电“帮助”发动机,进入平稳工况后将控制权交还给让发动机,并反过来给电池充电。

顺带说一说,新近的“发动机起停”技术,也是针对怠速停车和起步工况所做的改善,停车时熄火省油,起步时使用电机帮助发动机拖到较为平稳的转速。

所以,电动和混动,稳定工况和恶劣工况的效率波动不大。传统内燃机汽车,高速路况和堵车路况的效率可以相差两倍以上。实际的效果大致如下:

特斯拉,典型的电动车,544公斤电池组,理论续航(定速巡航)500公里,城市路况350~400公里。

典型的混合动力汽车,约50L油箱,电池组重几十公斤,油耗保持在百公里4~6L范围,堵车还是跑高速相差不大。

典型的内燃机中级车,约70L油箱,70km/h定速巡航油耗可做到百公里5~7L,堵车路况,立刻飙升到百公里12L甚至更高。

千万别被忽悠了,地球上的汽油到底还能烧多少年?

“地球上的汽油只够烧40年!”这样的字眼您肯定是见过的。第一次看到时,二三子脑海中浮现出一张“未来水世界”的电影画面。天哪,能源枯竭、核战争、社会体系崩塌,这一切都将在我有生之年发生,太可怕了!

但仔细查一下就发现有点不对劲,2000年说石油只够用40年,2010年还是够用40多年,到了2014年,咱的石油还够用53年。

其实,这个年数实际上是全球原油“储采比”,也就是以当前探明储量除以当年开采量计算出来的年数。探明储量并非恒定不变,因为每年都有新增探明储量,而且地球的未探明储量远大于探明储量。这就好比家里有800元储蓄,这天开销花了100块,照这样下去,8天以后就要饿死了,结果第二天打工挣了200块,开销变成了90块,再算一算,则还能维持10天。储采比的概念是一样的。鉴于断章取义和不懂装懂乃是各大门户网站的本职工作,也就不应该怪他们误导老百姓,凡事还要靠自己多查资料。

全球原油储采比,在1980年时大约为30年,1990年到2010年一直维持40多,这几年反而进一步增加为50多年。一方面科技进步使得探明储量增长,另一方面全球各国节能环保的努力,一定程度上缓解了能源问题。

由于未探明储量是个未知数,谁也不能准确估算原油资源到底能用几年。放开来烧是显然不行的,但有节制的烧一烧,50年远远不止。很遗憾,诸位有生之年恐怕是看不到未来水世界了。

也很好理解,倘若汽油真的只够用三五十年,大众丰田这些汽车厂商还在稳如泰山的开发和改进内燃机,不是脑子进水了吗?

不知道您是怎么想的,二三子比较喜欢混合动力,无论从理念还是实现方法,都比较巧妙。而电动汽车,炒作一下概念,搞来点政策扶植,也未尝不可。若要真的改变整个行业,还需要等待更好的契机。

其实市场早已给出回答,混合动力汽车已卖了二十年,从技术到市场都很完善。现在中国的买车者,也越来越多的去考虑混动版汽车。各大品牌汽车的工程师和决策者们也不傻,真的要大规模推广纯电动车,只需一个指令而已,根本没有技术门槛。

投资者们也千万不要被特斯拉鼓舞的太过了,马斯克卖的产品,更多的是概念、是玩具,但咱中国人还是停留在买汽车的时代。

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