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新能源车辆发展规律初步探讨
来源:www.xjxyyg.com 发布时间:2020年01月06日
    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。新疆新能源汽车公司表示到目前为止,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。
    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。
    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。
    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。
    (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。
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