有一种意见认为 EV 比燃油汽车更加节能,还有一种意见认为并非如此。这里仅对 EV 和燃油汽车的“能量利用率”试做比较。能量利用率又称能量利用效率或能量效率,有很多类似的用语。因为各自的定义不同,所以往往造成混乱。
相似的用语还有“Well to Wheel ”这个指标。直译就是“从油井(石油采掘)到车轮”。它表示,从驱动汽车的能源的采掘,直到最终驱动车轮的动力,其间的能量是怎样使用的?全部能量的百分之多少用于汽车的驱动?这个指标应该说是比较公正的衡量节能程度的指标。但是,因为测算方法不同,Well to Wheel 指标也会有较大的差异。
庆应大学的资料显示:燃油汽车为 8.6%, EV 为 35%
庆应大学 Eliica 项目的 Well to Wheel 指标显示,在燃油汽车中,仅仅有效地使用了原始能量(原油中含有的化学能)的 8.6%。也就是说,其余的 91.4% 的能量或者变成热,或者作为未被利用的化学能而被弃。与此相对的 EV中,好像最终有效利用了 35%,65% 被浪费掉。可见,EV 的能量利用率约是燃油汽车的 4 倍。
群马大学的资料显示:燃油汽车为 12%,EV 为 18%
群马大学的 Well toWheel 测算资料显示,两种车型的差值要比庆应大学的数据小一些。
虽然我们无法判断哪家的数据正确,但是可以有如下几点结论。
·在有效利用能量这个角度,EV优于燃油汽车。
·无论电是从哪里发出来的,EV 所使用的电,将来都有改善能量利用率的余地。
·电的“生产方法”“输送方法”“储存方法”很重要。
原油等化石燃料受产出地域的限制,而电能可以因地制宜在很多地方生产。特别是由于有效利用自然能(阳光、地热、风力、水力)的技术进步,上述 Well to Wheel 指标的差值会不会大幅增加呢?从这个意义上来说,在支持 EV 的技术领域中,不仅受限于电机和电池,还涉及发电、输电、蓄电等广阔的领域,这些技术的进步与相互间的融合就显得十分重要了。
作为汽车动力能源,电机比发动机优越的地方
作为汽车的动力源,发动机仍占有主流地位。与发动机相比,电机的特性如何?先把结论列出来。
电机有如下特点。
(1)能量转换效率高
发动机的能量转换效率只有 10% ~ 15%,而电机的能量转换效率高达 80% ~ 90%。
(2)结构简单
一般汽车用发动机,虽然计数方法有较大差异,但可以知道起码是由 1000 个以上的零件构成的。而电机的零件数量少到区区 100 个左右,占有压倒性优势。这与低故障率和低成本紧密相关。
(3)能够做到精细控制
例如,发动机不可能实现反转,而电机就很容易做到。即使没有倒挡齿轮,电机通过反转也可以实现后退。电机可以达到每分钟数十转至数万转的宽域转速范围,而每分钟数百转至上万转的转速范围,就已经达到发动机的极限(不论低速旋转还是高速旋转,发动机都不如电机)。
(4)免维护
电机无须发动机不可缺少的机油、过滤器。即使长期闲置后,也可以立即使用。
(5)长寿命
因为零件的机械摩擦少,所以电机比发动机的寿命长,消耗零件只有轴承。
(6)低噪声,低振动,低发热
电机旋转时很安静,无须发动机上必备的消音器。电机不排出废气,发热量也少于发动机,以至于可以在室内使用。
(7)可以变成发电机
电机可以实现再生发电,也就是可以变成发电机工况(不是所有的电机都具备这一功能)。而发动机无论如何也不可能变成发电机。
作为汽车的动力源,电机不如发动机的几个缺点
与发动机的优点相比,电机的缺点归纳如下。
(1)续航距离短
电机的最大缺点是,作为电机能源的电的储存和输送方法都比汽油更加麻烦(不是电机自身的问题)。发动机中使用的汽油比水轻,在油箱中储存几十千克汽油就可以供汽车行驶很远的路程。电本身几乎没有重量,可是电的蓄存必须使用电池或电容器,为了蓄存同等能量而附加的重量反而比汽油重得多。另外,电池是依靠化学反应来充放电的,充电需要数小时。电池的耐用年数也有变短的趋势。电容器因为没有化学反应而充电速度快,寿命也优于电池,但比电池体积更加庞大,成本也更高。满箱汽油可续航 400 ~ 500km。EV 上装载着多个笨重的电池,而续航里程只有前者的一半。最近颇受关注的氢燃料电池能够大幅增加续航里程,但考虑到建设基础设施(氢气充气设备)需要花费的成本,眼下也成不了救世主。尽管电机本身没有缺点,但是电能的储存方法终究是很大的瓶颈。
(2)难以维持最大输出
一般来说,电机不能连续工作在其说明书注明的最大输出状态。后文将叙述,电机在产生最大输出功率时,特别是没有加入控制时的原始特性,其效率仅为 50% 左右,输入的一半转换为热量而损失。因为发热,只能在短时间使用。这一点,从模型用电机到 EV 用电机,基本上是相同的。EV用大型电机,虽然配备了线圈冷却系统(空冷、水冷、油冷),扩展了可用范围,但连续运行在最大输出功率工作点,其效率也较理论值降低很多。另一方面,发动机可以连续运行在最大输出功率工作点。虽然这不是经常使用的工作点,但是最高转速运行于这个功率最大的区域。
(3)噪声、振动过小
噪声和振动过小本来是电机的优点,可是从另一个角度思考,似乎噪声和振动也是发动机的优点。考虑到驾驶汽车和摩托车的情况,噪声和振动是发动机的缺点,但同时也是其魅力所在。如果哈雷摩托车没有噪声和振动,那么它的魅力就会减半。
(4)不能把发热用于采暖
电机的优点,反过来说也是缺点。在汽车上,冷暖设备是必需的。特别是采暖,来自发动机(效率低)散热。在水冷发动机上,可以把发动机冷却时产生的热量用于采暖(从发动机获得的热量)。虽然 EV 电机也会发热、也有冷却装置,但达不到采暖所需的发热量。只能寻求另外的采暖措施,如采用电加热器之类的设备为 EV 供暖。有时,驾驶员也往往因为噪声和振动而感到心情舒畅。高级大型汽车和大型摩托车的发动机噪声符合一部分人的心理需求,这是另一维度的技术课题。
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