新能源車輛發(fā)展規(guī)律初步探討

現(xiàn)在大家都在討論汽車后續(xù)的發(fā)展方向。目前，大家討論關(guān)鍵詞有：電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化、輕量化、氫能化、換電模式等等。鮮有認(rèn)真研究汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)律，探尋出汽車發(fā)展必然性趨勢。到目前為止，聰明的專家學(xué)者、果敢又富有執(zhí)行力的汽車高管，看汽車發(fā)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(zhí)一端莫衷一是。所有人均不能給一個(gè)明確而具體、權(quán)威性和令人信服的趨勢判斷。媒體和學(xué)術(shù)界經(jīng)常出現(xiàn)的觀點(diǎn)也是人云亦云，給大眾的印像是新能源汽車發(fā)展技術(shù)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(gè)路徑是最近，造成當(dāng)前中國的汽車產(chǎn)業(yè)全部駛?cè)霃澋?，忽視了兩點(diǎn)之間直線最近的最簡單常識，誤入歧途，耽誤了發(fā)展。

對汽車后續(xù)發(fā)展方向及路徑的討論，實(shí)質(zhì)上是對汽車發(fā)展規(guī)律的認(rèn)識。汽車發(fā)展規(guī)律具有必然性，單個(gè)人對汽車發(fā)展規(guī)律的認(rèn)識必定有局限性的。當(dāng)人們對汽車發(fā)展規(guī)律認(rèn)識到位了，就能少些許盲目性。筆者按從汽車發(fā)展規(guī)律性研究的角度，對研究汽車的發(fā)展方向（汽車發(fā)展的必然性）予以即研究、得到基本結(jié)論：未來發(fā)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(jìn)式車輛智能化。

（1） 事物發(fā)展的必然性

是指事物發(fā)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(zhì)決定的，認(rèn)識事物的必然性，就是認(rèn)識事物的本質(zhì)。而新能源汽車的本質(zhì)就是能源利用方式的優(yōu)選。

車是人和物體的位置轉(zhuǎn)移工具，滿足人的出行需求，實(shí)現(xiàn)貨物運(yùn)送是車的基本屬性。由人力車發(fā)展到馬車（牛車）、再發(fā)展到機(jī)動車（蒸汽車、電動車、內(nèi)燃機(jī)車）自然有其規(guī)律所遵循，發(fā)展的必然性原因是客觀的。

圖 1 車輛演變的規(guī)律是什么？

驅(qū)動汽車運(yùn)動的必須是機(jī)械力（機(jī)械能），給汽車機(jī)械能的裝置是能量源，當(dāng)前產(chǎn)業(yè)化主流的動力源有兩種內(nèi)燃動力和電動動力兩種。燃料化學(xué)能通過燃燒釋放內(nèi)能，內(nèi)燃機(jī)做功也可以用來發(fā)電，用于驅(qū)動電動機(jī)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(xù)輸出，蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)的輸出持續(xù)的機(jī)械能。所有的能源儲能介質(zhì)，如汽柴油、甲醇、氫能、太陽能、風(fēng)能和電能都不能直接驅(qū)動汽車運(yùn)動，必須有能源轉(zhuǎn)換裝置，對汽車而言，電池、汽柴油等是能源儲能部件。發(fā)電機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和傳動機(jī)構(gòu)是能源轉(zhuǎn)化部件。

內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)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(jù)油電比例的不同，電動化車輛可以有一個(gè)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(fā)動機(jī)增程車。第二種是偏電池車：當(dāng)純電續(xù)航里程較長（如160～500公里）、根據(jù)每次出行的里程需求確定純電續(xù)航、當(dāng)出行距離超過純電距離、選擇小功率發(fā)動機(jī)作為增程動力，增程發(fā)電在電池電量較充足的情況就與電池一起供能。

必需認(rèn)識到的是，增程車的使用小功率內(nèi)燃機(jī)＋發(fā)電機(jī)作為轉(zhuǎn)換部件，其轉(zhuǎn)換效率要比大規(guī)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(shí)候甚至達(dá)到100％，而長途的時(shí)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(gè)好處是能夠恰當(dāng)?shù)靥岣吡四茉创鎯Σ考哪芰棵芏取?/p>

（2） 電能來自清潔可持續(xù)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(zhì)、光伏、水電、風(fēng)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(dǎo)，才能實(shí)現(xiàn)能源來源清潔可持續(xù)。

圖 2 光伏水電生物質(zhì)等電力來源是清潔可持續(xù)的

電驅(qū)動汽車發(fā)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(fā)電系統(tǒng)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(nèi)燃機(jī)。但并不是說利用內(nèi)燃機(jī)就不是新能源，比如使用液態(tài)陽光（如甲醇等）的內(nèi)燃機(jī)，也是新能源。只是內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)換能源的效率（最高近50％）遠(yuǎn)低于電動機(jī)（超過90％），利用電能的控制方式也比內(nèi)燃機(jī)快穩(wěn)準(zhǔn)。但因液態(tài)陽光、生物燃料和氫能源的能量密度較電池高出兩個(gè)數(shù)量級，只能用來作為備用能源提高整車能量密度。內(nèi)燃機(jī)提供的是輔助能源。

（3） 汽車電動化推進(jìn)十分艱難的緣由

電驅(qū)動車輛的出行，比內(nèi)燃機(jī)汽車要早上數(shù)十年。內(nèi)燃機(jī)車輛長期占據(jù)產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)位置，電驅(qū)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(dá)到1％。要從0％發(fā)展到100％。這是多么艱難的事情。造成電驅(qū)推進(jìn)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(gè)數(shù)量級。在汽車上將汽柴油轉(zhuǎn)換為電能，即便內(nèi)燃機(jī)效率只有30～50％，發(fā)電機(jī)效率95％，汽柴油轉(zhuǎn)換為電能其能量密度仍有大幅領(lǐng)先，至少是一個(gè)數(shù)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(guī)律。此外還有，混動車的能源轉(zhuǎn)換部件，如電動機(jī)＋傳動，其能量轉(zhuǎn)換能力及能量轉(zhuǎn)換部件能量密度也比大功率的內(nèi)燃機(jī)高。

圖 3 混動車要集中純電池和內(nèi)燃機(jī)車的優(yōu)點(diǎn)

而這樣的混動，如增程方式，盡管其小功率內(nèi)燃機(jī)＋發(fā)電機(jī)的能源轉(zhuǎn)換部件能量密度比大功率內(nèi)燃機(jī)更高，工況穩(wěn)定內(nèi)燃機(jī)效率也更高。但因其能源轉(zhuǎn)換經(jīng)過好多手，第一手內(nèi)燃機(jī)，第二手電力電子變換，第三手電動機(jī)，然后才是能源的有效輸出機(jī)械能，有些還要經(jīng)過電池的充放電，兩次電力電子變換。最多是經(jīng)歷了六道手，每經(jīng)手一道能源變換環(huán)節(jié)，都會有能源的損失。這是當(dāng)前車載內(nèi)燃機(jī)增程器無法推廣的基本原理。如何降低能源變換次數(shù)，是提高增程車輛能源有效轉(zhuǎn)化為車輛機(jī)械能的效率方法之一，增程系統(tǒng)的能源密度較當(dāng)前主流鋰電池高數(shù)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(zhuǎn)為車輛機(jī)械能的有效方法。

故增程式車輛具備融合電動車、內(nèi)燃機(jī)車的優(yōu)點(diǎn)。

（4） 發(fā)展新能源汽車的基本途徑

新能源包含光伏、水電、風(fēng)電等可持續(xù)清潔的電力，還包括液態(tài)陽光，氫能源和生物質(zhì)燃料等等能源來自太陽能的化學(xué)內(nèi)能。發(fā)展新能源汽車就是發(fā)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(wù)人生產(chǎn)生活的效率。

這個(gè)效率有三類：

第一類效率是＂STS＂的能源轉(zhuǎn)換效率，如光伏發(fā)電效率，電機(jī)效率等。

第二類效率是＂STS＂的經(jīng)濟(jì)效率，即單位能源成本。如度電成本，燃油燃油價(jià)格等。

第三類是＂STS＂能源轉(zhuǎn)換裝置成本效率，即單位能源的轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)。

車用電動機(jī)的發(fā)展具有必然性，是因?yàn)殡妱訖C(jī)能源轉(zhuǎn)換效率最高、電能是當(dāng)前能源種類中較便宜的能源，此外電機(jī)的制造成本也較內(nèi)燃機(jī)、燃料電池等等能源轉(zhuǎn)換裝置更低。車用電動機(jī)的必然性是有前提的，這個(gè)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(xué)儲能電池，如鋰電池。

2） 車載電磁感應(yīng)發(fā)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(qū)動電機(jī)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(nèi)燃機(jī)技術(shù)成熟前成為主流出行方式。但因電化學(xué)儲能電池較燃油內(nèi)燃機(jī)的能量密度性能缺失，電化學(xué)儲能電池失去了市場價(jià)值。

進(jìn)入二十一世紀(jì)，經(jīng)過二十年的努力電化學(xué)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(chǎn)化的能量密度已經(jīng)超過300WH／KG。固態(tài)電池的實(shí)驗(yàn)室水平已經(jīng)普遍獲得600WH／KG，目前實(shí)驗(yàn)室電池最高能量密度水平是Innolith AG達(dá)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(fā)出來的Li－S化學(xué)電池與超級電容復(fù)合類電池，其理論值達(dá)到8KWH／KG。實(shí)際有望達(dá)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(xué)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(dá)到理論水平8KWH／KG，那么人類將進(jìn)入星際時(shí)代。百年內(nèi)，月球、火星上將會有超大城市出現(xiàn)。故電化學(xué)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(fā)展技術(shù)路徑是車輛能更好地利用能源

經(jīng)過上面的論述，什么樣的車輛發(fā)展技術(shù)路線才是最佳的呢？在＂STS＂的判斷標(biāo)準(zhǔn)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(shù)路線。

我們先看一種全新的增程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖 4 新型增程車典型圖

如圖4，這是一輛帶發(fā)電功能的純電動車，也是一輛增程車，當(dāng)車身前艙增加一套增程發(fā)動系統(tǒng)，就可以通過傳動帶動發(fā)電電動機(jī)A發(fā)電。以圖4增程車結(jié)構(gòu)為基本動力配置原理，可以設(shè)計(jì)出下面三種類型產(chǎn)品。

第一種：車上動力系統(tǒng)總功率小于60KW的48V系統(tǒng)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(jù)市場需要設(shè)計(jì)，種類多。未來車輛技術(shù)方式以外置增程，短途純電長途增程為主，其他技術(shù)路線并行發(fā)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(shè)耗電量60度每百公里以上，可以通過增程、純電和牽引機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)能源的調(diào)配。

這三種大類產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(bǔ)能從A地點(diǎn)到B地點(diǎn)。所耗費(fèi)的能量，除以整車空載質(zhì)量成為稱為有效能量密度。交通工具單次補(bǔ)能從A地點(diǎn)到B地點(diǎn)。所剩余在車上的能量，除以整車空載質(zhì)量稱為備用能量密度。

3） 車載能源的補(bǔ)能方式非常重要，盡可能給增加補(bǔ)能方式，如加油，慢充，快充，機(jī)械補(bǔ)能，外部牽引補(bǔ)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(tǒng)，在大多數(shù)時(shí)候用不到，只是作為備用，沒有增程系統(tǒng)的增程車是最好。

5） 盡可能復(fù)用車上已有零部件，分時(shí)復(fù)用，分地點(diǎn)復(fù)用。比如利用增程系統(tǒng)在車輛停下來的時(shí)間作為生物質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)。利用備胎作為增程器結(jié)構(gòu)件。利用車身作為能源部件。

圖4的新型增程車結(jié)構(gòu)，是一個(gè)能源消費(fèi)和生產(chǎn)終端，在能源的角度中扮演重要的角色。

關(guān)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(nèi)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(xù)使用嗎？

我們不要去爭論溫室效應(yīng)是否發(fā)生，是否會深刻影響人類未來。也不去討論化石能源什么時(shí)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(shù)路線，未來十年內(nèi)，石油等化石能源將退出市場，不是因?yàn)闆]有石油了，而是因?yàn)槭妥鳛槟茉磥硎褂锰^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(fā)展新能源生產(chǎn)、利用技術(shù)，是出于經(jīng)濟(jì)效益。

（8） 固態(tài)電池技術(shù)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(tǒng)？

即便最好的實(shí)驗(yàn)室水平1KWH／KG能量密度，實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，價(jià)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(tǒng)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(tǒng)低。此外，大電池的補(bǔ)能方式只能用快充。這樣有局限的補(bǔ)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(fā)展智能汽車最佳載體

當(dāng)前電化學(xué)儲能的電驅(qū)動車輛，落后內(nèi)燃機(jī)的是續(xù)航里程。但電動化車輛因電能的控制快為準(zhǔn)。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(qū)動為主。得益于通信技術(shù)，人工智能等信息技術(shù)的發(fā)展。互聯(lián)網(wǎng)汽車、智能化汽車和完全自主無人化的汽車將是產(chǎn)業(yè)的前沿方向。目前鋰電池水平已經(jīng)基本滿足出行需求（如300公里續(xù)航以內(nèi)）

，在這個(gè)能源儲能水平上，可以大膽利用電動化車輛平臺實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)化，智能化，無人化的進(jìn)階級產(chǎn)品開發(fā)。

當(dāng)前發(fā)展以電動化車輛為平臺的信息技術(shù)去操控能源，這是互聯(lián)網(wǎng)化、智能化、無人化的目的。在有人的車上，如家用乘用車，發(fā)展無人駕駛是不經(jīng)濟(jì)、不可行、不安全的。即便車輛達(dá)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(lián)網(wǎng)、智能和無人化的更多的適用場合是移動工作場所，如農(nóng)業(yè)機(jī)械、拖拉機(jī)收割機(jī)。商業(yè)車輛，貨運(yùn)卡車，集裝碼頭，掃地車等等，這些移動工作場所實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)、智能和無人化后，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。并且，有些場合聯(lián)網(wǎng)、智能和無人化的實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)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(jī)和有人牽引機(jī)

圖 6 可低速短途行駛的貨車車身和牽引機(jī)的對接示意圖

圖 7 一臺完整的大貨車

圖 8 兩個(gè)車身和一個(gè)無人牽引機(jī)、一個(gè)有人牽引機(jī)組成的大貨車

圖 9 三個(gè)車身和兩個(gè)無人牽引機(jī)、一個(gè)有人牽引機(jī)組成的大貨車

如圖5～9所示。

圖5的無人牽引機(jī)可以實(shí)現(xiàn)人工智能的無人駕駛，或者僅提供牽引動力。有人牽引機(jī)需要司機(jī)駕駛，人工智能輔助行駛。牽引機(jī)是由一個(gè)固定的增程系統(tǒng)，發(fā)電電動機(jī)、動力系統(tǒng)等和200～400公里續(xù)航里程所需可調(diào)整電池組。也就是說這個(gè)車輛最大的純電續(xù)航在500公里，

圖6車身也是一輛純電動車?？梢栽跊]有車頭牽引機(jī)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(xù)航5～10公里，最高時(shí)速滿載20公里每小時(shí)。車身可以配置快換電池組。電池組可以擴(kuò)容到滿載續(xù)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(duì)可以增加到數(shù)十輛大貨車。通常大貨車需要兩個(gè)司機(jī)，數(shù)十輛大貨車需要數(shù)十名司機(jī)。而得益于電能控制的快穩(wěn)準(zhǔn)，編組式車隊(duì)只需要2名司機(jī)。其聯(lián)網(wǎng)、智能和無人化的成本幾乎為零。

在作者從事十幾年的工業(yè)自動經(jīng)驗(yàn)中，電氣化、自動化、智能化的不論規(guī)模大小、完全無人化是做不到的，工業(yè)自動化的場景中，控制系統(tǒng)的輸入擾動更小，尚且需要人工干預(yù)才能夠達(dá)到最優(yōu)的輸出效果。車輛行駛場景，當(dāng)控制系統(tǒng)的輸入波動大，擾動更大。根本無法實(shí)現(xiàn)完全無人化的駕駛，換個(gè)說法就是，如果生產(chǎn)汽車的生產(chǎn)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(chǎn)汽車的生產(chǎn)線。（這里說的是量產(chǎn)化，規(guī)?；薪?jīng)濟(jì)效益的情況下，試驗(yàn)情況下，者冗余控制、大量儀表加人工智能算法等昂貴技術(shù)，自動駕駛是完全沒有問題的。）

由此可見，未來車輛技術(shù)中，對聯(lián)網(wǎng)、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(shè)備去實(shí)現(xiàn)無人化，即便是簡單的編組車隊(duì)，也可以實(shí)現(xiàn)無人化。掃地車輛通過簡單碰撞轉(zhuǎn)向，也能實(shí)現(xiàn)無人化。農(nóng)業(yè)機(jī)械、農(nóng)用車輛也是實(shí)現(xiàn)基本自動化即可應(yīng)用。

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

本文作者：LY說新能源 

引用連接：https://nev.ofweek.com/2019-08/ART-71011-11000-30403089.html