魏文強(qiáng)

摘 要：本文通過(guò)對(duì)比電動(dòng)汽車(chē)和內(nèi)燃機(jī)汽油車(chē)的熱效率及能耗，得出電動(dòng)汽車(chē)的熱效率及能耗明顯優(yōu)于內(nèi)燃機(jī)汽油車(chē)的結(jié)論，明確了電動(dòng)汽車(chē)的特點(diǎn)、作用等，以期為該領(lǐng)域提供一定參考。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē) 能效 經(jīng)濟(jì)性

Abstract：By comparing the thermal efficiency and energy consumption of electric vehicles and internal combustion engine gasoline vehicles， this paper concludes that the thermal efficiency and energy consumption of electric vehicles are significantly better than those of internal combustion engine gasoline vehicles， and clarifies the characteristics and functions of electric vehicles， to provide some reference for this field.

Key words：electric vehicles， energy efficiency， economy

電動(dòng)汽車(chē)和內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)最大的區(qū)別在于它們的動(dòng)力系統(tǒng)不同，電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)主要由電池、電機(jī)、個(gè)別品牌的電動(dòng)汽車(chē)還有變速器等高壓系統(tǒng)所組成[1]。電控、電池和電機(jī)的技術(shù)是開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車(chē)的決定性因素，在電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)的研發(fā)和維護(hù)過(guò)程中，電動(dòng)車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)還存在很多問(wèn)題。對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)過(guò)程，若果能準(zhǔn)確找到故障發(fā)生的位置，對(duì)縮短電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)周期至關(guān)重要，并且能夠有效降低對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)成本。

1 能耗研究

1.1 車(chē)型與參數(shù)

本文研究的四類(lèi)汽車(chē)包括純電動(dòng)汽車(chē)、燃油汽車(chē)、燃?xì)馄?chē)及油電混合汽車(chē)。其中百公里參數(shù)之間相差較大的為燃油汽車(chē)，因此本文將燃油汽車(chē)按百公里耗油量分為小油耗型、中油耗型和大油耗型，并選取比較常見(jiàn)的車(chē)型。燃?xì)馄?chē)分為兩類(lèi)，壓縮天然氣汽車(chē)和液化天然氣。車(chē)型及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表l。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)能源效率

發(fā)動(dòng)機(jī)的能源效率指的是做同樣的功發(fā)動(dòng)機(jī)所需要提供的總能量[2]。在汽車(chē)中，主要表現(xiàn)在行駛的距離相同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)而產(chǎn)生的功耗。由于不同類(lèi)型汽車(chē)的質(zhì)量水平良莠不齊，使能耗造成了一定變化，所以將比耗量參數(shù)作為主要方式。對(duì)于比耗量是指總能耗除以汽車(chē)質(zhì)量。能耗與比耗量的數(shù)值具有直接影響，主要針對(duì)汽車(chē)的燃料經(jīng)濟(jì)性。

依據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)了解到，我國(guó)的實(shí)際情況為汽車(chē)的總里程中市區(qū)里程占70％，而市郊里程占30％。各類(lèi)汽車(chē)的百公里發(fā)動(dòng)機(jī)能耗比較如圖1所示。柱狀圖從左到右依次為純電動(dòng)汽車(chē)、小油耗型車(chē)、中油耗型車(chē)、大油耗型車(chē)、CNG汽車(chē)、LNG汽車(chē)和油電混合汽車(chē)，其余柱狀圖亦同[3]?？梢?jiàn)，無(wú)論是百公里發(fā)動(dòng)機(jī)能耗，還是百公里發(fā)動(dòng)機(jī)，純電動(dòng)汽車(chē)都屬于比耗量數(shù)值最小的，數(shù)值最大的均為CNG汽車(chē)，在各類(lèi)汽車(chē)中，燃料經(jīng)濟(jì)性最理想的是純電動(dòng)汽車(chē)。

1.3 一次能源能耗

針對(duì)各個(gè)類(lèi)型汽車(chē)的能源使用情況展開(kāi)分析時(shí)，還需考慮汽車(chē)與其他一次能源之間的影響，將其利用情況納入考慮范圍內(nèi)。

在電能完成一次能源到二次能源轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，將會(huì)發(fā)生損耗。目前，國(guó)內(nèi)的充電機(jī)效率一般在94%純電動(dòng)汽車(chē)采用的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組，電池由于受到內(nèi)阻的影響，其放電效率不能達(dá)到100%，此外電池的放電效率還受到放電電流大小因素的影響，因此取電池的放電效率為91%。電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)效率85%。所以，純電動(dòng)汽車(chē)效率為22%。下表２為傳統(tǒng)汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)的能耗、綜合效率對(duì)比。

2 能源經(jīng)濟(jì)性研究

2.1 等效能源價(jià)格

對(duì)于等效能源價(jià)格，是指產(chǎn)生單位能量而消耗能源的價(jià)格，計(jì)算方法體現(xiàn)出一定的特殊性，主要以單位能源的價(jià)格為切入點(diǎn)，通過(guò)該數(shù)值和等效數(shù)值相除。各類(lèi)汽車(chē)的等效能源價(jià)格如圖２所示。

通過(guò)圖２了解到，在各類(lèi)汽車(chē)中， 等效能源價(jià)格最低的為純電動(dòng)汽車(chē)，且與其他類(lèi)汽車(chē)間的差異性顯著，表明其能源經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于其他汽車(chē)。

2.2 能源成本

考慮能源損失，將汽車(chē)百公里耗量（油耗、氣耗、電耗）折算為百公里等效一次能源（動(dòng)力煤、汽油、天然氣）[5]。各類(lèi)汽車(chē)的百公里耗量如表3所示。

在汽車(chē)的百公里一次能源耗量與一次能源價(jià)格相乘的情況下，可以得到汽車(chē)的百公里能源成本。百公里能源比成本代表的意義如下：?jiǎn)挝卉?chē)質(zhì)量行駛百公里范圍內(nèi)對(duì)能源消耗而產(chǎn)生的成本，要想計(jì)算出此數(shù)值，那么用百公里能源成本與整車(chē)質(zhì)量相除即可。

2.3 能源支出費(fèi)用

從汽車(chē)消費(fèi)者的角度分析，駕駛汽車(chē)時(shí)需要花費(fèi)的支出是他們最注重的，也就是百公里支出費(fèi)用。這一點(diǎn)與比耗量存在一定相似支出，比費(fèi)用代表單位車(chē)質(zhì)量的支出費(fèi)用。

我國(guó)不同地區(qū)的電價(jià)也是不同的，本文以北京市電價(jià)方案為代表：在自用充電設(shè)施上充電的電價(jià)按照居民電價(jià)收取，目前的電價(jià)為0.5103元/kWh；如果通過(guò)公用充電設(shè)施充電，那么收取電價(jià)的過(guò)程中以本市工商業(yè)為主，即0.8745元/kWh。

3 提升電動(dòng)汽車(chē)能耗經(jīng)濟(jì)性的對(duì)策

3.1 電動(dòng)汽車(chē)關(guān)鍵功率器件的選型對(duì)整車(chē)能耗的影響

為了確保電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性能保持較佳狀態(tài)，電動(dòng)汽車(chē)專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)具有高功率密度的特點(diǎn)，調(diào)速范圍較寬，具有較小的體積質(zhì)量，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，在制動(dòng)能力方面需占據(jù)顯著優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)階段，電動(dòng)汽車(chē)用電動(dòng)機(jī)主要分為四種：直流電動(dòng)機(jī)（DCM）、三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（IM）、永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)（PMBLM）和開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)（SRM），雖然直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，技術(shù)趨于完善，但由于需要花費(fèi)較多成本，再加上體積大、速度慢的缺陷，所以無(wú)法廣泛應(yīng)用在電動(dòng)汽車(chē)中。三相感應(yīng)電機(jī)調(diào)速技術(shù)有了很大進(jìn)步，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且體積小，無(wú)需花費(fèi)較多成本，所以在電動(dòng)汽車(chē)中獲得了廣泛應(yīng)用。在未來(lái)電動(dòng)商用車(chē)和電動(dòng)公交車(chē)領(lǐng)域會(huì)隨之出現(xiàn)，由于整車(chē)需要的驅(qū)動(dòng)功率需求更大，所以三相異步電機(jī)將獲得廣闊的發(fā)展前景。

3.2 電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力電池的性能對(duì)整車(chē)能耗的影響

動(dòng)力電池在目前的市場(chǎng)上非常普遍，應(yīng)用較多的分為三種：第一種為鉛酸蓄電池；第二種為鎳氫電池；第三種為鋰離子電池[6]。如果只從能量成本的角度出發(fā)，那么鉛酸蓄電池的能量成本較低，在價(jià)格方面具有一定優(yōu)勢(shì)，但由于鉛酸蓄電池體積質(zhì)量大，需要很長(zhǎng)的充電時(shí)間，充放電速度慢，所以對(duì)較高續(xù)駛里程要求的高端電動(dòng)汽車(chē)適用性不強(qiáng)，其比較適用于場(chǎng)地電瓶車(chē)，或者為電動(dòng)自行車(chē)的工作提供支持。對(duì)于鎳氫電池，雖然此種電池可以應(yīng)用很長(zhǎng)時(shí)間，但因?yàn)榻M成部分包括貴金屬，所以成本始終保持在較高狀態(tài)。相比之下，近年來(lái)鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢(shì)良好。鋰離子電池的比能量大，具有長(zhǎng)期循環(huán)使用的特點(diǎn)，可以在較短時(shí)間內(nèi)完成充放電，工作環(huán)節(jié)不會(huì)受到溫度變化的影響，與電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力需求相一致，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的工作環(huán)境也表現(xiàn)出較強(qiáng)的適用性。在現(xiàn)代社會(huì)，磷酸鐵鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展步伐不斷加快，該技術(shù)各方面性能有了質(zhì)的飛躍，鋰離子電池的安全性能比之前更強(qiáng)。我國(guó)的鋰資源比較豐富，鋰離子電池在我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池領(lǐng)域的地位不斷提升，也成為發(fā)展趨勢(shì)。諸多因素都會(huì)對(duì)動(dòng)力電池能耗經(jīng)濟(jì)性造成影響，例如當(dāng)工作環(huán)境溫度產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)，動(dòng)力電池能耗經(jīng)濟(jì)性也會(huì)隨之上升或者下降；電池的一致均勻性有所不同時(shí)，動(dòng)力電池能耗經(jīng)濟(jì)性也有所不同。依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)可知，鋰離子電池在冬季（-10℃）時(shí)可放出的能量?jī)H為夏季（30℃）的2／3，內(nèi)阻卻增加了1倍。這將直接干擾到動(dòng)力電池，其整體工作性能與之前不同。對(duì)于單個(gè)電池，其與電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力需求存在偏差，因此往往從電池入手，使其串聯(lián)成組。然后將組電池并聯(lián)的方式融入實(shí)際工作中。但由于串聯(lián)組電池具有不均勻的特點(diǎn)，主要是不同組電池的電壓和電阻參數(shù)差異，致使輸出功率比不同組電池電壓與內(nèi)阻均相等時(shí)的輸出功率小，之所以出現(xiàn)此情況，主要是因?yàn)椴煌瑓?shù)的電池組是彼此影響的，當(dāng)充放電不斷加劇后，功率損耗隨之出現(xiàn)?？梢?jiàn)，要想避免動(dòng)力電池能耗經(jīng)濟(jì)性受到不利影響，那么必須以保障電池組參數(shù)為前提。動(dòng)力電池的研究開(kāi)發(fā)屬于一項(xiàng)極為關(guān)鍵的工作，如果研究開(kāi)發(fā)良好的情況下，可以進(jìn)一步推動(dòng)整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在此過(guò)程中，不僅要研發(fā)充放電性能，還需將更多注意力放在比能量的研發(fā)中，注重循環(huán)壽命的延長(zhǎng)等，怎樣解決單體電池的一致均衡性問(wèn)題是該領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。

3.3 充電站建設(shè)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)能耗經(jīng)濟(jì)性的影響

在電動(dòng)汽車(chē)逐漸趨于產(chǎn)業(yè)化的背景下，電動(dòng)汽車(chē)對(duì)充電站配套建設(shè)的要求越來(lái)越嚴(yán)格。主要體現(xiàn)在充電快速化、通用化、智能化、集成化和電能轉(zhuǎn)換的高效化。對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的能耗指標(biāo)，與其運(yùn)行能耗存在一定的關(guān)聯(lián)性。對(duì)于充電站來(lái)講，出于對(duì)電能轉(zhuǎn)換效率的考慮，或者想要降低建造成本，使運(yùn)行能耗越來(lái)越少，使其經(jīng)濟(jì)性明顯增強(qiáng)，應(yīng)優(yōu)先選擇建造成本低、電能轉(zhuǎn)換效率高的充電裝置?，F(xiàn)階段，按照電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組的技術(shù)和使用特性，電動(dòng)汽車(chē)的充電模式涵蓋了以下兩點(diǎn)：其一為常規(guī)慢充；其二為快速充電。對(duì)于快速充電，往往以在20min內(nèi)使較大電流彰顯出自身作用，為電動(dòng)汽車(chē)充至電池標(biāo)稱(chēng)儲(chǔ)電量的80％[7]。但快速充電存在一定缺陷，充電完成的速度較慢，面臨著較高的設(shè)備成本。而對(duì)于常規(guī)慢充，雖然面臨著較長(zhǎng)的時(shí)間，但具有充電速度快、電流低的優(yōu)勢(shì)，有利于循環(huán)壽命的延長(zhǎng)，對(duì)于夜間低谷時(shí)段，將呈現(xiàn)出一定的富余電力，能夠?qū)﹄娋W(wǎng)發(fā)揮調(diào)峰作用。所以，在充電站構(gòu)建電池組的快速更換系統(tǒng)的影響下，能夠使電動(dòng)汽車(chē)獲得新的電池組，當(dāng)應(yīng)用這種用戶(hù)租用、直接更換的模式后，能夠使電動(dòng)車(chē)充電的快捷性更強(qiáng)，提升了電動(dòng)車(chē)充電的方便程度，有效解決車(chē)輛使用效率不足的問(wèn)題。并且，將之前的電池組更換下來(lái)后，能夠?qū)⒁归g低谷時(shí)段真正利用下來(lái)，從而開(kāi)展常規(guī)慢速充電，使充電速度更快，避免電池的循環(huán)壽命較短。

4 總結(jié)

綜上所述，本文對(duì)比分析了電動(dòng)汽車(chē)和燃油汽車(chē)的熱效率和能耗，得出了電動(dòng)汽車(chē)綜合能耗更低的優(yōu)勢(shì)，也具有熱效率高的特點(diǎn)。并且，本文著眼于整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)、充電設(shè)備等針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)能耗經(jīng)濟(jì)的相關(guān)問(wèn)題展開(kāi)探討，提出了需注重電動(dòng)汽車(chē)效能的提升，并考慮到其經(jīng)濟(jì)性等策略。由于新能源汽車(chē)的推廣力度不斷加大，再加上人們觀念的轉(zhuǎn)變，將會(huì)使新能源汽車(chē)的汽車(chē)技術(shù)迎來(lái)發(fā)展的黃金時(shí)期，汽車(chē)車(chē)型種類(lèi)越來(lái)越多，隨著各項(xiàng)技術(shù)的不斷成熟，汽車(chē)能耗參數(shù)將會(huì)有所降低。在未來(lái)的市場(chǎng)中，電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展步伐更快。

參考文獻(xiàn)：

[1]茹永剛，鄭重，韓元昭，余洋，于志誠(chéng)，梁秀.我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)的能效與經(jīng)濟(jì)性分析[J].電氣自動(dòng)化，2018，40（04）：49-52+91.

[2]唐逵，謝佶宏，王福堅(jiān)，范毓瑾，邵杰.純電動(dòng)汽車(chē)性能測(cè)試評(píng)價(jià)方法研究[J].時(shí)代汽車(chē)，2021（10）：60-61.

[3]馮超. 基于HLCA的電動(dòng)汽車(chē)規(guī)?；l(fā)展對(duì)能耗及環(huán)境影響研究[D].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），2017.

[4]曹亞楠.增程式電動(dòng)汽車(chē)性能仿真及試驗(yàn)分析[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2018，25（10）：97+99.

[5]周偉. 某微型純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)與性能研究[D].湖南大學(xué)，2019.

[6]陳浩. 信號(hào)燈控路口智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)經(jīng)濟(jì)性駕駛策略研究[D].東南大學(xué)，2021.

[7]張恒嘉. 基于實(shí)證的純電動(dòng)汽車(chē)性能評(píng)估方法和普及可能性研究[D].武漢理工大學(xué)，2019.