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電池容量電動車不得不面對的硬傷

鉅大LARGE  |  點擊量:1390次  |  2018年09月26日  

汽油的密度是0.72kg/L,燃燒熱值是46mJ/kg,那么一升汽油燃燒釋放出的總能量是多少?

最先進的18650鋰電池,儲電量為3100mAH,重量約為46克,工作電壓約3.7v,那么每公斤電池的儲電量有多少?

據說體育老師由于兼授數學課,已經不堪重負,所以還是直接給出結論。使用老百姓喜聞樂見的能量單位“度”來衡量,一升汽油燃燒熱量為9.2度,但發動機的熱效率最高大約40%左右,所以實際上一升汽油能釋放的最大能量約為3.7度,而一公斤鋰電池的儲存能量為0.25度。

如果您偶爾也聽到過“電池儲能密度”這個詞匯。這結論也許能有個較為直觀的印象,為什么說電池儲能是電動車無可規避的硬傷。電池的儲能效率與傳統燃料相比,實在是少的可憐。這就好比你吃掉整整一冰箱的黃瓜,得到的熱量也許還不如一小碟冰淇淋。

最近遇到很多人問筆者電動車的事情,義務掃盲之時,常常會聊到混動。混合動力汽車無論從技術和市場角度,都已較為成熟。純電動車則是比較新的熱點,吸引眼球的潛力巨大,實際市場前景,則有些前途未卜。

電池容量,電動車不得不面對的硬傷

回到剛開始的數學題,化學電池儲能密度比傳統燃料低了不止十倍。

其實特斯拉使用的就是18650鋰電池,和筆記本電腦上用的完全一樣。常說的6芯筆記本電池就是由6節18650電池組成,若以此類比,特斯拉的電池就是7000多芯,高配版85kwH的電池組由7000多節小電池組成。電池加上輔助結構,重544公斤,儲存85度電。

直觀上理解,544公斤電池=23升汽油(約16.5公斤)。但電動系統的效率很高且穩定,內燃機則隨路況情況波動巨大,綜合而論,這544公斤電池大致相當于30~40升汽油。

特斯拉的電池組重量一定是精心優化過的。無限制的增加電池會進一步增加車重,或影響整車布置。即便如此,續航里程只能做到差強人意。ModelSP85的理論續航里程為500公里,但僅僅是理論值,在城市綜合路況,實測的續航大致上在350到400公里之間。而普通轎車一箱油,跑市區500公里,或跑高速800公里,然后還能放心開著車去找油站,并不算過分的要求吧?

從本質上講,汽油是發生燃燒反應直接消耗掉,能量釋放比較猛烈。電池則是通過較為溫和的化學反應來儲存和釋放能量,可以反復充放。其它一些課題,比如燃料電池、超級電容儲能,也都是試圖提升儲能密度,但目前還沒什么本質上的進展。

純電動車和混合動力車,從本質上,都是改善能量利用效率

對汽車的運轉,除了能量儲備,另一個關鍵就是能量利用率。

以目前內燃機技術,一升汽油雖然“應該”釋放出3.7度左右能量。但是,由于效率降低而“浪費”掉的能量要占去很大一部分。

由于車型、駕駛習慣和路況有很大差異,不可能有準確數據。但大致上在城市路況,傳統汽車發動機浪費掉的能量要占總能量的一半。這些浪費,主要來自起步、換擋和大腳油門,此時發動機的熱效率急劇下降,稱為發動機的“惡劣工況”,惡劣工況在總行駛時間中比例很低,但造成的浪費卻極為巨大。

相反,最優工況就是以恒定速度運行,此時熱效率可以達到發動機的最高水平,一升汽油中的3.7度能量全部發揮出來。因此,70km/h定速巡航的油耗,比上下班堵車的油耗要明顯降低,不管排量是大是小,普通轎車在這個工況都能達到很低的油耗水平。

其實電動和混合動力,都是試圖改善惡劣工況下的發動機效率低下的問題。

純電動的做法非常徹底,干脆就把發動機干掉,純靠電池電機驅動車輪,始終保持很高的效率;混合動力,則是在惡劣工況時用電“幫助”發動機,進入平穩工況后將控制權交還給讓發動機,并反過來給電池充電。

順帶說一說,新近的“發動機起停”技術,也是針對怠速停車和起步工況所做的改善,停車時熄火省油,起步時使用電機幫助發動機拖到較為平穩的轉速。

所以,電動和混動,穩定工況和惡劣工況的效率波動不大。傳統內燃機汽車,高速路況和堵車路況的效率可以相差兩倍以上。實際的效果大致如下:

特斯拉,典型的電動車,544公斤電池組,理論續航(定速巡航)500公里,城市路況350~400公里。

典型的混合動力汽車,約50L油箱,電池組重幾十公斤,油耗保持在百公里4~6L范圍,堵車還是跑高速相差不大。

典型的內燃機中級車,約70L油箱,70km/h定速巡航油耗可做到百公里5~7L,堵車路況,立刻飆升到百公里12L甚至更高。

千萬別被忽悠了,地球上的汽油到底還能燒多少年?

“地球上的汽油只夠燒40年!”這樣的字眼您肯定是見過的。第一次看到時,筆者腦海中浮現出一張“未來水世界”的電影畫面。天哪,能源枯竭、核戰爭、社會體系崩塌,這一切都將在筆者有生之年發生,太可怕了!

但仔細查一下就發現有點不對勁,2000年說石油只夠用40年,2010年還是夠用40多年,到了2014年,咱的石油還夠用53年。

其實,這個年數實際上是全球原油“儲采比”,也就是以當前探明儲量除以當年開采量計算出來的年數。探明儲量并非恒定不變,因為每年都有新增探明儲量,而且地球的未探明儲量遠大于探明儲量。這就好比家里有800元儲蓄,這天開銷花了100塊,照這樣下去,8天以后就要餓死了,結果第二天打工掙了200塊,開銷變成了90塊,再算一算,則還能維持10天。儲采比的概念是一樣的。鑒于斷章取義和不懂裝懂乃是各大門戶網站的本職工作,也就不應該怪他們誤導老百姓,凡事還要靠自己多查資料。

全球原油儲采比,在1980年時大約為30年,1990年到2010年一直維持40多,這幾年反而進一步增加為50多年。一方面科技進步使得探明儲量增長,另一方面全球各國節能環保的努力,一定程度上緩解了能源問題。

由于未探明儲量是個未知數,誰也不能準確估算原油資源到底能用幾年。放開來燒是顯然不行的,但有節制的燒一燒,50年遠遠不止。很遺憾,諸位有生之年恐怕是看不到未來水世界了。

也很好理解,倘若汽油真的只夠用三五十年,大眾豐田這些汽車廠商還在穩如泰山的開發和改進內燃機,不是腦子進水了嗎?

不知道您是怎么想的,筆者比較喜歡混合動力,無論從理念還是實現方法,都比較巧妙。而電動汽車,炒作一下概念,搞來點政策扶植,也未嘗不可。若要真的改變整個行業,還需要等待更好的契機。

其實市場早已給出回答,混合動力汽車已賣了二十年,從技術到市場都很完善。現在中國的買車者,也越來越多的去考慮混動版汽車。各大品牌汽車的工程師和決策者們也不傻,真的要大規模推廣純電動車,只需一個指令而已,根本沒有技術門檻。

投資者們也千萬不要被特斯拉鼓舞的太過了,馬斯克賣的產品,更多的是概念、是玩具,但咱中國人還是停留在買汽車的時代。

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