【日本庆应大学、群马大学数据】电动汽车和燃油汽车能量利用率对比

 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。

来自 电动汽车
2019-3-22 14:30:24
1楼

长远来看,电动汽车在未来可以使用核电,彻底摆脱化石能源,在能源利用方面还是很有优势的,但就目前电池发展技术而言,要想在汽油车面前拥有足够竞争力,至少还需要20年甚至更长时间

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2楼

电动汽车的电动机动力技术问题解决的比较好,难在电源技术上,新技术进步很快,值得关注

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3楼

还有一点很坑爹,如果身边有驾驶电动汽车的人(例如我爸)就能体会到:燃油车靠近你你肯定能注意到声音,但是电动车可能不知什么时候就悄无声息地溜到你身边了。。。容易吓一跳甚至出事故

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2019-3-23 02:04:21
4楼
引用:power_rdx 发表于1 楼的内容:
长远来看,电动汽车在未来可以使用核电,彻底摆脱化石能源,在能源利用方面还是很有优势的,但就目前电池发.....

电气武器(eg.电磁炮)和传统热兵器的关系似乎也是如此。

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5楼

该文对效率的计算,有一些疑问:

(1)第三图似乎结果写错了。

(2)内燃机效率只有10~15%的数据来源是哪里,如何计算的?推测这个数据是考虑了较差工况,等红灯和堵车等情况算出来的综合值,这里面随意性就比较大了,而且拿这种数据去对比电动车的较好工况,也不公平。

补充:

锂电池的能量密度,已经达到1×10e6J/kg;汽油的标准热值是4.6×10e7J/kg。电池是汽油的约2%。

[修改于 7 个月前 - 2019-03-23 02:37:56]

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6楼
引用:虎哥 发表于5 楼的内容:
该文对效率的计算,有一些疑问:(1)第三图似乎结果写错了。(2)内燃机效率只有10~15%的数据来源.....

这样对比不无道理,因为就一般的城市路况下,内燃机的平均效率会大幅下降,而电动车的效率受工况相比之下影响很小(特别是配备了能量回收系统的电动车)。

锂电池的能量密度的确硬伤,但是考虑到一辆轿车一箱汽油就大约50L(30多kg),而电池可以装进去好几百kg,在续航里程上还是能追回来不少的。如果能很好的解决充电问题,电动车取代燃油车应该就不可阻挡了。

[修改于 7 个月前 - 2019-03-23 12:09:48]

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7楼

纯蓄电电动车其实不太方便,续航太短,不大的市区开就行,如果在北京,遇到塞车空调、风扇都不敢开,更别说跑长途。燃料电池更适合车辆。目前比较成熟可靠的还是混合动力,使用较小的电池,长短途都可以兼顾。电动车电池更换成本也要考虑,电池寿命根本不可能覆盖车辆寿命,几年下来电池就要换,省下的油钱可能都不够换个电池的。

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8楼
引用:Johnny-Wei 发表于7 楼的内容:
纯蓄电电动车其实不太方便,续航太短,不大的市区开就行,如果在北京,遇到塞车空调、风扇都不敢开,更别说.....

没有这么夸张。

我家是一辆北汽EV160,续航几乎世面最短(161km),我爸天天开车往返单位(单程30km),经常堵车,也没什么压力,空调随意开。至于电池,目前开了4年3万多km没有感觉到明显衰减,可能良好的电池使用习惯能延长使用寿命。

电动汽车本身就不是设计跑长途的东西,个人认为不怎么用考虑长途性能,除非锂空气电池、锂硫电池之类的新型电池得到应用。

价格倒是确实贵一些,不过用车成本确实低很多(目前大致相当于汽油车的0.3-0.5倍)。综合起来考虑,个人感觉电车不会比汽油车差(尤其是当自己闻不得尾气味的时候)

[修改于 7 个月前 - 2019-03-23 22:22:47]

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9楼
引用:浪里黑条 发表于6 楼的内容:
这样对比不无道理,因为就一般的城市路况下,内燃机的平均效率会大幅下降,而电动车的效率受工况相比之下影.....

那么就有个问题:为何采用发电机+电力拖动方案没有普及?让发电机工作在最佳工况,电池缓冲,不就解决了这个问题。不要说这种方案结构复杂,事实是把传动机械,变速箱什么的一大堆东西去掉,发电机方案更小,更简单。可以参考10kW变频发电机,才多小一点。三箱电动车的平均功率也就十几千瓦。

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2019-3-24 01:50:16
10楼
引用:浪里黑条 发表于3 楼的内容:
还有一点很坑爹,如果身边有驾驶电动汽车的人(例如我爸)就能体会到:燃油车靠近你你肯定能注意到声音,但.....

一般来说,轮胎与地面的摩擦声音还是很大的,经常骑车的都比较清楚,我是很少遇到听不到有车的情况。

但作为开车的,却经常遇到有人“拦路”

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11楼
引用:虎哥 发表于9 楼的内容:
那么就有个问题:为何采用发电机+电力拖动方案没有普及?让发电机工作在最佳工况,电池缓冲,不就解决了这.....

因为效率摆在那呢。。。汽油发电机车的效率=内燃机效率*发电机效率*电动机效率,比最佳工况还是差了一些,更要低于普通的电动车,唯一优势在于续航。而火力发电的汽轮机比内燃机效率高多了(从前文的表也可以看出来)。从能量利用的角度讲,发电机-电力拖动方案还是差了一些。如果能用涡轴发动机驱动,或许可以部分解决。

此外,火电厂理论上可以将污染物集中处理,使得最终排放很低(或至少有降低污染的空间);而内燃机则没有类似的条件。而且发电厂还可以有水电站、核电站、风电站甚至太阳能电站等种种,综合算下来污染更比内燃机低得多。

当然,采用这个方案的车也不是没有:车迷圈里把一款(好像是福田的?)公交车称作"串联呆",就是这样的方案。

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12楼
引用:20!Dopaminor 发表于10 楼的内容:
一般来说,轮胎与地面的摩擦声音还是很大的,经常骑车的都比较清楚,我是很少遇到听不到有车的情况。但作为.....

我指的是EV出车的速度比较慢的时候,胎噪几乎没有,本来就很难听到;如果再有点环境噪音,就真的什么都听不见了。不知您是否遇到过这种EV出车的情况?

当然这也不算什么太大的缺点,随便加点发声装置就能解决了

[修改于 7 个月前 - 2019-03-24 07:39:07]

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13楼
引用:浪里黑条 发表于11 楼的内容:
因为效率摆在那呢。。。汽油发电机车的效率=内燃机效率*发电机效率*电动机效率,比最佳工况还是差了一些.....

什么叫胡搅蛮缠,这就是经典案例

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14楼
引用:虎哥 发表于13 楼的内容:
什么叫胡搅蛮缠,这就是经典案例。

那么请您指出我的分析错在哪里,谢谢了

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15楼
引用:虎哥 发表于9 楼的内容:
那么就有个问题:为何采用发电机+电力拖动方案没有普及?让发电机工作在最佳工况,电池缓冲,不就解决了这.....
车和家先推出 SUV,可能是因为里面要装汽油发电机,相比只安装电池组,肯定要挤占更多空间。但市场上很少有增程式电动车型,目前只有雪佛兰 Volt、宝马 i3、上汽通用别克 Velite 5 等几款。但通用汽车可能在 2020 年就停产雪佛兰 Volt;上汽通用别克 Velite 5 定价在 25-30 万,在 2017 年才卖出 1629 辆
车型少、销量低,主要原因还是增程车不能直接通过发动机驱动汽车,而是先把汽油机燃烧产生的热能转化成电能,再用电来驱动汽车行驶,比混合动力耗油,还占了汽油车的名额。

具体到北京地区对电动车的限制,还认为车辆尾气排放是空气污染的原因之一,从政策出发点就排除了油电混动、增程发电这两种还要车上烧油的方案。世界其他国家,有些是从削减碳排放的角度排除这两个选项的。

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16楼
引用:浪里黑条 发表于14 楼的内容:
那么请您指出我的分析错在哪里,谢谢了

6/8楼的言论,和11楼言论,逻辑上事实矛盾或不相关。

6楼事实上指出的问题是汽油机/机械传动系统在实际环境中效率极低。同时指出电拖动在实际环境中效率很高。

那么最佳工况发电,然后电力拖动,是解决该矛盾的直接逻辑结果。

你又开始说内燃机发电机效率不高,开始引用实际工况效率来驳斥最佳工况效率……

火电厂效率有多高在此逻辑链条中属无关话题,因为前文对比的都是电传方案同机械传动的效率差别。

当然实际要考虑的问题很多,电传方案未普及,效率不是主要问题,具体是什么问题,这是我在9楼提问的目地。

然而您继续纠结效率,并且还自相矛盾/开启无关话题。

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17楼

这个问题早年在网上有过很多讨论,可以追溯到互联网刚刚普及那会儿,然而这么多年也未得到清晰的解决。所以我才把它提出来,期望得到高见。

我倾向于认为这是一个历史问题:当年,电传的技术不成熟,只能用在铁路机车等规模大、工况简单的车上,而且没有合适的电池、超级电容来缓冲,效率发挥不完全。尽管比机械传动有效率上的显著优势,却根本无法低成本的做到小汽车上。

现在,电传技术可以做到非常简单可靠,然而,电池技术和相关产业也发展起来了。在这种形式下,产业界和政府共同选择了纯电路线。

需要注意,和火电厂比的不是效率,而是成本。烧煤比烧油便宜,而不是效率真的有多高。只要认真做,效率差别不是很大,就地发电还没有输配电和电源适配等损失。

[修改于 7 个月前 - 2019-03-24 12:08:03]

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18楼
引用:虎哥 发表于16 楼的内容:
6/8楼的言论,和11楼言论,逻辑上事实矛盾或不相关。6楼事实上指出的问题是汽油机/机械传动系统在实.....

怪我没说清楚,可能是思维太跳跃了。

我是想说,发电机-电动机的驱动方式相对于内燃机-机械传动自然是综合效率更高的,但是比您说的"内燃机最佳工况"还是要低一些(因为多走了一步发电机),跟纯电更是比不了。"火电厂的效率"并非无关话题,既然发电机方案和纯电方案在能量流动过程中都涉及一个发电的步骤,效率讨论中就必然涉及发电步骤效率的比较。比较的结果是,发电机方案的发电效率比纯电方案的发电效率(其实就是火电厂的发电效率)低,与纯电相比这方面竞争力相对低下,普及自然会相对困难。涡轴发动机的那一句则是提出一个可能的解决方案。这一段是想说,并不能说发电机方案没有普及不是效率问题,效率很可能是占了相当一部分影响因素的。

至于其他的话题(污染etc.),则是综合考虑各种影响因素来进一步回答9L问题,并不是开启无关话题。再次说到发电厂也是比较两种方案的发电步骤,只不过这一次比较的并非效率,而是本段的重点"污染"(或者不如说是环保)。这一段通过分析得出,在环保方面也是纯电方案比发电机方案更胜一筹。

也正如您在楼上所说,从运行成本上讲也是纯电方案更胜一筹。

最后一句话可能有些矛盾了,是想说并非没有这样的方案,意在说明该方案并非没有可行性,只是有缺陷没有大规模应用而已。至于缺陷是什么,前面已经分析完了。

不知道我这么说有没有把逻辑链条理顺?

[修改于 7 个月前 - 2019-03-24 12:27:02]

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19楼

还有就是,我比较的不是发电机方案和机械传动方案,因为在此二者之间,发电机方案的优势是显而易见的。如果没有纯电方案,发电机方案应该可以普及。只不过出来了纯电动车之后,发电机方案普及的空间就被挤没了。

把这一楼跟18L搭配食用,基本就是我想表达的意思。

[修改于 7 个月前 - 2019-03-24 12:26:25]

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20楼
引用:虎哥 发表于9 楼的内容:
那么就有个问题:为何采用发电机+电力拖动方案没有普及?让发电机工作在最佳工况,电池缓冲,不就解决了这.....

所以说是小城市短距离比较实用,北上广深,通勤距离超过单程50公里的很多,严重拥堵的情况也不少,一旦车辆不是满电出发,半路堵住了就……

纯电动车,特别是锂电,一般电池是5年,用得狠的的士3年就要换,换电池的成本很高。

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21楼
引用:浪里黑条 发表于18 楼的内容:
怪我没说清楚,可能是思维太跳跃了。我是想说,发电机-电动机的驱动方式相对于内燃机-机械传动自然是综合.....

对的,如果比能源成本,纯电肯定比油机电传要低。这也是电力机车即使考虑到接触网的巨大投资,依然能取代内燃机车的一个底层原因。

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2019-3-28 09:08:34
2019-3-28 09:08:34
22楼

能量利用率的确EV占绝对优势,但决定市场的是供养每辆车的经济投入,养EV和养燃油车到底谁更花钱?

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2019-3-31 17:03:57
2019-3-31 17:03:57
23楼

纯电汽车大势所趋,发展的会比想象的速度更快。

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