你以为只是把污染转移到电厂了吗?关于电动车耗能的一个常见误区

不少网友认为:电动汽车用的电,绝大多数还是依赖天然气,煤和石油发电,只不过大规模发电效率更高而已。

并把这一点认作电动车的主要优势,认为其实电动车也没有带来实质性的进步。

这是一个常见的误区,辨析如下:

这个说法本身正确,但不适用于电动车。在电动车应用中,集中发电本身的好处可以忽略不计。

最牛逼的锅炉和汽轮机,效率也不比分散的汽车发动机高多少,能效百分数高10%~20%(相对高20~50%),已经非常牛逼了。电能传输与运输汽油一样,也有损耗,加上电池也有效率问题,最终的效率没有压倒性的优势。就算有优势,也微不足道,根本不足以推动电动车这个产业。

要推动一个产业,至少需要有1倍的优势;要想在10年的时间尺度迅速改变整个用能格局,至少需要一个数量级(约10倍)的优势。

汽车用电驱动的主要优势在于:

1、可以使用低品位能源,如煤炭、重油,或者使用水力,相比汽油这种高品位能源,成本有好几倍的降低。

2、电力拖动本身比现有内燃机驱动节能,做得好的情况下,节能一半是有可能的。

以上两点综合起来,单从用能成本而言,可有十多倍的降低。

3、电动车的出现,让内燃机汽车备受压力,内燃机汽车的改进也会比以前快,可逼迫整个行业进步。

对第二点再做一些交代:

一辆牛逼的电动车存储了多少电能呢?目前储能较大的是特斯拉MODEL S,电池充满以后存储了90kwh的电能,也就是90度电。

就按100度电算吧,他的储能为100×10e3×3.6×10e3=3.6×10e8焦耳。

这么多电,可以支持它在复杂路况下跑500公里。

换成同等大小的燃油车,在高速上跑500公里,大约需要40L汽油。如果是复杂路况,大约需要50-80L汽油。

我们就按大约50L,也就是40kg汽油算,包含了多少能量呢?汽油的热值大约是4.5×10e4焦耳/克,4.5×10e7J/kg。

换句话说,大约10L的汽油,热值就已经高于100度电。

汽油发动机从汽油内能到机械能的转化效率,普遍可以做到40%左右(最佳效率工况)。也就是说,每25L汽油的机械能,大约相当于100度电。

通俗的讲,对于Model S来说,相当于25L汽油跑了500公里,特斯拉的等效百里油耗5L

而汽油车却烧掉了50L,比电动车多2倍。这2倍是哪里来的呢?只有一种可能:汽油机及其传动系统在复杂路况下的综合效率,低于内燃机在最佳工况下的效率,总效率只有20%。

当然,如果冬天要开暖风,那么汽油机就很有优势了。

这也从另一个层面说明,提升汽车的效率,不等于提升发动机的最高效率。发动机的最高效率很难提高哪怕1%,但把内燃机汽车的综合效率提高,还有较大的空间。

省油2倍很难么?是天方夜谭还是近在眼前?答案是小学生都会:给电动车装上20kw农用发电机就行了

这样的发电机大约重500公斤,让他在最佳工况下发110度电,耗油20L左右,同时可以卸下车上的一半电池来减重。这是随便找一台发电机,就有了接近2倍效率的提升。如果像汽车这样精雕细琢,这个发电机压缩到200公斤,再提高一点效率,为汽车省油2倍非常轻松。

至于为什么发电机-电动机汽车没有能普及,我在另一个帖子里已经说过了:历史原因。当使用这种方案有优势时,电动汽车技术不成熟;后来电动汽车技术成熟了,碰巧电池技术也成熟了(或者反过来说也行),于是行业和政府共同决定发展纯电动汽车。

曾经有个段子,说某人在电动车货箱里面放了一台发电机,以备不时之需。以此嘲笑电动车的不靠谱。

事实上,这才是明白人。电动车在设计充电电路时,考虑小功率发动机充电的问题,允许少量慢充,也是明白人的做法。

市场,从来都比政府更明白:

1.png

可能有读者会疑惑,燃油汽车的综合效率怎么会低到20%,厂家不是统统公布38%或者40%吗?

这是一个有趣的问题。通俗而言,汽车发动机很难以最高效率工作。最高效率时,要么力量(扭矩)太小,要么功率太小,总之汽车没劲。为了开动汽车,就需要时而大扭矩,时而大功率,可能还需要高转速。把发动机的最高效率点放在任何一个地方,都会顾此失彼。

某发动机的输出曲线

1.jpg

 

另外,机械变速和机械传动的效率较低,变速箱通常能做到90%以上,传动到轮子,还要损失相当的数量,最终可能只有80%左右。发动机的转动,还要带动冷却水循环、发电机、刹车泵等一系列负载,还要损失大约10%的“厂用能”。汽车在复杂路况上,时不时要停车,要减速,这时发动机是空转的,会有怠速耗油;在下坡路,如果采用发动机为汽车减速,由于转速很高,会有更多的耗油。驾驶习惯也是影响能量利用率的重要因素。在自动控制不发达的时候,只有经验老道的师傅才能成为“节油标兵”。为了省油,有些司机习惯于下坡时“空挡滑行”,导致刹车失灵,造成事故。总的来说,这些问题再损失一些能量,让效率降到20%以下是很轻松的。

反观电动车,除了行车电脑等控制系统和娱乐系统的耗电之外,只要遇到不需要动力的时候,就不耗电。先进的系统,在下坡和减速时,还可以发电,这叫做再生制动,如果疯狂优化,可回收50%以上的制动能量,不过由于太复杂,通常的轿车达不到这个水平,只有卡车对此特别在意。某矿山的卡车就是这样,空车上山,需要费电。但是到了山顶装满了矿石,车就变得很重,下山时一路发电,比上山的耗电还多。这种工况根本不用充电就能一直开下去。

电动机在绝大多数工况下都能获得较高效率,只要不是空转和堵转这两个极端,效率都差不多。空转时尽管效率低,但本身耗电极少,所以效率低没有什么意义。在电机堵转时,固然效率趋近于0%,但这种情况只在汽车起步的一瞬间发生,而且此时扭矩极大。

图:国产轮毂电机的负载特性曲线

1.jpg

电动车普遍采用轮毂电机,它的电机装在轮子里面,没有机械传动部件,只有一个轴承。所以可以认为没有传动损失。过去有的电机会有一组减速齿轮,会产生损失,现在已不多见。

总得看来,燃油车的能源处处都在浪费,而电动车的能源处处精打细算,遇到下坡可能还能赚回来。电动车本身的能耗比燃油车节省一倍,是完全合理的。至于集中发电还是分散发电的问题,对电动车来说根本无足轻重。

最后,欢迎大家指出我的错误。

[修改于 8 个月前 - 2019-04-03 18:48:18]

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