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    电动汽车论坛 电动汽车论坛-电动汽车网 『 电动汽车爱好者交流区 』 好文 | 未来的新能源汽车究竟是纯电动、混合动力还是燃料电池汽车的天下?
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    好文 | 未来的新能源汽车究竟是纯电动、混合动力还是燃料电池汽车的天下?  [复制链接]

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    好文 | 未来的新能源汽车究竟是纯电动、混合动力还是燃料电池汽车的天下?(第1页) -
    混合动力,纯电动(Battery Electric Vehicle),燃料电池(Fuel Cell Vehicle),这几种新能源汽车技术,到底哪一个会成为未来的主流,绝不仅仅是哪一个是最适合的汽车技术那么简单。这个问题牵扯到配套基础设施的技术各主要市场政府的政策能源开发冶炼的技术核电的未来前景民众对核电的态度电网的发展自动驾驶技术的发展电池的技术新的化石能源的发现,甚至是国际政治的走向等等诸多问题,变数实在太多,到底谁能胜出,即便是做新能源政策研究这行的大牛,基本也都无法给出确定答案。
    混合动力分为常规混合动力(Hybrid Electric Vehicle,能源来源只有汽油,不能充电,电力为行驶过程中产生)和插电混合动力两类来说(Plug-in Hybrid Electric Vehicle,既可以像BEV一样纯电行驶,也可以像传统混合动力汽车一样电力只间接来源于燃油,不消耗蓄电池中的电量行驶,还可以同时消耗燃油和蓄电量行驶,可以看做BEV和常规混合动力的混合产物)。因为这两种采用的技术虽然很近似,但在应用上差别较大。我会先说常规混合动力,再说纯电动,然后说像它俩的混合物的插电混合动力,最后说我并不是很了解的燃料电池(主要说氢燃料电池)
    一.常规混合动力
    现状

    • 优势:

    • 相比纯电动车,没有续航问题,跟传统内燃机车一样,没油了就加油。相反,因为更省油,同样的油箱大小可以做到比普通内燃机车续航更长。

    • 相比传统内燃机车,油耗低,而且维护费用小(刹车主要为能量回收,刹车片磨损很慢,prius是10万英里换次刹车片,内燃机因为不是一直用,且多工作于最优工况下,耗损也小),但同时因为常规混合动力车的电力来自于随时发电或滑行、制动的能量回收,不需要大电池,而且只要浅充浅放,电池的成本低,重量轻,寿命长(prius的电池寿命接近内燃机的寿命),整个生命周期的成本很低,电池生产带来的额外污染也小。

    • 相比传统内燃机车,在内燃机效率最低,油耗最高、污染最重且危害最大的市区低速和拥堵路段以电动机为主,平顺,安静,且大大减少排放

    • 性能相比传统内燃机车,提供了更多可能,因为电动机成本很低,所以可以通过增加一个电动机来实现四驱,成本较一般的四驱结构为低。也可以通过电机和内燃机同时驱动而增加动力。但因为常规混合动力电池蓄电量较小,无法持续输出电力,所以这方面的潜力有限。

    • 相比传统内燃机车增加的电池组,可以放置在汽车尾部下方,从而可以平衡前置发动机车的配重,降低重心,改善操控和稳定性

    • 技术跟传统的内燃机汽车相容度最高,消费者基本不需要改变使用的习惯,也不需要建立额外的基础设施,为社会接受相对容易。事实上,目前常规混合动力在所有新能源车型中普及率最高(不包括天然气车型,天然气虽然更环保,但依然是传统内燃机车型的范畴),在补贴已经取消的情况下,依然能够有很高且不断上升的销量,技术相对成熟

    • 劣势

    • 虽然丰田的目标是每一代prius的油耗提高3mpg(每加仑汽油行驶英里数),但是如果大家知道MPG的计算原理,就能明白常规混合动力降低油耗的速度是越来越慢的,未来可能会到达一个瓶颈。所以,常规混合动力不能完全解决化石燃料会用完的情况,只能大大延缓。

    • 虽然常规混合动力在低速也很平顺,安静,但毕竟内燃机还是会时不时介入,平顺安静程度还是无法跟纯电动车相比。此外,因为内燃机需要时不时切换状态,做的不好的话会有小小的突兀(我个人的prius基本觉察不到)

    • 因为电池的容量有限,而匹配的电机也有限(防止电量迅速耗光),在需要高强度加速的时候,内燃机仍然需要介入,其响应速度和瞬时扭矩无法达到纯电动汽车一样的极为迅猛且随踩随猛。

    • 因为电池容量有限,无法持续提供电力,在性能上的可能性少于纯电动车和插电混合动力汽车

    • 相比内燃机车,在同样有内燃机和变速箱的同时,还需要增加电池组,一是少量增加制造成本,二是少量增加重量,恶化加速制动,三是因为多占用了体积,理论上会少量减少空间。

    • 技术上的复杂程度,既高过传统内燃机车,也高过纯电动车。
    未来变数:

    • 可能利好

    • 化石燃料在其他领域如发电、化工方面可能因为核电、新型材料的发展而大大减少,从而大大减轻化石燃料的压力,使得混合动力对燃油经济性和排放的改善就足以将化石燃料的可使用时间延长到不再是人类社会优先需要解决的问题的地步。

    • 在全球农业土地利用上出现突破(比如大量非洲土地得到开发,或者部分低产量可以自持的畜牧用草地改为种植业用地),生质燃油产量大大增加,内燃机的燃料来源问题得以解决

    • 其他新能源汽车技术皆受挫,混合动力因为已经获得成功(标准可以定为不提供补贴,销量大且稳定),成为唯一存留的新能源汽车技术

    • 因为某种原因,中日关系突然改善,政府大力推广常规混动

    • 可能不利

    • 目前常规混合动力日系厂商领先优势极大。中国政府出于防止日系形成垄断,以及常规混合动力依然有大量内燃机排放的考虑,在发展新能源汽车过程中不鼓励发展常规混合动力汽车,且可能进行限制,同时大力鼓励其他新能源汽车的发展,因为目前普遍认为中国将是最大甚至是主导性的新能源汽车消费市场,这种政策可以对国际市场进行扭曲,从而使得纯电动或插电混动汽车得到更好的发展

    • 日系厂商因为中国国民的仇日情绪,在华份额继续下降,同时中国市场占比进一步上升,日系全球市场份额进一步萎缩,研发经费减少,导致常规混动进步停滞,其他地区厂商在插电混动(中国,德国厂商混动起步较晚,常规混动技术较弱,主打插电混动,注重性能,美国通用主打串联插电混动,即增程式电动车,此种技术较少应用到常规混动汽车中)方向进步更快

    二、纯电动汽车
    现状

    • 优势

    • 因为从充电入电池,到电池驱动电机的过程中能量损失极少,而大型火电厂将化石燃料转化成电力的效率远高于汽车内燃机化石燃料燃烧驱动齿轮的效率,所以即使发电来源都为火电,理论上仅考虑能源转化流程,驱动车辆的成本和排放都更低

    • 电力的来源是多种多样的。可再生能源如水电、核电等,相比火电污染小,成本低,且没有化石燃料耗光的危险。甚至可以利用分布式的家用太阳能发电设备实现家庭汽车能源的自给自足。

    • 社会用电存在波峰和波谷。在凌晨时段,用电量很低,很多机组容量被浪费,而此时正合适用多余的机组容量给汽车充电。

    • 纯电动汽车完全没有内燃机的高噪音和振动,也没有燃气燃烧的时滞,极为安静,平顺,且动力响应极为迅猛。加之电动机低转速扭矩很大,性能也很强。

    • 因为纯电动汽车的主要成本是电池,而电机成本较低,所以在汽车驱动方式上有更多的选择。比如,增加一个电机就能够很容易在没有传动轴和中央差速锁(锁定前后轴的转速差)的情况下低成本的实现四驱,而且前后轴动力分配可以很容易从0:100到100:0之间任意切换且没有时滞。更进一步的来说,得益与电控技术的提高,纯电动汽车还可以实现轮毂电机,四个电机直接驱动四个车轮,这样车辆转弯时的差速问题也得以解决,普通汽车的传动轴,差速器都可以取消,转弯半径可以无限小,侧方停车可以采用横向进入的方式,同时四个轮子可以分别控制动力。在传动方面大大降低成本,同时颠覆性的提升性能。同时电池全布置在车底,可以大幅改善操控,也可以增加储物空间(如model s前后均有行李厢)。电动机本身维护成本也较内燃机为低

    • 因为目前人类社会已经是一个电力社会,电力设施分布密度极高,成本极低,很容易发展成为充电设施。在一些发展中国家(如中国)的乡村,加油站可能还没有普及,但充电条件却可能已经普及,只要少量改造,即可以为汽车充电。即使在发达的城市地区,充电设备也比加油设备容易达到高的多的密度,比如每个停车计时器上都可以附带一个。

    • 相对于燃料电池,纯电动汽车应用的锂电池等电池技术已经大规模应用在电子电器等行业

    • 纯电驱动,使得全自动电控变得更容易,车联网,自动驾驶技术等等更容易实现

    • 虽然电池本身有污染,但相对容易集中处理。而内燃机尾气排放很难集中处理,而且因为内燃机尾气,及其形成的雾霾集中在人口密集的城市,影响到的人口更多,综合危害可能更大。

    • 其他三种方式都还要依赖化石能源,纯电动完全不需要。真的化石燃料用光了,这是四种之中唯一的选择

    • 劣势

    • 能源再次充满的速度太低。燃油和混合动力汽车只要花几分钟的时间,就可以达到上千公里的续航里程。而目前电动车充电技术最快的特斯拉超级充电站,20分钟充电达到240公里的续航,速度只有加油的十分之一,但这种充电站目前成本比加油站还要高很多。而对于成本较低的220V家用充电,选用双充电器(需要80安培的适配器)以后,充电速度也只有每小时100公里,标配的40安培适配器的单相充电器则只有每小时50公里,而一般随处可见的电源可能是10安培或20安培的适配器。如果是110伏电压的地区,比如美国,日本,台湾,充电的速度则会更低(在美国家用110v充电被称为level 1,需要专门以较高成本建设240V的level 2充电桩),model s的110v,15A的充电时间是每小时6.5公里左右。也就是说,虽然农村充电设施比加油站多,但到了农村以后,可能充一整晚的电,都不一定能攒够回程的里程。如果采用换电池的方法,则一来各家电池标准很不统一,二来重量很大,而且如果设计的整体性好,会较难拆卸,三来成本较高,金融结构上难于实现,四来一个换电站,很难有效的覆盖一辆纯电动车的活动范围。(相比之下,电动自行车实际比较容易实现,一般电动自行车电池很小,几百块钱一个,标准比较统一,居民区的小店只需购买几副电池轮流充电,经常经过此处的人或者附近住户要用的只要交一个新电池的费用,然后享受两年的随时换电池的服务,按次付电费,就能解决相当一部分人的需求)

    • 续航里程。受限于电池成本,重量,和电池管理技术,电动车普遍续航里程较低。目前家用燃油车普遍高速续航能力在一千公里左右,最大的特斯拉按EPA测试是426公里,比亚迪E6和腾势是200公里,其他车型最高的也只有100公里左右。这种低续航能力在充电很慢的情况下,负面影响就变得更大

    • 电池寿命。因为锂电池的特性,完全充放电会对电池寿命有较大影响,而纯电动车因为电池持续输出电力,无法像传统混合动力一样浅充浅放,寿命远远短于传统混合动力的电池组。日产宣称5年平均每天一次快充一次慢充的情况下,都是只充到85%,只用到15%,大概5年后还能有80%的电量。总体上按不影响使用的电池容量衰减计算(日产在美国的保修标准是5年10万公里,电池还剩70%以上),大概寿命只有prius的1/3。这还是理想状况。实际差距有可能更大。更换电池在美国在日产亏本销售而且必须提供旧电池的情况下,依然要6000美元。

    • 电池成本。因为目前电池的能量密度还较低,所以目前纯电动汽车的价格都较高。比如销量最大的日产leaf(国内的启辰晨风)在亏本销售的情况下,售价约是27000美元,比同类型的紧凑型家用车高了10000美元左右。相比混合动力车型比同类车型只高出4000美元左右的售价,而且还是盈利的。加上电池寿命有限,这使得通过省油回收成本变得几乎不可能。所以基本上目前纯电动车只有在政府高额补贴的情况下,才可以有一定销量。

    • 电池污染。因为电池寿命的问题,同样使用15年30万公里左右(差不多是传统内燃机车和常规混合动力车的寿命),纯电动车要使用三组巨量的电池,这会产生巨大的污染,就现阶段的技术而言,远远超过内燃机排放的污染。

    • 欠缺充电设施。因为家用充电速度较慢,且无法在旅行外出时使用,需要有充电桩建设才能更方便纯电动车的普及。所以需要先有充电设施,才有纯电车普及。但如果早期建设充电基础设施,用户很少,又肯定是赔本的,此处又需要政府的高额补贴。

    • 从相对集中的快速传统加油站,到相对分散的慢速充电桩的转变,需要废弃大量已有的基础设施,建设大量新的基础设施,城市规划需要改变,人们的生活方式也需要改变,中间也造成大量浪费,且存在大量来自传统能源巨头,基于加油站的小商户的阻力

    • 纯电动汽车若能垄断市场,将使得传统汽车巨头在内燃机领域积累的经验、技术和资本全部打水漂,所以传统汽车巨头可能不会太积极得推动推动市场的转变,而会更倾向于发展两种混合动力车型

    • 纯电动汽车实际在汽车普及的早期,曾经跟内燃机汽车并存过一段不短的时间(早期还有蒸汽动力,三足鼎立)。开始内燃机汽车续航里程优势较小,且加油站还没有建设起来,而噪音,尾气,振动都很严重,发动汽车还需要像拖拉机一样手摇,所以直到20年代,美国的上层女性都还是普遍选择电动车为多。但是因为以上的这些缺点,特别是前四点——充电速度,续航,寿命,成本——这四大硬伤,电动车最终被内燃机取代。而今日很多地区的城市已经普遍郊区化,加上城际高速公路网的建设,对续航的需求远远高于20世纪早期,而内燃机又不再存在建设加油设施成本更高的问题,纯电动汽车可能存在更大的比较劣势。
    未来变数:

    • 可能利好

    • 尽管电池污染较大,但中国政府出于鼓励本国企业发展的原因(国内车企跟国际车企在纯电动车上竞争,没有传统内燃机技术积累时间短的劣势),以及农村没有既有加油设施投资的情况,特别进行了优惠。因为目前纯电动汽车存在的问题,目前优惠的效果很有限。未来如果中国政府优惠力度,还是有可能强推成功。

    • 中国政府意识到强推纯电动不可行,决定先强推插电混动作为过渡,插电混动普及后,纯电动铺垫已做好,再改变政策转推纯电。此种方式将大大加快纯电普及

    • 核电等技术的发展,未来可能会进一步降低电力成本

    • 虽然有四大硬伤,但只要充电技术,电池容量密度两者之中只要有一个取得重大突破,就可以解决续航焦虑和电池更换成本的问题。1)就充电技术来说,充电站如果变得通用、便宜而非常普及,可以解决充电的问题。如果变得速度比现在特斯拉超级充电站更快,也就不用太高的普及率就能大大方便出行。而如果无线充电技术变得效率更高而且成本很低,使得高速公路上可以有一条车道安装这种设备,纯电动车一边行驶一边充电,也能解决这个问题。三种重大突破无论哪一种发生,都会大大减少每辆车电池组的体积和更换成本(如果可以很容易充电,就可以降低电池组的续航能力),并且进一步大大提高电动车销量,并通过增加规模而降低电池的生产成本。2)如果在先有的体积重量和成本上上能够承载更高的能量,就能够或者电池体积重量不变,增加续航能力,从而推动销量上涨并进一步压低电池成本;或者续航不变,体积重量下降,节省驱动需要的能量,在成本大幅降低的同时小幅增加续航并降低能耗,也能够推动电动车销量上涨并进一步降低成本。而只要电池更换成本和电池寿命之中有一个问题解决了,对于消费者也就不再是个严重的问题。

    • 自动驾驶技术如果极为成熟,出租车的成本将变得极低(不需要人驾驶,且有更有效率的路径规划,且可以再送完人后自行到成本很低的立体式停车场中停车),而很多人可能会放弃拥有自己的汽车,而采用手机预约自动驾驶出租车的方式作为城市主要出行方式(因为一辆车可以服务更多人,成本一定比自己家的车更低,而且不用考虑停车,更为方便,且自动驾驶可能更安全),这样人们不再需要很长的电动车续航里程,电动出租车可以自行灵活安排接送顾客和停车充电。

    • 可能不利

    • 在日本福岛核电站泄露事故以后,核裂变发电站的建设在很多地区,特别是人口稠密区可能会陷入停滞,使得电价无法进一步得到下降

    • 燃料电池汽车先于纯电动汽车大规模普及,并普遍建设了加氢设施,解决了能耗和污染问题,同时大大提高了汽车的行驶品质和性能,又不需要改变人们的用车方式,使得研发纯电动汽车的动力下降。

    • 电池污染没有得到有效改善,社会意识到纯电动车更不环保,不再青睐纯电动车

    • 中国政府没有意识到直接强推纯电动不可行,最后推广失败,浪费较多,民怨较大,不得不放弃该计划。而其他主要市场多为民选政府,难以进行大规模公共投资,无法补贴足够多的充电设施,以及标准电压问题(110v充电太慢),也无法使得纯电动汽车得到普及。

    三、插电混合动力
    现状:

    • 优势

    • 经济型插电混合动力的理念,是通过比纯电动汽车更小的电池组,来保证城市通勤的需要,同时通过内燃机的存在,来提供长途旅行的可能,并减少电池用光的焦虑。因为通勤里程较短,所以插电混合动力的里程可以只有20-60公里(prius插电混动是18公里,volt增程式混动是61公里,后者混动结构更简单,有更多的成本用于电池),但却解决了人们的续航焦虑问题。

    • 实际上,根据这篇报道:Chevy Volt Owners Drive More Electric Miles Than Nissan Leaf Drivers: Why?,尽管leaf的纯电里程是122英里,是volt的两倍,但每个月美国平均每辆volt行驶的总里程是1629公里里程,其中1222公里是纯电动里程。而leaf的每月总里程也就是纯电总里程只有1012公里,还少于volt的纯电里程!可见纯电动车续航焦虑的影响有多大。这也就是说,volt虽然是混合动力,通过纯电行驶节省的能源和排放,反而高于纯电动汽车——虽然volt还有混合动力里程,排放相对较高(还是低于传统内燃机车),但leaf比volt少行驶的那些里程,没道理认为人们就会因为买了电动车而减少出行,只能是更多的利用燃油车出行。因为续航焦虑逼迫家庭不得不至少购买两辆车,实际是更大的浪费和污染。

    • 因为插电混合动力车型有一个可持续输出电力的电池,所以可以更好的同时利用内燃机和电动机来提升性能,并实现偏高转效率的内燃机和偏低转效率的电动机的互补,同时也能更有效的实现低成本高性能的四驱,因为电池组重量更大,也更有利于降低重心,改善配重。同时一定程度上还能通过设计降低对变速箱承受扭矩的要求,降低制造高性能车的门槛,比如秦。著名的例子比如保时捷918,宝马i8,迈凯轮P1

    • 因为电池组小了很多,更换的成本也就低了很多。但因为日常汽车使用大部分里程是城市通勤,可以是纯电里程(如volt是75%),所以大部分的行驶里程还是能源成本很低。这样即使电池寿命依然有限,通过纯电行驶却变得大为可能。

    • 插电混合动力因为电池容量较小,对充电速度要求较低,可以先较好的利用先有的民用充电设施,特别是家用充电设施为汽车进行充电。等到插电混合动力车型变多以后,市场足够大,更多的商业充电桩就可以由市场自行建立。

    • 插电混合动力的核心技术与常规混合动力类似,传统汽车巨头更愿意发展,也已经有更多的积累,市场也更容易接受。无论从生产方还是消费方都相对容易由常规混合动力过渡而来。

    • 插电混合动力因为以上的特性,相对于纯电动车更易于普及,特别是对于一家普遍只有一台车的中等收入国家。而插电混合动力的普及,无论在消费模式的改变上,电动汽车技术上,生产规模带来的成本降低上,还是充电设施的建立上,都可以为纯电动汽车的普及做很好的铺垫。
    劣势

    • 因为需要的续航里程少了很多节省的电池成本,差不多可以多加入一台内燃发动机,但是因为内燃机的存在,隔音等各方面的成本依然较高,总体成本还是比纯电动汽车高。比如volt比leaf要贵6000美元左右

    • 用并联和混联模式发展插电混合动力,并不能减少变速箱的存在,进一步增加了插电混合动力车的成本,使得车厂或者减少纯电续航里程(如插电prius),或者要进一步增加售价。而用串联模式发展插电混合动力(即增程模式),则在蓄电池电量耗光后,噪音性平顺性和油耗排放相比并联和混联模式有劣势(不过因为此时发动机运转在最优工况下,相比传统内燃机车还是有优势)。而无论哪种混动方式,相比纯电动车,也都有平顺静音,动力响应,能耗排放的劣势

    • 跟传统混合动力车型一样,技术也比较复杂。

    • 因为纯电行驶为主,还是很难浅充浅放(甚至因为有内燃机后备,电量更容易被用光),依然有电池寿命的问题
    未来变数:

    • 可能利好

    • 纯电动汽车无法解决续航焦虑,传统混合动力又走到能耗瓶颈,而化石能源已然很贵,插电混合动力就会长期存在

    • 对常规混动的不利因素占据了上风。插电混动进步更快。

    • 可能不利

    • 对常规混动的利好因素占据了上风。插电混动推广较慢,而在此过程之中,燃料电池汽车普及取得重大突破。

    • 中国政府长期因为对民众购买插电混合动力车型只当传统动力车驾驶,不能充分降低油耗的考虑,没有以更好的政策推广插电混合动力车

    四、氢燃料电池
    现状:

    • 优势

    • 没有续航和能量再充满的问题。没有续航焦虑。不需要消费者改变用车习惯

    • 性能方面的潜力,跟纯电动车一样。且没有纯电动车的笨重的电池组对性能和能耗的不良影响

    • 没有纯电动汽车的大容量电池寿命和成本的问题,也没有像纯电动汽车那样来自大容量电池的高污染

    • 相对于常规混合动力,能耗可以进一步降低

    • 排放接近于零,可以忽略。

    • 氢气来源广泛,天然气,煤,石油,页岩气这些化石能源都可以制氢,是化工产业的副产物,也可以用风能制氢,太阳能制氢,生物制氢这些可再生方法,还可以用电力这种通用能源制氢。

    • 劣势

    • 目前大部分氢燃料电池的综合能量转化率,远没有纯电动高:如果是可再生方法,效率一般较发电为低,相比纯电动是能源的浪费,会增加行驶成本;如果是化石能源生成,即时是副产物,也总归是产生污染的生产过程的副产物;如果是电力制氢,白白增加一道造成能量损耗的工序。综合起来单就行驶的能源消耗可能没有纯电动或插电混动经济环保

    • 目前氢燃料电池技术不够成熟,成本较高

    • 目前缺乏加氢的基础设施,而且跟充电站的建设一样,存在先有鸡还是先有蛋的困境,而且不像汽车充电起步初期可以多利用家庭设备推动普及,慢慢扩展到公共充电桩和大型快速充电站,而只能一步调到大型加氢站。早期基础设施推广阻力大,反过来造成燃料电池汽车销量难以扩大。这个是最大的硬伤。

    文章来源:新能源汽车技术解析BEV-superstar


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    蓝寒香

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    楼主辛苦了!!

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    谢谢楼主分享!
    谢谢楼主分享!
    给力!!
    很好很强大!!
    很详细的文章
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