快充、換電？電動化車輛補(bǔ)能方案思辨
摘要：
1）電動車在當(dāng)前電池、電機(jī)技術(shù)水平和燃油價(jià)格情況下，相對于燃油車來說電動車已經(jīng)具備壓倒優(yōu)勢。本文給出的補(bǔ)能方案是挖掘這些優(yōu)勢的關(guān)鍵。
2）電動化車輛不存在里程焦慮、充電難題。
3）給出了電動化車輛補(bǔ)能的最佳方案。
4）設(shè)計(jì)了一個(gè)動力測試平臺，并將通過改裝方式造一輛ly混動車。
1、電動化車輛優(yōu)于傳統(tǒng)燃油車
燃油按每升7元、30％的燃油內(nèi)能化為車輛動力。折算為電力價(jià)格每度成本2．68元。而電池系統(tǒng)每度電容量的成本在1000～1500元。電池使用壽命在3000～5000次。假設(shè)充電度電成本在0．6～1．8元之間。按充電價(jià)格0．6元、電動車每使用一度電可以節(jié)省2．08元。1000元每度電容量電池系統(tǒng)成本計(jì)算、充放電500次可以回收電池成本。按充電價(jià)格1．8元計(jì)算，電動車每使用一度電可以節(jié)省0．88元，1500元每度電容量電池系統(tǒng)成本計(jì)算，電池充放電1705次可以回收電池系統(tǒng)成本。由此、電池系統(tǒng)有50～90％使用壽命是凈賺的。只是車企設(shè)計(jì)錯(cuò)了。
除了電池價(jià)格優(yōu)勢外，電動車的生產(chǎn)工時(shí)更短，人力、場地需求也更少，比燃油車更高生產(chǎn)自動化程度，零部件數(shù)量也大幅減少。
上面的計(jì)算、分析說明：電池車已經(jīng)以壓倒性的優(yōu)勢戰(zhàn)勝了燃油車。然而電動車市場銷量仍待引爆，當(dāng)前各個(gè)車企錯(cuò)誤的車型設(shè)計(jì)造成電動車的優(yōu)勢發(fā)揮不出來。
圖 1 電動車已優(yōu)于燃油車
有人說安全問題、里程焦慮、充電難、電動車造價(jià)高等等問題，才是電動車不能普及原因。這句話大錯(cuò)特錯(cuò)了，以電動車造價(jià)高為例，在扣除電池系統(tǒng)成本后電動車售價(jià)將低于燃油車，并且還有較大的降成本空間。安全問題，電能的使用是安全的，不安全的是汽車設(shè)計(jì)。電能的安全在于可監(jiān)控、可測量。安全措施多、最常見的是過載、過流、高溫保護(hù)，雙電源等等。里程焦慮、充電難更是不存在的問題，電動車原本沒有里程焦慮、充電難題，只是車企的錯(cuò)誤設(shè)計(jì)造成了這樣的難題。
2、電動化車輛不存在里程焦慮、充電難題
充電難、里程焦慮是相伴相生的。如果沒有里程焦慮就不需要著急充電，如果充電容易快捷，就不會存在里程焦慮。也就是說這兩個(gè)難題要放到一起解決。
怎么解決呢？作者所學(xué)的專業(yè)是電氣自動化，從事生物質(zhì)發(fā)電工作。從一開始就沒有把電動車當(dāng)成一輛車輛。而是當(dāng)成一種用電電器。這個(gè)電氣的特性是這樣的：長時(shí)間遠(yuǎn)離電網(wǎng)，電能需要存儲，電能的存儲、使用需要變換，用電負(fù)荷功率是變動的，用電負(fù)荷用電量是不確定的，電能的存儲容器能量密度極低。
基于這樣的特性，我們遵循按需配電、按需用電、快速進(jìn)行電能存儲、高效進(jìn)行變換、提高車載電能容器能量密度等原則，并在車上安裝發(fā)電裝置。這樣的辦法必定能夠解決里程焦慮、充電難題。
按需配電是解決里程焦慮、充電難題的出發(fā)點(diǎn)，車主出行需求往往是確定，在這樣的情況下，如果出行需求是100公里，耗電15度。而我們給車載電容器裝載80度，就是浪費(fèi)。而車主一天的用車時(shí)間也就1個(gè)多小時(shí)，其他大部分時(shí)間車輛是停在停車位置上，讓已經(jīng)停下來的車輛及時(shí)接入電網(wǎng)，減少用電設(shè)備離網(wǎng)時(shí)間。在這樣日常的應(yīng)用場景下、車載電量15度、慢充功率2kw完全應(yīng)付得來。當(dāng)車主出行需求變成：一天16小時(shí)以上在路上、行駛里程1500公里以上，并且中途充電難，中途停車充電時(shí)間有限的情況，如何讓同一輛車滿足這樣出行需求？
在很多人看來這樣的苛刻的出行需求，即便是燃油車，也不好滿足，按百公里油耗8升，也要120升油重約87千克，通常車輛才35～55升，要加油3～4次，百公里耗電15度，需要225度。電池系統(tǒng)密度200w／kg，需要1．125噸，接近整車重量。
但如果是一輛具有快充120kw充電口、車載電池40度，油箱25升發(fā)電效率36％的ly混動車，只需要中途停車一次，加油25l、充電40度，用時(shí)18分鐘。也就車主中途休息的時(shí)間。就有足夠236度電能。按燃油7元每升、電價(jià)1元一度計(jì)算，燃油車需要油費(fèi)840元、純電動車需要225元、ly混動車需要430元。ly混動車比純電動車節(jié)省了175度電池，17．5萬元成本。當(dāng)車主出行需求在260公里以內(nèi)的時(shí)候、只用電。（這里的計(jì)算都是使用了理想的情況，比如電池充滿放空、充電均勻等速。這只是為了更好說明ly混動車是按需設(shè)計(jì)的）
圖 2 電動車不存在里程焦慮、充電難題
即便在這么極端出行需求的情況下，ly混動仍能以優(yōu)于電動車、燃油車的使用體驗(yàn)。說明了按需配電設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)是成功。里程焦慮、用電難問題已經(jīng)決解。
3、電動化車輛補(bǔ)能方案
3 換電的方式其實(shí)很傻
當(dāng)前電動車發(fā)展還在萌芽階段，什么樣的方式才是電動化車輛的補(bǔ)能最佳方式？北汽徐和誼認(rèn)為是換電、電力提供商abb等認(rèn)為是快充。這些具有代表性的實(shí)踐都錯(cuò)了。寬泛補(bǔ)能方式，依據(jù)場景選擇補(bǔ)能方式。
ly混動車就是寬泛補(bǔ)能，這里說的寬泛是指ly混動車具有最高120kw快速直流充電口1個(gè)，15kw可逆車載充電口1個(gè)?？梢詾檐囕v提供2～120kw充電功率、依據(jù)充電時(shí)間來定。當(dāng)車主一天用車1小時(shí)左右，20小時(shí)以上是停車時(shí)間，停車位置邊上有一個(gè)220vac或380v三相電插頭，接入車載充電口可以保證在20～2．6小時(shí)充滿電量。當(dāng)車主外出，在高速或者中途休息，需要快速充電，可以保證在15分鐘內(nèi)獲得200公里以上續(xù)航電量。
此外ly混動車還具有甲醇或燃油增程系統(tǒng)，該增程系統(tǒng)屬于行駛中補(bǔ)能，直接將電能輸送到電機(jī)。當(dāng)電池電量耗盡，可以使用增程系統(tǒng)發(fā)電，15kwe的發(fā)電能力，30～60分鐘可以讓電池獲得50～100公里的續(xù)航電量，約10度電量左右?？梢宰屲囕v重新上路、增程系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)電?？纱_保車輛繼續(xù)正常行駛。這樣的增程系統(tǒng)，寒冷的冬天、可以作為加熱熱源。其燃油利用效率超過60％以上。如果車輛是去戶外、南極考察。不需要建設(shè)充電設(shè)施，隨車攜帶燃油即可。也就是說電動車可以當(dāng)燃油車來使用，即便車主沒有充電設(shè)施。
由上面的介紹，你會發(fā)現(xiàn)ly混動車的補(bǔ)能方案是最佳的。不只是在于更好滿足出行需求，而是在于時(shí)間、補(bǔ)能場景的寬泛性，讓車主更從容應(yīng)對充電難題。
4、ly混動車測試車方案
基于上面的分析，作者目前在做一輛測試車。具體如下
車身：五菱宏光s3。
圖4 ly混動測試車的外形
動力：總功率120kw，其中電機(jī)a百轉(zhuǎn)公司48v電機(jī)系統(tǒng) 50kw，電機(jī)b為跟肇慶永磁電機(jī)定制的發(fā)動電動機(jī)，驅(qū)動功率20kw，發(fā)電功率7～15kw，發(fā)電電壓48v～80v直流，最大電流200a。電機(jī)c為北汽集團(tuán)的c33db系統(tǒng)，功率為53kw。
電池：40度磷酸鐵鋰電池。電芯能量密度120w／kg．電池包含冷卻系統(tǒng)總重量在400kg以內(nèi)。暫不購買。增程發(fā)動機(jī)＋35l郵箱＋排氣凈化管總質(zhì)量在。按標(biāo)稱效率發(fā)電71度?？傊亓吭?0kg以內(nèi)。電池和增程系統(tǒng)的總電能為111度，總質(zhì)量480kg。有效密度230w／kg。如采用240w／kg三元電池電芯，增程系統(tǒng)和電池包總有效能量密度能夠達(dá)到370w／kg。增程發(fā)動機(jī)效率低于28％，如果增程發(fā)動機(jī)效率能夠達(dá)到40％。那么增程系統(tǒng)和電池包總有效能量密度能夠達(dá)到230w／kg、370w／kg提升到333w／kg、533w／kg。
需要購置宏光s3、北汽ec3各一臺，定做百轉(zhuǎn)公司48v50kw系統(tǒng)一套，定做兩套發(fā)電電動機(jī)。電機(jī)驅(qū)動、電控和車載15kw充電機(jī)全部采用二手報(bào)廢車輛上采取下來的。

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