陳湘云
(武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院)
加速開發(fā)小型近距離純電動汽車
——車輛實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的重要途徑之一
陳湘云
(武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院)
以電動自行車及小型電動車實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化為例,從小型近距離純電動汽車功率需求出發(fā),多方面闡述了開發(fā)小型近距離純電動汽車是車輛實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的重要途徑。
小型;純電動汽車
目前,我國汽車保有量為5 000萬輛,其年耗油量接近全國成品油總量的60%,汽車年產(chǎn)1 000萬輛,僅武漢市每天銷售400輛,巨大的市場需求與嚴(yán)峻的能源環(huán)境約束之間的矛盾異常尖銳。發(fā)展節(jié)能環(huán)保汽車,實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型與產(chǎn)業(yè)振興勢在必行。
中國電動汽車的研發(fā)從“八五”的關(guān)鍵技術(shù)研究開始,從研發(fā)到市場,已有20年,石油煉油以后可以用于燃油汽車使用,如果石油沒有了,其他的能源如煤炭、天然氣,再生能源、核能和生物物質(zhì)發(fā)電,作為汽車能源最便利的利用是發(fā)出電,供電動汽車用。因此除石油以外,作為交通能源很重要的就是電能,發(fā)展電動汽車是一個重大的選擇,中國政府在這個問題上的決策非常明確,就是重視電動汽車的發(fā)展。問題是很多年過去了,為什么只有電動自行車及小型電動車實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化,僅電動自行車就是年產(chǎn)2 400萬輛,制約電動汽車的續(xù)駛里程、成本、電池壽命等問題如何解決,電動汽車如何從研發(fā)到市場,開發(fā)小型近距離純電動汽車是車輛實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的重要途徑嗎?
由于動力電池技術(shù)獲得突破,電動自行車的性能大大提高,速度等指標(biāo)已遠(yuǎn)超1999年行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),這些高性能的電動自行車由于快捷方便、無污染,而且價格相對便宜,是一種較好的代步工具,深受百姓的喜愛,我國電動自行車已占全球市場量的80%以上,去年的生產(chǎn)量是2 400萬輛,其中400~500萬輛出口,現(xiàn)在中國電動自行車的保有量已經(jīng)超過一億輛,在世界上遙遙領(lǐng)先,已經(jīng)超了家用轎車,成為一種主流的代步工具。一些社區(qū)用車、高爾夫用車,貨車,還有機場車、警車、巡邏車、小型的牽引車等小型電動車以及速度在40~50 km的低速電動車,這類車也已率先產(chǎn)業(yè)化了,而且中國占世界的產(chǎn)量比較大,在某些省率先允許上地方的車牌。去年的出口額大約在十萬輛左右。此外,由于電動自行車和低速電動車大批量生產(chǎn),極大地帶動了電動車關(guān)鍵核心部件的研發(fā),小功率電機、電機控制器、電池及電池管理系統(tǒng)技術(shù)成熟,可靠性好,性價比高,為小型近距離純電動汽車提供了有利的技術(shù)支持,也為小型近距離純電動汽車產(chǎn)業(yè)化奠定了良好基礎(chǔ)。
我國目前每天有超過9億度低谷電,可供5 000萬輛左右電動汽車充電,我國鋰資源、稀土資源和鎂資源豐富,可以為電池、電機等提供原材料資源保障。
(1)電動自行車需求功率分析
各工況下電動自行車需求功率估算見表1,其中車輛參數(shù):1~2人自行車質(zhì)量40kg,3~4人自行車質(zhì)量100 kg。單人質(zhì)量65 kg+貨10 kg。依據(jù)《電動自行車通用技術(shù)條件》——GB17761-1999國家標(biāo)準(zhǔn):電動自行車最高車速不應(yīng)大于20 km/h;電動自行車整車質(zhì)量(重量)不應(yīng)大于40 kg;電動自行車一次充電后續(xù)行里程不應(yīng)小于25 km;電動自行車的電動機額定連續(xù)輸出功率應(yīng)不大于240 W。
表1 各工況下電動自行車需求功率估算
一般來說,在以20 km/h的速度恒速平地騎行、標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載質(zhì)量(75 kg)和無風(fēng)的條件下,電動自行車消耗的功率為95~115 W,平均功率為105 W,可認(rèn)為這就是電動自行車“標(biāo)準(zhǔn)騎行狀態(tài)”時的電機功率??紤]到在有弱風(fēng)和非連續(xù)性的小的坡度下也能騎行(允許速度有所降低),而且要有一定的動態(tài)性能(加速度),電機的功率150~180 W也足夠了,目前,電動自行車企業(yè)的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)都是時速30 km,功率350 W,此標(biāo)準(zhǔn)高于國家標(biāo)準(zhǔn),所以市場上的電動自行車功率一般在300~350 W左右,車速一般為30~40 km/h。電動自行車的市場價格為2 000~3 000元左右,按300 W,3 000元計算,100 W,大約1 000元,一年更換電池的費用平均500元左右,電動自行車功率需求低,成本低,市場接受??梢?,功率需求直接影響成本,電動自行車能從研發(fā)到市場這是關(guān)鍵。
(2)電動汽車需求功率分析
不同車速勻速需求功率行駛時的需求功率見表2,其中車輛參數(shù):輪胎半徑0.28;迎風(fēng)面積1.3×1.5 m2;空氣阻力系數(shù)0.3;滾動阻力系數(shù)0.012。計算沒有考慮加速、爬坡等工況,如計入這些工況和續(xù)駛里程要求,需求功率會更大。
表2 不同車重和車速車輛下的勻速水平路面行駛需求功率
從表2可以得出幾個結(jié)論:
(1)在車速相同的情況下,整車重量的提高,需求功率會增加,而且隨著車速的增加,需求功率的增幅會加大。因此,減少整車質(zhì)量,降低功率需求,從而降低成本,同時提高了功率器件的可靠性,是電動汽車研發(fā)的關(guān)鍵。
(2)在整車重量相同的情況下,車速指標(biāo)的提高,需求功率會增加。因此,在電動汽車研發(fā)中,確定合適的性能指標(biāo),即確定合適的車型顯得尤為重要,是電動汽車從研發(fā)到市場的關(guān)鍵。
以功率在3 kW左右低速電動游覽車為例,市場價格4.5萬,整車功率平均100 W,大約1 500元,略高于電動自行車的價格,更主要的是需求功率增加,電機的功率必定增加,控制器成本和可靠性要求也隨著增加,電池容量就要加大,更換電池的費用就增加許多,一年平均6 000~7 000元左右,如果對續(xù)駛里程由要求,用更多安時的電池或用高密度電池,如鋰電池,成本更高,可見,整車重量和整車性能指標(biāo)決定功率需求,直接影響成本,這就是為什么小型電動車能進入市場的關(guān)鍵,這也是制約電動汽車從研發(fā)到市場的關(guān)鍵因素,因此,開發(fā)小型近距離純電動汽車,即重量輕,近距離即續(xù)駛里程短,性能指標(biāo)適宜的純電動汽車是車輛實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的重要途徑。
目前還沒有一種電池性能可以達(dá)到燃油汽車的種種指標(biāo)和商業(yè)化要求,在電池技術(shù)沒有突破的情況下,一種新的思路是:不要求電池滿足傳統(tǒng)設(shè)計的車輛要求,而是設(shè)計新的電動汽車來最大限度地發(fā)揮電池的性能,開發(fā)小型近距離純電動汽車正是這種思想的體現(xiàn)。
問題一:電動自行車如何管理?
電動自行車快捷方便、無污染,而且價格相對便宜,是一種較好的代步工具。但電動自行車在機動車道亂竄、不遵守行駛規(guī)則、涉及電動自行車的交通事故頻發(fā),成為城市交通管理的難題,如果不加強管理,將嚴(yán)重制約了電動自行車及小型電動車的發(fā)展。隨著技術(shù)發(fā)展,速度更快的電動車越來越多,其特征與機動車越來越像,將其納入非機動車管理還是機動車管理?電動車一旦劃入機動車,須繳納養(yǎng)路費、購置稅,要上號牌、買保險,而且騎車人將受到駕駛資格的限制,且必然限制銷售市場的擴大,這一建議遭到電動車廠家普遍反對。這一切最終形成目前困境:速度慢、符合規(guī)范的電動車數(shù)量寥寥,且不受市場歡迎。速度更快、更受市民歡迎的電動車卻一直沒有合法身份。
問題二:標(biāo)準(zhǔn)是否合理?
目前的電動自行車技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是10年前制訂的,電動自行車時速限制在20 km合不合理?過去受制于技術(shù),電動車的供電電壓較低,一般就是24伏,功率只有設(shè)定在240 V,才能保證蓄電池容量夠用,行駛里程僅為20 km左右,這種產(chǎn)品市場難以接受。隨著動力電池技術(shù)已經(jīng)取得重大突破,可以使用更高功率的電機,目前出口歐美的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)都在350 W左右,充一次電可以行駛80 km左右,國內(nèi)行業(yè)都默認(rèn)采用這一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
小型近距離純電動汽車的標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)以及交通管理等問題應(yīng)以電動自行車為誡,以電動汽車標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)為重點,建立政策體系,必須改變傳統(tǒng)汽車文化習(xí)慣以及跟蹤模仿國外傳統(tǒng)汽車標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)和產(chǎn)業(yè)組織體系的常規(guī)做法,進一步開展我國電動汽車發(fā)展戰(zhàn)略研究,并據(jù)此修訂我國電動汽車產(chǎn)業(yè)政策和標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)體系。
電池確實是影響電動汽車關(guān)鍵的技術(shù)。在國家科技計劃的持續(xù)支持下,我國在新能源汽車電池、電機、電控三大核心技術(shù)方面取得豐碩成果,為首的是電池方面,形成了電池產(chǎn)業(yè)集群,小功率鋰電池產(chǎn)品占世界市場的1/3,電池的技術(shù)有了很大的發(fā)展,鉛酸電池能量密度、功能密度、循環(huán)壽命和其他一些功能都得到改善。關(guān)于錳酸鋰、鈷酸鋰、磷酸鐵鋰,鈷的成本比較高,錳酸鋰可能做得最多,而磷酸鐵鋰電池的壽命長,電池組循環(huán)充電可以達(dá)到1 500~2 000次,安全性能比較高,倍率放電比較好。但是環(huán)境溫度比較高,低溫性能還學(xué)改善、還有生產(chǎn)一致性,什么時候解決了,產(chǎn)業(yè)化就可行了,而離大批量的產(chǎn)業(yè)化還是有距離,因此在研發(fā)方面應(yīng)將其列入國家重大科技專項;重點突破,聯(lián)合推進產(chǎn)業(yè)化。
繼奧運新能源汽車科技示范園成功之后,國家通過財政鼓勵政策在工交、出租車等公共服務(wù)領(lǐng)域開展的十城千輛新能源汽車示范推廣工作已經(jīng)啟動,為小型近距離純電動汽車在市場化的產(chǎn)業(yè)運作方面提供了思路,這些小型近距離純電動汽車符合世界潮流和中國國情,以及電動汽車本身的發(fā)展規(guī)律,應(yīng)將此作為“國情車”和“國民車加以重視和支持作為下一步產(chǎn)業(yè)化重點,推進其大規(guī)模商業(yè)化。
[1]黃妙華,喻厚宇.影響并聯(lián)混合動力電動車輛的發(fā)動機在高效區(qū)工作的因素[J].汽車工程,2005,(1).
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1008-3383(2011)09-0257-02
2011-06-21