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氢燃料电池和纯电动汽车都不是最优的新能源车辆线路 精华 1  [复制链接]

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作者:LY说新能源


从能源使用方式出发考虑如何实现更优的新能源车辆技术路线。目前,氢燃料电池、纯电动汽车都不是最优的。

当前围绕太阳能利用发生一系列技术变革,属于能源革命的一小部分。而新能源车辆也属于能源革命里很小一部分。这些能源技术变革是有规律可循的。下面从技术发生变革的领域和技术路线的评判标准两个角度去阐述能源技术变革规律。

当前能源革命主要技术变革发生在三个领域,分别是:

1)能源的来源。

2)能源的存储。

3)可移动能源应用。

三个技术领域看起来相近、创新点相同,但实际上三个领域的突破口完全不一样。

能源的来源只有太阳、利用太阳能的最有效方式是直接热利用和光伏发电。限于太阳能单位面积密度低,如何提高能源来源密度、分布式应用能源和提高能源转换效率是解决能源来源的有效办法。

能源的存储是解决太阳能间歇性的唯一办法,能源存储的方式非常多。最有效的是电化学存储,但其成本昂贵,大自然已经实现了太阳能的有效存储。比如水电和生物质的存储能量是巨大的。如何低廉地获得水电和生物质的能量,是解决能源存储问题有效办法。

可移动能源的应用目前占据人类掌握能源的20~40%。未来将会占据一半以上。比较常见可移动能源应用场景是交通出行、移动式人工智能工具和未来的星际往返。

新能源车辆是可移动能源是能源技术变革中先锋部队。如何发展新能源车辆目前还存在很多争议,混合动力?纯电动?氢能源等等百家争鸣,败家已现。

这些技术路线争吵了了几十年、实践了上百年。到目前仍未能有一个从中胜出,人们只能选择化石能源。在未来这些已经存在的技术路线都会败给创新出来的新技术路线。

存不存在一种能源利用方式是最优的呢?比如新能源车辆的最优方式?

我们在做选择的时候,必须找到合适的价值观及评判标准。就如年轻人谈恋爱首先考虑"三观合"再考虑"性情投"。

什么样的太阳能利用方式才是最好的呢?如何评价?

借助"WTW"油井到车辆的概念,有"STS"即"solar to service"太阳能到服务人生产生活的效率。

这个效率有三类:

第一类效率是"STS"的能源转换效率,如光伏发电效率,电机效率等。

第二类效率是"STS"的经济效率,即单位能源成本。如度电成本,燃油燃油价格等。

第三类是"STS"能源转换装置成本效率,即单位能源的转换成本,如家里煮饭的电饭煲成本,电动化车辆购置成本。

这三种类效率是用来判断太阳能应用技术路线好坏的客观标准。

按照这样的三类效率。我们可以设计一种最优的技术路线。其中一种比较有可能实现的是"N电机双电压、短途纯电长途增程"。起实现方式如下。

先看一个典型的车辆能源需求曲线

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2019-9-24 22:21

图 1 车辆能量需求,能量变换能力示意图

从图1知道车辆能量需求是变动的,其瞬时值有正有负。车辆的能量变换能力也是变动的,波动非常剧烈。速度是能源供给和能量变换能力共同作用的结果。由推进功率曲线图知道能量制动馈能甚至会比整个车辆输出功率大。比如高速下陡坡急刹车的情况下。

基于上面的情况,可以得到一个认识。电驱动车辆的最佳能源利用方式是能源处理能力跟能源需求匹配。

车辆的能源处理能力最主要的指标是功率,性能较好的车辆其能源处理能力通常是能源需求的十倍左右。如平均功率10KW,而车载功率通常会是100KW以上。、

48V电驱系统当前主要用于轻混或超微型车辆。从能源利用角度来说。48V电驱系统通常单电机驱动长时间的功率15KW以内。双轴驱动功率30KW以内。也就是说起在不考虑因速度瞬时大幅波动的提速制度能源需求的情况下。48V电驱系统能够满足所有乘用车的需求。

如果让48V电驱系统作为主要能源供给方式。可以通过提升48V系统的效率,如提升驱动器效率,电机效率,传动效率等等。在车辆行驶过程中,如果48V驱动系统的整体效率非常高。而整个车辆能源大部分都是48V电驱系统提供的(在制动馈能足够情况下,可100%由48V系统提供),这样就保证了整车能源利用效率非常高。而48V系统成本较高压要低一些,其提高效率的成本同样也会很低。

如果一辆车上有1个电机,可以通过星三角变换实现双电压等级,低压为48V,高压为144V的电池系统。如果一辆车上有多个电机,可以分电机实现不同电压等级的驱动系统。比如低压48V,高压520V的电池系统。尽管这样的设计有差别,但其设计出发点都是以能源优化控制优先。单电机是为了更低成本,多电机是为了更高效、更优性能。但这二者低电压都是48V直流/33V交流。

这样做的好处是什么呢?如下面七点。

1 低压48V电池组足够安全,可以让车主自行换电。

2 低压48V电池组车载电容量是可变的,为可以为100~400公里纯电里程电量。高压电池组固定为160公里纯电里程电量。每次出行按需配电。

3 高压电池组选用高功率比电池,制动馈能回收和瞬间释放,快充其性能更好。

4 双电压系统相当于双电源。当高低压电池组其中一个发生过载或电池故障,立即切断该电池组供电,电池不会崩溃。车辆行驶不受影响。

5 出行需要补能的时候,可以快充、换电。当电池电量耗尽,选择快充,或者48V电池组换电。或者高压电池组快充、48V低压换电同时进行。最快15分钟内完成补能。接近加油的便利性。

6 48V低压电池组使用更小倍率充放电,车辆能源主要由低压提供。相当于改善了电池组工况,延长了电池使用寿命。

7 通常,高压电池组作为固定在车上的,而低压电池组是有车主选购。也就是说车主最低只需要购买160公里纯电续航里程的电池。当长距离出行时,车主通过租用48V低压电池组。这样降低了车主购车成本。当然车主也可以选择100~400公里电量的48V低压电池组,车主可以按需自行选择配置。

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2019-9-24 22:21

图2 手指直接短接48V电池组正负输出端,不会发生触电。车主可以自行换电。

双电压系统可以实现换电模式,比如车主甲花10万购买一辆n电机双电压系统电动车,车载160公里续航电池组为高压电池组,不可拆卸。有200公里可拆卸48V电池组。每天如果车主出行需求在100公里以内。只需要将电池组分成两套,白天用太阳能发电存储到100公里电池组,第二天换到电动车上。换下来的电池组继续在白天储存太阳能光伏的电量。如此反复。当然,电池组电量也可以是100~400公里的续航里程量。

这样呢,太阳能光伏发电的上网电价,就是电动车度电成本了。而车主换电的时间成本不超过10分钟。

而大规模光伏电站,全球太阳能光伏的上网电价在最低已经低于0.2元,这还是包含了光伏逆变的成本,如果采用光伏发电直充48V低压换电系统,那么其度电成本会低于0.2元。家庭屋顶光伏,不占地不上税。即便按照当前5~11元/瓦的投资成本,度电1元计算。家庭光伏发电直充48V低压换电。其经济效应仍旧很可观。

但是当前电池系统的能量密度在120~300WH/KG。换电模式量变到质变的奇点还没到来。如果单个换电电池单体能力密度达到330WH/KG。也就是1度电3公斤左右。即便按百公里耗电最高20度。其重量也不过60公斤。成人只需要将两个30公斤48V换电电池单体搬运上下车。加上高压电池组的续航。换电系统基本满足日常出行。

当车主需要去更远的路程,需要考虑增程模式。N电机双电压系统中,两个及以上的电机,可以分一个出来作为间歇增程的模式,使用较小的发动机增程。其能源密度可以高达5KWH/KG(液化甲烷,柴油高效发动机)较小的能源密度也有1.6~2.2KWH/KG(甲醇、乙醇等液太阳光燃料)。为什么必须要用增程模式?换电需要固定的场所,电池有使用寿命等限制。太阳能的存储方式中,液体燃料存储有效是数年,数亿年(如石油)。而化学电池不能,此外液态燃料高能量密度、高功率释放等特性非常适合长途出行。

这里说的"N电机双电压、短途纯电长途增程"不只是适用于乘用车的小轿车,也适用于跑长途的大货车、卡车。同样也适用于轮船、以及尚未电气化的火车货运线路(青藏线)。

为了让读者能够明白这个"N电机双电压、短途纯电长途增程"的好处。下面举例说明:

以比亚迪 e2车型为例。这是一辆紧凑型电动车,其价格低于飞度、polo等小型车,驾乘感也要比飞度、polo好。但e2,存在里程焦虑及充电难等问题。如果将e2改为"双电机双电压、短途纯电长途增程"那么只需要购买160公里高压电池续航。也就是20度电左右的功率版电池。在这样的配置下e2售价按低配版不变仍为9万。车主平常出行大部分时间会低于160公里。如果超过160~300公里。只需中途快充一次即可。

出行需求在300公里以上,采用48V换电方式一次补充20~40度电池。其换电电池续航可达160~320公里以上。总续航在320~480公里。如果出行距离更远可以考虑搭载车载可以拆卸增程系统,增程系统100公斤的增程系统,发电电量可以超过160度(按甲醇40%效率计算,燃料约73公斤,发动机燃料箱27公斤)。加上原有车载电池组,其综合续航超过1500公里。

这样的系统,车载电池度电成本为家用电成本,甲醇发电度电成本也比燃油车低。如果车载电量来自太阳,当前光伏发电最高量产IBC电池高达25%以上,48V系统为直充(95%以上),高压电池为快充(85~95%)。电机效率(85~95%)及传动效率(85~95%)等因素。太阳能STS能源变换效率48V最高超过20%以上(这个效率比燃油车处于低效工况的燃油效率还要高,相当于相同热值阳光等于燃油)。最低也不会低于61%。故48V换电系统会是太阳能STS最有效率的系统。太阳能和生物质制甲醇的效率仍然很高。相关论述内容非常多,可以查看本自媒体内容。

现在回到本文的主题。当前发展的氢能源技术路线就是脱裤子放屁的做法,氢能源不只是不安全,其STS三个效率都很低。纯电动车长里程电动车同样是其STS三个效率低不适合发展。

本文中举例的"N电机双电压、短途纯电长途增程"只是一种客观存在的可能比氢燃料电池、纯电动汽车更优的技术路线。但还不是最优的。各位读者可以根据自己的聪明才智思考一下氢燃料电池、纯电动汽车的技术路线存在如此多的缺点,你该如何改进新能源车辆技术路线?

作者:LY说新能源

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新能源汽车散热管理系统的重要性:
汽车电池的热相关问题是决定其使用性能、安全性、寿命及使用成本的关键因素。首先,锂离子电池的温度水平直接影响其使用中的能量与功率性能。温度较低时,电池的可用容量将迅速发生衰减,在过低温度下(如低于0°C)对电池进行充电,则可能引发瞬间的电压过充现象,造成内部析锂并进而引发短路。其次,锂离子电池的热相关问题直接影响电池的安全性。生产制造环节的缺陷或使用过程中的不当操作等可能造成电池局部过热,并进而引起连锁放热反应,最终造成冒烟、起火甚至爆炸等严重的热失控事件,威胁到车辆驾乘人员的生命安全。另外,锂离子电池的工作或存放温度影响其使用寿命。电池的适宜温度约在10~30°C之间,过高或过低的温度都将引起电池寿命的较快衰减。动力电池的大型化使得其表面积与体积之比相对减小,电池内部热量不易散出,更可能出现内部温度不均、局部温升过高等问题,从而进一步加速电池衰减,缩短电池寿命,增加用户的总拥有成本。
电池热管理系统是应对电池的热相关问题,保证动力电池使用性能、安全性和寿命的关键技术之一。热管理系统的主要功能包括:1)在电池温度较高时进行有效散热,防止产生热失控事故;2)在电池温度较低时进行预热,提升电池温度,确保低温下的充电、放电性能和安全性;3)减小电池组内的温度差异,抑制局部热区的形成,防止高温位置处电池过快衰减,降低电池组整体寿命。
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