我國電動汽車的能效與經濟性分析

魏文強

摘 要：本文通過對比電動汽車和內燃機汽油車的熱效率及能耗，得出電動汽車的熱效率及能耗明顯優(yōu)于內燃機汽油車的結論，明確了電動汽車的特點、作用等，以期為該領域提供一定參考。

關鍵詞：電動汽車 能效 經濟性

Abstract：By comparing the thermal efficiency and energy consumption of electric vehicles and internal combustion engine gasoline vehicles， this paper concludes that the thermal efficiency and energy consumption of electric vehicles are significantly better than those of internal combustion engine gasoline vehicles， and clarifies the characteristics and functions of electric vehicles， to provide some reference for this field.

Key words：electric vehicles， energy efficiency， economy

電動汽車和內燃機汽車最大的區(qū)別在于它們的動力系統(tǒng)不同，電動汽車的動力系統(tǒng)主要由電池、電機、個別品牌的電動汽車還有變速器等高壓系統(tǒng)所組成[1]。電控、電池和電機的技術是開發(fā)電動汽車的決定性因素，在電動汽車的動力系統(tǒng)的研發(fā)和維護過程中，電動車的動力系統(tǒng)還存在很多問題。對于電動汽車的研發(fā)過程，若果能準確找到故障發(fā)生的位置，對縮短電動汽車的研發(fā)周期至關重要，并且能夠有效降低對電動汽車的研發(fā)成本。

1 能耗研究

1.1 車型與參數

本文研究的四類汽車包括純電動汽車、燃油汽車、燃氣汽車及油電混合汽車。其中百公里參數之間相差較大的為燃油汽車，因此本文將燃油汽車按百公里耗油量分為小油耗型、中油耗型和大油耗型，并選取比較常見的車型。燃氣汽車分為兩類，壓縮天然氣汽車和液化天然氣。車型及相關參數見表l。

1.2 發(fā)動機能源效率

發(fā)動機的能源效率指的是做同樣的功發(fā)動機所需要提供的總能量[2]。在汽車中，主要表現(xiàn)在行駛的距離相同時，發(fā)動機而產生的功耗。由于不同類型汽車的質量水平良莠不齊，使能耗造成了一定變化，所以將比耗量參數作為主要方式。對于比耗量是指總能耗除以汽車質量。能耗與比耗量的數值具有直接影響，主要針對汽車的燃料經濟性。

依據調查數據了解到，我國的實際情況為汽車的總里程中市區(qū)里程占70％，而市郊里程占30％。各類汽車的百公里發(fā)動機能耗比較如圖1所示。柱狀圖從左到右依次為純電動汽車、小油耗型車、中油耗型車、大油耗型車、CNG汽車、LNG汽車和油電混合汽車，其余柱狀圖亦同[3]。可見，無論是百公里發(fā)動機能耗，還是百公里發(fā)動機，純電動汽車都屬于比耗量數值最小的，數值最大的均為CNG汽車，在各類汽車中，燃料經濟性最理想的是純電動汽車。

1.3 一次能源能耗

針對各個類型汽車的能源使用情況展開分析時，還需考慮汽車與其他一次能源之間的影響，將其利用情況納入考慮范圍內。

在電能完成一次能源到二次能源轉化的過程中，將會發(fā)生損耗。目前，國內的充電機效率一般在94%純電動汽車采用的磷酸鐵鋰動力電池組，電池由于受到內阻的影響，其放電效率不能達到100%，此外電池的放電效率還受到放電電流大小因素的影響，因此取電池的放電效率為91%。電動機、傳動系統(tǒng)效率85%。所以，純電動汽車效率為22%。下表２為傳統(tǒng)汽車和純電動汽車的能耗、綜合效率對比。

2 能源經濟性研究

2.1 等效能源價格

對于等效能源價格，是指產生單位能量而消耗能源的價格，計算方法體現(xiàn)出一定的特殊性，主要以單位能源的價格為切入點，通過該數值和等效數值相除。各類汽車的等效能源價格如圖２所示。

通過圖２了解到，在各類汽車中， 等效能源價格最低的為純電動汽車，且與其他類汽車間的差異性顯著，表明其能源經濟性明顯優(yōu)于其他汽車。

2.2 能源成本

考慮能源損失，將汽車百公里耗量（油耗、氣耗、電耗）折算為百公里等效一次能源（動力煤、汽油、天然氣）[5]。各類汽車的百公里耗量如表3所示。

在汽車的百公里一次能源耗量與一次能源價格相乘的情況下，可以得到汽車的百公里能源成本。百公里能源比成本代表的意義如下：單位車質量行駛百公里范圍內對能源消耗而產生的成本，要想計算出此數值，那么用百公里能源成本與整車質量相除即可。

2.3 能源支出費用

從汽車消費者的角度分析，駕駛汽車時需要花費的支出是他們最注重的，也就是百公里支出費用。這一點與比耗量存在一定相似支出，比費用代表單位車質量的支出費用。

我國不同地區(qū)的電價也是不同的，本文以北京市電價方案為代表：在自用充電設施上充電的電價按照居民電價收取，目前的電價為0.5103元/kWh；如果通過公用充電設施充電，那么收取電價的過程中以本市工商業(yè)為主，即0.8745元/kWh。

3 提升電動汽車能耗經濟性的對策

3.1 電動汽車關鍵功率器件的選型對整車能耗的影響

為了確保電動汽車的動力性能保持較佳狀態(tài)，電動汽車專用驅動電機應具有高功率密度的特點，調速范圍較寬，具有較小的體積質量，啟動轉矩大，在制動能力方面需占據顯著優(yōu)勢。現(xiàn)階段，電動汽車用電動機主要分為四種：直流電動機（DCM）、三相感應電動機（IM）、永磁無刷電動機（PMBLM）和開關磁阻電動機（SRM），雖然直流電機的結構比較簡單，技術趨于完善，但由于需要花費較多成本，再加上體積大、速度慢的缺陷，所以無法廣泛應用在電動汽車中。三相感應電機調速技術有了很大進步，不僅結構簡單，而且體積小，無需花費較多成本，所以在電動汽車中獲得了廣泛應用。在未來電動商用車和電動公交車領域會隨之出現(xiàn)，由于整車需要的驅動功率需求更大，所以三相異步電機將獲得廣闊的發(fā)展前景。

3.2 電動汽車用動力電池的性能對整車能耗的影響

動力電池在目前的市場上非常普遍，應用較多的分為三種：第一種為鉛酸蓄電池；第二種為鎳氫電池；第三種為鋰離子電池[6]。如果只從能量成本的角度出發(fā)，那么鉛酸蓄電池的能量成本較低，在價格方面具有一定優(yōu)勢，但由于鉛酸蓄電池體積質量大，需要很長的充電時間，充放電速度慢，所以對較高續(xù)駛里程要求的高端電動汽車適用性不強，其比較適用于場地電瓶車，或者為電動自行車的工作提供支持。對于鎳氫電池，雖然此種電池可以應用很長時間，但因為組成部分包括貴金屬，所以成本始終保持在較高狀態(tài)。相比之下，近年來鋰離子電池技術的發(fā)展態(tài)勢良好。鋰離子電池的比能量大，具有長期循環(huán)使用的特點，可以在較短時間內完成充放電，工作環(huán)節(jié)不會受到溫度變化的影響，與電動汽車的動力需求相一致，對電動汽車的工作環(huán)境也表現(xiàn)出較強的適用性。在現(xiàn)代社會，磷酸鐵鋰離子電池技術的發(fā)展步伐不斷加快，該技術各方面性能有了質的飛躍，鋰離子電池的安全性能比之前更強。我國的鋰資源比較豐富，鋰離子電池在我國電動汽車動力電池領域的地位不斷提升，也成為發(fā)展趨勢。諸多因素都會對動力電池能耗經濟性造成影響，例如當工作環(huán)境溫度產生波動時，動力電池能耗經濟性也會隨之上升或者下降；電池的一致均勻性有所不同時，動力電池能耗經濟性也有所不同。依據相關試驗可知，鋰離子電池在冬季（-10℃）時可放出的能量僅為夏季（30℃）的2／3，內阻卻增加了1倍。這將直接干擾到動力電池，其整體工作性能與之前不同。對于單個電池，其與電動汽車動力需求存在偏差，因此往往從電池入手，使其串聯(lián)成組。然后將組電池并聯(lián)的方式融入實際工作中。但由于串聯(lián)組電池具有不均勻的特點，主要是不同組電池的電壓和電阻參數差異，致使輸出功率比不同組電池電壓與內阻均相等時的輸出功率小，之所以出現(xiàn)此情況，主要是因為不同參數的電池組是彼此影響的，當充放電不斷加劇后，功率損耗隨之出現(xiàn)。可見，要想避免動力電池能耗經濟性受到不利影響，那么必須以保障電池組參數為前提。動力電池的研究開發(fā)屬于一項極為關鍵的工作，如果研究開發(fā)良好的情況下，可以進一步推動整個電動汽車產業(yè)的發(fā)展。在此過程中，不僅要研發(fā)充放電性能，還需將更多注意力放在比能量的研發(fā)中，注重循環(huán)壽命的延長等，怎樣解決單體電池的一致均衡性問題是該領域關注的焦點。

3.3 充電站建設對電動汽車能耗經濟性的影響

在電動汽車逐漸趨于產業(yè)化的背景下，電動汽車對充電站配套建設的要求越來越嚴格。主要體現(xiàn)在充電快速化、通用化、智能化、集成化和電能轉換的高效化。對于電動汽車的能耗指標，與其運行能耗存在一定的關聯(lián)性。對于充電站來講，出于對電能轉換效率的考慮，或者想要降低建造成本，使運行能耗越來越少，使其經濟性明顯增強，應優(yōu)先選擇建造成本低、電能轉換效率高的充電裝置。現(xiàn)階段，按照電動汽車動力電池組的技術和使用特性，電動汽車的充電模式涵蓋了以下兩點：其一為常規(guī)慢充；其二為快速充電。對于快速充電，往往以在20min內使較大電流彰顯出自身作用，為電動汽車充至電池標稱儲電量的80％[7]。但快速充電存在一定缺陷，充電完成的速度較慢，面臨著較高的設備成本。而對于常規(guī)慢充，雖然面臨著較長的時間，但具有充電速度快、電流低的優(yōu)勢，有利于循環(huán)壽命的延長，對于夜間低谷時段，將呈現(xiàn)出一定的富余電力，能夠對電網發(fā)揮調峰作用。所以，在充電站構建電池組的快速更換系統(tǒng)的影響下，能夠使電動汽車獲得新的電池組，當應用這種用戶租用、直接更換的模式后，能夠使電動車充電的快捷性更強，提升了電動車充電的方便程度，有效解決車輛使用效率不足的問題。并且，將之前的電池組更換下來后，能夠將夜間低谷時段真正利用下來，從而開展常規(guī)慢速充電，使充電速度更快，避免電池的循環(huán)壽命較短。

4 總結

綜上所述，本文對比分析了電動汽車和燃油汽車的熱效率和能耗，得出了電動汽車綜合能耗更低的優(yōu)勢，也具有熱效率高的特點。并且，本文著眼于整車動力系統(tǒng)、充電設備等針對電動汽車能耗經濟的相關問題展開探討，提出了需注重電動汽車效能的提升，并考慮到其經濟性等策略。由于新能源汽車的推廣力度不斷加大，再加上人們觀念的轉變，將會使新能源汽車的汽車技術迎來發(fā)展的黃金時期，汽車車型種類越來越多，隨著各項技術的不斷成熟，汽車能耗參數將會有所降低。在未來的市場中，電動汽車的發(fā)展步伐更快。

參考文獻：

[1]茹永剛，鄭重，韓元昭，余洋，于志誠，梁秀.我國電動汽車的能效與經濟性分析[J].電氣自動化，2018，40（04）：49-52+91.

[2]唐逵，謝佶宏，王福堅，范毓瑾，邵杰.純電動汽車性能測試評價方法研究[J].時代汽車，2021（10）：60-61.

[3]馮超. 基于HLCA的電動汽車規(guī)模化發(fā)展對能耗及環(huán)境影響研究[D].中國礦業(yè)大學（北京），2017.

[4]曹亞楠.增程式電動汽車性能仿真及試驗分析[J].技術與市場，2018，25（10）：97+99.

[5]周偉. 某微型純電動汽車動力系統(tǒng)匹配設計與性能研究[D].湖南大學，2019.

[6]陳浩. 信號燈控路口智能網聯(lián)汽車經濟性駕駛策略研究[D].東南大學，2021.

[7]張恒嘉. 基于實證的純電動汽車性能評估方法和普及可能性研究[D].武漢理工大學，2019.