新能源車輛發展規律初步探討

現在大家都在討論汽車后續的發展方向。目前，大家討論關鍵詞有：電動化、智能化、網聯化、共享化、輕量化、氫能化、換電模式等等。鮮有認真研究汽車產業發展規律，探尋出汽車發展必然性趨勢。到目前為止，聰明的專家學者、果敢又富有執行力的汽車高管，看汽車發展方向及趨勢，如霧里看花聞花香而不見花美，又如盲人摸象各執一端莫衷一是。所有人均不能給一個明確而具體、權威性和令人信服的趨勢判斷。媒體和學術界經常出現的觀點也是人云亦云，給大眾的印像是新能源汽車發展技術路線是＂條條大路能通北京，大家都在彎道超車＂，但是卻回避走哪一個路徑是最近，造成當前中國的汽車產業全部駛入彎道，忽視了兩點之間直線最近的最簡單常識，誤入歧途，耽誤了發展。

對汽車后續發展方向及路徑的討論，實質上是對汽車發展規律的認識。汽車發展規律具有必然性，單個人對汽車發展規律的認識必定有局限性的。當人們對汽車發展規律認識到位了，就能少些許盲目性。筆者按從汽車發展規律性研究的角度，對研究汽車的發展方向（汽車發展的必然性）予以即研究、得到基本結論：未來發展新能源汽車的直線超車路徑是，短途純電，長途增程的LY混動車，及人工為主、智能為輔的漸進式車輛智能化。

（1） 事物發展的必然性

是指事物發展、變化中的不可避免和一定不移的趨勢。必然性（跟＂偶然性＂相對）是由事物的本質決定的，認識事物的必然性，就是認識事物的本質。而新能源汽車的本質就是能源利用方式的優選。

車是人和物體的位置轉移工具，滿足人的出行需求，實現貨物運送是車的基本屬性。由人力車發展到馬車（牛車）、再發展到機動車（蒸汽車、電動車、內燃機車）自然有其規律所遵循，發展的必然性原因是客觀的。

圖 1 車輛演變的規律是什么？

驅動汽車運動的必須是機械力（機械能），給汽車機械能的裝置是能量源，當前產業化主流的動力源有兩種內燃動力和電動動力兩種。燃料化學能通過燃燒釋放內能，內燃機做功也可以用來發電，用于驅動電動機的。電動動力的能量源則是來自電能。人力、馬（牛）力由肌肉推動車輛，是生物能的持續輸出，蒸汽機、內燃機和電動機的輸出持續的機械能。所有的能源儲能介質，如汽柴油、甲醇、氫能、太陽能、風能和電能都不能直接驅動汽車運動，必須有能源轉換裝置，對汽車而言，電池、汽柴油等是能源儲能部件。發電機、內燃機和傳動機構是能源轉化部件。

內燃機和電動機之間還存在混動，混動車都可以看成是增程車型。市面上各種混動車型、不同的是油電供能比例的不同。根據油電比例的不同，電動化車輛可以有一個新的劃分方式。100％油供能稱為油氣電動化車輛。100％電供能稱為電池車。而短途純電長途增程則稱為增程車。增程車分兩種。第一種是偏油氣車：以滿足城市通勤、短途出行（通常小于60～100公里）的大功率油氣發動機增程車。第二種是偏電池車：當純電續航里程較長（如160～500公里）、根據每次出行的里程需求確定純電續航、當出行距離超過純電距離、選擇小功率發動機作為增程動力，增程發電在電池電量較充足的情況就與電池一起供能。

必需認識到的是，增程車的使用小功率內燃機＋發電機作為轉換部件，其轉換效率要比大規模電站效率低很多，但是因增程車中，偏電池車在每次出行中電能提供能源占比更高，在短途的時候甚至達到100％，而長途的時候，有電池提供能量。整體能源利用效率也比燃油車高。這樣還有一個好處是能夠恰當地提高了能源存儲部件的能量密度。

（2） 電能來自清潔可持續的新能源，用電的車輛離新能源最近

目前新能源類別比較多，車輛不是新能源，而是新能源的利用方式。大部分的新能源，如生物質、光伏、水電、風電其能源的輸出都以電能為主，故未來的車輛必須是以電能為主導，才能實現能源來源清潔可持續。

圖 2 光伏水電生物質等電力來源是清潔可持續的

電驅動汽車發展嘗試了混合動力汽車、插電式混合動力汽車、增程式電動汽車，純電動汽車以及燃料電池發電系統的電動汽車。其中混合動力汽車、插電式混合動力汽車、增程式電動汽車都保留了內燃機。但并不是說利用內燃機就不是新能源，比如使用液態陽光（如甲醇等）的內燃機，也是新能源。只是內燃機轉換能源的效率（最高近50％）遠低于電動機（超過90％），利用電能的控制方式也比內燃機快穩準。但因液態陽光、生物燃料和氫能源的能量密度較電池高出兩個數量級，只能用來作為備用能源提高整車能量密度。內燃機提供的是輔助能源。

（3） 汽車電動化推進十分艱難的緣由

電驅動車輛的出行，比內燃機汽車要早上數十年。內燃機車輛長期占據產業主導位置，電驅動車輛市場份額極低，即便是今天電動車存量在交通工具中的占比仍未達到1％。要從0％發展到100％。這是多么艱難的事情。造成電驅推進艱難的主要原因能源儲能部件的能量密度差異，電能儲能的電池與汽柴油能量密度相差兩個數量級。在汽車上將汽柴油轉換為電能，即便內燃機效率只有30～50％，發電機效率95％，汽柴油轉換為電能其能量密度仍有大幅領先，至少是一個數量級，也就是幾十倍于電池。混動車就是利用了這樣的能源規律。此外還有，混動車的能源轉換部件，如電動機＋傳動，其能量轉換能力及能量轉換部件能量密度也比大功率的內燃機高。

圖 3 混動車要集中純電池和內燃機車的優點

而這樣的混動，如增程方式，盡管其小功率內燃機＋發電機的能源轉換部件能量密度比大功率內燃機更高，工況穩定內燃機效率也更高。但因其能源轉換經過好多手，第一手內燃機，第二手電力電子變換，第三手電動機，然后才是能源的有效輸出機械能，有些還要經過電池的充放電，兩次電力電子變換。最多是經歷了六道手，每經手一道能源變換環節，都會有能源的損失。這是當前車載內燃機增程器無法推廣的基本原理。如何降低能源變換次數，是提高增程車輛能源有效轉化為車輛機械能的效率方法之一，增程系統的能源密度較當前主流鋰電池高數十倍以上，這樣的輕量化可以降低車輛能源損耗。也是提高車載能源轉為車輛機械能的有效方法。

故增程式車輛具備融合電動車、內燃機車的優點。

（4） 發展新能源汽車的基本途徑

新能源包含光伏、水電、風電等可持續清潔的電力，還包括液態陽光，氫能源和生物質燃料等等能源來自太陽能的化學內能。發展新能源汽車就是發展利用太陽能的方式。

什么樣的太陽能利用方式才是最好的呢？借助＂WTW＂油井到車輛的概念，有＂STS＂即＂solar to service＂太陽能到服務人生產生活的效率。

這個效率有三類：

第一類效率是＂STS＂的能源轉換效率，如光伏發電效率，電機效率等。

第二類效率是＂STS＂的經濟效率，即單位能源成本。如度電成本，燃油燃油價格等。

第三類是＂STS＂能源轉換裝置成本效率，即單位能源的轉換成本，如家里煮飯的電飯煲成本，電動化車輛購置成本。

這三種類效率是用來判斷新能源汽車好壞的客觀標準。

車用電動機的發展具有必然性，是因為電動機能源轉換效率最高、電能是當前能源種類中較便宜的能源，此外電機的制造成本也較內燃機、燃料電池等等能源轉換裝置更低。車用電動機的必然性是有前提的，這個前提條件是車載電能足夠多，足夠便宜。

車載電能來源有多種途徑，目前主要有：

1） 電化學儲能電池，如鋰電池。

2） 車載電磁感應發電，如增程。

3） 燃料電池，如甲醇燃料電池等。

4） 其他。

（5） 儲能電池能滿足驅動電機的要求嗎？

早在130多年前，鉛酸儲能電池就能滿足提供車載電能需求，并在內燃機技術成熟前成為主流出行方式。但因電化學儲能電池較燃油內燃機的能量密度性能缺失，電化學儲能電池失去了市場價值。

進入二十一世紀，經過二十年的努力電化學儲能中的佼佼者，鋰離子電池能量密度獲得極大的提升，到2018年，量產化的能量密度已經超過300WH／KG。固態電池的實驗室水平已經普遍獲得600WH／KG，目前實驗室電池最高能量密度水平是Innolith AG達到1KWH／KG。理論上電池最高能量密度則是2018年Goodenough研究室Braga女士開發出來的Li－S化學電池與超級電容復合類電池，其理論值達到8KWH／KG。實際有望達到30～40％。也就是3．2KWH／KG。

我們知道阿波羅登月工程中使用的最高化學能源是氫氧燃料，其能量密度只有4．41KWH／KG。如果Braga提出的電池達到理論水平8KWH／KG，那么人類將進入星際時代。百年內，月球、火星上將會有超大城市出現。故電化學儲能解決地面的交通出行問題是完全沒有問題的。

（6） 最佳的新能源車輛發展技術路徑是車輛能更好地利用能源

經過上面的論述，什么樣的車輛發展技術路線才是最佳的呢？在＂STS＂的判斷標準下，我們得到了最佳的利用能源的方式才是最佳的車輛技術路線。

我們先看一種全新的增程系統結構

圖 4 新型增程車典型圖

如圖4，這是一輛帶發電功能的純電動車，也是一輛增程車，當車身前艙增加一套增程發動系統，就可以通過傳動帶動發電電動機A發電。以圖4增程車結構為基本動力配置原理，可以設計出下面三種類型產品。

第一種：車上動力系統總功率小于60KW的48V系統車輛，短途純電，長途增程。購車成本3～6萬。用來取代摩托車、三輪車、電單車。市場容量1億輛以上。

第二種：純電動乘用車、增程乘用車、外置增程乘用車、偏油氣車、混動車。這些車輛根據市場需要設計，種類多。未來車輛技術方式以外置增程，短途純電長途增程為主，其他技術路線并行發展。

第三種：耗電量大（噸百公里電耗大，整車電耗也大）如卡車、大型貨車、大型客車等。假設耗電量60度每百公里以上，可以通過增程、純電和牽引機的方式實現能源的調配。

這三種大類產品設計中需要遵循下面原則

1） 車載能源按需配置

2） 交通工具單次補能從A地點到B地點。所耗費的能量，除以整車空載質量成為稱為有效能量密度。交通工具單次補能從A地點到B地點。所剩余在車上的能量，除以整車空載質量稱為備用能量密度。

3） 車載能源的補能方式非常重要，盡可能給增加補能方式，如加油，慢充，快充，機械補能，外部牽引補能，制動饋能。

4） 無勝于有，對于車輛有限的能源來說，車上任何東西能無勝于有。比如增程系統，在大多數時候用不到，只是作為備用，沒有增程系統的增程車是最好。

5） 盡可能復用車上已有零部件，分時復用，分地點復用。比如利用增程系統在車輛停下來的時間作為生物質發電系統。利用備胎作為增程器結構件。利用車身作為能源部件。

圖4的新型增程車結構，是一個能源消費和生產終端，在能源的角度中扮演重要的角色。

關于這方面的論述詳見筆者所寫的一本能源科技筆記的書里。目前已有20萬字的內容，尚不能完全講述清楚。故這里只能簡單介紹。

（7） 化石能源還要繼續使用嗎？

我們不要去爭論溫室效應是否發生，是否會深刻影響人類未來。也不去討論化石能源什么時候會枯竭。這些爭論沒有意義，干就對了。按照本文描述的技術路線，未來十年內，石油等化石能源將退出市場，不是因為沒有石油了，而是因為石油作為能源來使用太過于昂貴。居民用電才0．6元每度，而燃油相同做功換算度電成本超過2元，部分場合超過4～5元。我們發展新能源生產、利用技術，是出于經濟效益。

（8） 固態電池技術正在成熟，純電動車使用超大車載電能即可，為什么還需要增程系統？

即便最好的實驗室水平1KWH／KG能量密度，實現了量產，價格也很便宜。但仍舊無法跟短途純電，長途外置增程的模式競爭。從能源角度來看，任何能源都是有成本。增程器通過租用的方式，成本最低。至于換增程系統和換電池兩種方式比較，換電池也能通過租用降低電池成本。但是電池更換需要專門場地，電池的能源密度也比增程系統低。此外，大電池的補能方式只能用快充。這樣有局限的補能方式也會影響大電池、換電池的模式。小電池＋增程就沒有這些問題。

（9） 電動汽車是發展智能汽車最佳載體

當前電化學儲能的電驅動車輛，落后內燃機的是續航里程。但電動化車輛因電能的控制快為準。電動化車輛是人工智能的最好載體。交通工具的智能化，無人化必定以電驅動為主。得益于通信技術，人工智能等信息技術的發展。互聯網汽車、智能化汽車和完全自主無人化的汽車將是產業的前沿方向。目前鋰電池水平已經基本滿足出行需求（如300公里續航以內）

，在這個能源儲能水平上，可以大膽利用電動化車輛平臺實現互聯網化，智能化，無人化的進階級產品開發。

當前發展以電動化車輛為平臺的信息技術去操控能源，這是互聯網化、智能化、無人化的目的。在有人的車上，如家用乘用車，發展無人駕駛是不經濟、不可行、不安全的。即便車輛達到了L5級，完全取代人的操控。乘用車上有人，人來操控能源才是最好的利用方式，智能化的駕駛適合作為輔助。聯網、智能和無人化的更多的適用場合是移動工作場所，如農業機械、拖拉機收割機。商業車輛，貨運卡車，集裝碼頭，掃地車等等，這些移動工作場所實現聯網、智能和無人化后，產生巨大的經濟效應。并且，有些場合聯網、智能和無人化的實現成本非常低。下面用電動卡車，大貨車車來說明，如何零成本實現無人化。我們先看一下幾組圖片。

圖 5 電動化貨車無人牽引機和有人牽引機

圖 6 可低速短途行駛的貨車車身和牽引機的對接示意圖

圖 7 一臺完整的大貨車

圖 8 兩個車身和一個無人牽引機、一個有人牽引機組成的大貨車

圖 9 三個車身和兩個無人牽引機、一個有人牽引機組成的大貨車

如圖5～9所示。

圖5的無人牽引機可以實現人工智能的無人駕駛，或者僅提供牽引動力。有人牽引機需要司機駕駛，人工智能輔助行駛。牽引機是由一個固定的增程系統，發電電動機、動力系統等和200～400公里續航里程所需可調整電池組。也就是說這個車輛最大的純電續航在500公里，

圖6車身也是一輛純電動車。可以在沒有車頭牽引機的情況下保持低速移動，有電動駕駛室。開車身就如同開電動玩具車一樣，還可以遙控操作。其電池可以滿載續航5～10公里，最高時速滿載20公里每小時。車身可以配置快換電池組。電池組可以擴容到滿載續航100公里。

圖7是一輛大貨車，圖8是兩輛大貨車，圖9是三輛大貨車。依次類推，如果路況允許，這種編組式車隊可以增加到數十輛大貨車。通常大貨車需要兩個司機，數十輛大貨車需要數十名司機。而得益于電能控制的快穩準，編組式車隊只需要2名司機。其聯網、智能和無人化的成本幾乎為零。

在作者從事十幾年的工業自動經驗中，電氣化、自動化、智能化的不論規模大小、完全無人化是做不到的，工業自動化的場景中，控制系統的輸入擾動更小，尚且需要人工干預才能夠達到最優的輸出效果。車輛行駛場景，當控制系統的輸入波動大，擾動更大。根本無法實現完全無人化的駕駛，換個說法就是，如果生產汽車的生產線未能完全人工智能化，無人化。自動駕駛功能也無法超越生產汽車的生產線。（這里說的是量產化，規模化有經濟效益的情況下，試驗情況下，者冗余控制、大量儀表加人工智能算法等昂貴技術，自動駕駛是完全沒有問題的。）

由此可見，未來車輛技術中，對聯網、智能和無人化有需求的是移動工作場所的車輛，這些需求并非一定要通過人工智能、昂貴的儀表設備去實現無人化，即便是簡單的編組車隊，也可以實現無人化。掃地車輛通過簡單碰撞轉向，也能實現無人化。農業機械、農用車輛也是實現基本自動化即可應用。

本文有少量內容（少于5％）借鑒了雷博士文章，已經獲得他微信上的許可。再次表示感謝。

本文作者：LY說新能源 

引用連接：https://nev.ofweek.com/2019-08/ART-71011-11000-30403089.html