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中稷铭洋韩建方:谈第三代电动汽车冷机技术对续航里程的改变

收藏 评论 时间:2017-02-08 11:07 作者:韩建方 来源:韩建方

本世纪以来,电动汽车呈现爆发式发展态势。欧洲、日本、美国和中国四大集团在短短的十年之中一起发力,向电动汽车取代传统燃油汽车的目标发起了最后冲锋。

目前,全球汽车巨头都殚精竭虑地角逐电动汽车战场,无不使出浑身解数力争获得未来电动汽车技术的领导权,在这场竞赛中,虽然中国在2015年取代美国成为新能源汽车销量排名的世界第一,2016年这一优势进一步扩大,但这仅仅是因为政府的补贴政策刺激出的结果,数量上的优势并不意味着技术上的领先,中国汽车企业在核心技术上却并没有太多的建树和重大的突破,欧洲也同样,主流电动汽车的核心技术主要有日系和美系两大分支。

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日产聆风电动汽车

目前,全球电动汽车市场异彩纷呈,诸多品牌争奇斗艳,但所有的在售纯电动汽车产品所遵循的不外乎两条大相径庭的技术路线,这两条路线对构建未来电动汽车的生态系统都有截然不同的判断和设计策略,从而形成了两个截然不同的技术体系。

1. 以日产聆风为代表的日本技术路线,也可称为纯电动汽车的1.0版或第一代电动汽车。其特征是:

① 它来源于日本最擅长的混合动力汽车,因而具有混合动力汽车的创作逻辑和“胎记”。

② 日产聆风技术方案认为在制造成本和续航里程这两个选项中,应该更倾向于较低的制造成本,而牺牲掉较长的续航里程,这一点与混合动力汽车的理念完全相同。因此,纯电动乘用车不应装载过多容量的电池,20~25kwh足矣,虽然续航里程不超过200公里,但整车售价却有望压缩在同规格燃油车的2倍以下,这样才能被宽容性市场接受。

③ 而电动汽车的动力输出应该与同款式燃油汽车相当,安装1.6L发动机的A级车改用电能作为动力,换算出的单速比电动机最大输出功率就应该达到80KW左右。在这种前提下,用20kwh左右的电池去驱动最大功率80kw左右的电机,就必须延续混合动力汽车的方案采用倍率型电池,电池的放电倍率特性就应该达到10C。

④ 电能补给方式应该选择快充模式,而储量较小的电池在技术上更容易实现快充,目标是在10分钟内可充满80%,这样就可以弥补续航里程不足所带来的缺陷。

这就是日产聆风(电动汽车1.0版本)完整的技术体系。中国除了比亚迪外的绝大部分车企在日产聆风问世以后都不约而同地采用了与燃油汽车相同的跟随策略,都接受了日产聆风的技术方案,而且产品也都是日产聆风的模仿版。

这个技术体系是否可行,取决于两个条件:一是10分钟快速充电技术取得突破。倘若如此,这个技术体系才堪称完美。二是电池寿命足以使车辆行驶30万公里,实现电池与车辆同寿命。

因此,日本四大车企与十几个专业公司自2008年起就成立快充协会,并设立了十几亿美元的快充技术开发基金,遗憾的是,经过6年的研发,烧掉十几亿美元后,事实证明大电流快充无法与电池内导体、电解液、隔膜和极耳的电流通过能力相匹配,无法阻止给电池带来的损伤,快充不具有技术上的可行性(目前中国车企和特斯拉所提供的快充模式,已经不是真正意义的快充,而是中速充电)。因此,日本的快充协会在2014年解体,并导致日本车企一度放弃对锂电汽车的研发而转向主攻燃料电池汽车。

而电池的里程寿命是一次充电续航里程与电池的循环周次的乘积,在续航里程不足200公里的前提下,同样的循环周次所能实现的电池里程寿命就非常之低。日产聆风在东京投放的150辆出租车不到3年,续航里程就衰减到几十公里。事实说明,这个技术路线在两个关键性环节上都遭受到了巨大挫折。 

2. 以特斯拉model为代表的技术路线,也可称为电动汽车的2.0版本或第二代电动汽车。这条技术路线的特征是:

① 在续航里程与整车成本的选项中,更倾向于选择较高续航里程,而牺牲掉较低的整车成本。400km以上的续航里程基本上解除了用户的里程焦虑,但整车的售价也成倍增长,使产品成为了“富人的玩具”。即使如此,也能培育出具有一定规模的“小众市场”。

② 要使车辆有足够的续航里程,就必须装载容量较多的电池,电池容量甚至达到日产聆风的4倍,就可摊薄单体电池的放电电流,3C放电就足够了,因此,就没有必要使用高倍率电池,而是匹配高能量电池——这是电动汽车2.0版本的重要特征。

③ 由于电池装载量较大(90Kwh),10分钟快速充电(6C)在技术上就更加困难。要对装载90kwh电池的车辆进行10分钟快充,不仅电池会遭受不可逆的伤害,而且充电器的功率必须达到500kw以上,一个充电器就需要匹配一个630kva的独立变压器,如果在一个停车场安装10个快速充电装置,连电网都无法承受。因此,10分钟快充不适合2.0电动汽车,特斯拉与车辆相匹配的电能补给方式就是以慢充为主,以名为快充实为中速充电为辅的充电方式。

④ 特斯拉model由于续航里程提高到400km以上,即使夏季开空调、冬季开暖风仍能续航300km左右,基本上可以满足车主的心理需求。较长续航还可以产生更重要的结果:假设特斯拉model和日产聆风所用电池循环周次相同,都是1000次循环,而电池的里程寿命则是循环周次与续航里程的乘积,前者电池的里程寿命就是40万公里,比后者的16万公里大幅度提高。

而实际上因为日产聆风的电池负荷相当于特斯拉model的3倍,导致其电池的循环寿命比model低25%,其里程寿命就只能达到12万公里,结果就是特斯拉技术体系的电池里程寿命就超过了日产聆风3倍——虽然车主在前期要付出较高价格购买车辆,到后期就免除了更换电池的费用,从这一点来说,第二代电动汽车比第一代电动汽车更具有长远眼光。

以上就是特斯拉model(电动汽车2.0版本)的完整技术体系。中国的比亚迪是在日产聆风、特斯拉model还没有问世时,就采用了有别于日产聆风,而与特斯拉相近似的技术,区别是采用了倍率型的铁锂电池,在更新为能量型三元电池后,就与特斯拉技术基本一致了。而中国的其它车企,模仿日产聆风N年后,直到近2年,才摒弃了聆风技术而向特斯拉技术体系靠拢。

但是,特斯拉model(电动汽车2.0)仍然存在许多致命缺陷:

(1)车辆的长续航与低廉价格不可兼得,昂贵的售价使其无法进入平民车市场,虽然特斯拉要开发3.5万美元售价的A级车,但势必牺牲掉400km以上续航的原有优势。

(2)装载60-100kwh电池来维持高续航,就必须使用高能量电池,单体电池的能量密度就应该大于200wh/kg,甚至超过300wh/kg。但随着电池能量密度的提高,其工作时的温升就会更加剧烈,安全性随之变差。因此,就必须对电池进行温度管理,甚至用制冷方法使其降温。其结果反而增加了电池箱的重量、增加了整车成本和用电负荷,降低用电效率,安全性仍然存在重大隐患。

(3)由充电桩来提供电能补给,其效率极低。一个拥有200万辆机动车的城市,建设10万个充电桩对于少数车辆来说,是可以满足需求的。但如果电动汽车的数量上升到机动车保有量的50%,要为100万辆电动汽车提供充电桩和充电车位,就完全没有可能性。尤其是对营运车辆来说,漫长的充电时间会挤占其出勤时间,这是出租车和网络约车车主不可接受的。而营运车辆的运行强度和废气排放是私家车的5-10倍,若不能为营运车辆提供高效率的电能补给,就意味着这样的技术体系不完美。

(4)对私家车来说,30万公里的电池里程寿命已经基本令人满意,但对营运车辆来说,单班出勤的出租车每日行驶300公里左右,双班出勤的出租车每日行驶500公里左右,年行驶10-16万公里,按照2.0电动汽车的电池里程寿命计算,2-3年电池就达到了30万公里的寿命极限,就无法正常使用了,在8年的车辆使用期内,需要更换2-3次电池组,这是任何一个出租车主也不愿意承受的。因此,特斯拉技术体系无法适应出租车行业的要求,而这个行业,才是考验电动汽车的“试金石”。

比亚迪在踌躇多年后,终于在太原建成了电动出租车全面替代燃油出租车的样板工程,但经过不到一年的试验,已经暴露出来了诸多问题,车辆昂贵的价格迫使政府为高出燃油车售价的部分买单,和出勤率大打折扣就是无法克服的重大缺陷,随着试验的延续,电池寿命的问题就逐步暴露出来,最终将导致这个样板工程无法在其它城市复制推广。

综上所述,无论是1.0版本(日产聆风)还是2.0版本(特斯拉)的电动汽车都不是可以取代燃油汽车的电动汽车终极方案。

第三代电动汽车技术体系

第三代电动汽车是中国原创技术的结晶,它是由清华大学经济学研究中心蔡继明教授领导的电动汽车研发小组,由韩建方特邀高级研究员领衔,历经7年时间攻坚克难、艰苦研发的技术成果。该成果在两款电动汽车样车上得到了充分的体现,这两款电动汽车分别是基于凯翼C3平台开发的工况续航340(单体电池容量为2.2ah)、390km(单体电池容量为2.6ah)的换电模式电动三厢轿车,和基于凯翼V3平台开发的工况续航430km(单体电池容量为2.2ah)、508km(单体电池容量为2.6ah)、625km(单体电池容量为3.2ah)的充电换电双模式电动7座SUV。这两款电动汽车在关键技术指标上已经明显超越了日产聆风和特斯拉model。

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2016海天盛筵展会亮相的中稷铭洋V3EV纯电动SUV(即奇瑞凯翼C3EV)

三代电动汽车的典型特征和技术指标:


第一代

第二代

第三代

第三代

代表车型

日产聆风

特斯拉model S

华炬EV(待上市)

华炬V3(SUV)EV

××


4970*1964*1445

4250*1720*1510

4665*1790*1750

整备质量

1260kg

2200kg

1360kg

1780kg

采用电池类型

倍率型

能量型(不安全)

低温升型(安全)

低温升型安全

电池规格

叠片式

圆柱18650

圆柱18650

圆柱18650

单体电池容量


3.4AH

2.2AH

2.6AH

电池储电量

24kwh

90kwh

40.5kwh

77.8kwh

电池箱重量

320kg

950kg

285kg

430kg

电机额定功率

40kw(中)

120kw(高)

18kw(低)

20kw

电机算术平均效率

0-10000转低于80%(低)

0-15000转<80%(低)

0-5000转>90%(高)

0-5000转≥88%

电机加权平均效率

75%

75%

92%

90%

电机冷却方式

水冷(耗电)

水冷(耗电)

自然风冷

自然风冷

电池工作强度

9C放电(高)

3C放电(中)

1C放电(低)

1C放电(低)

匹配充电模式

快充(失败)

充电桩(效率低)

自动换电(效率高)

充换双模式

工况续航里程

160km(低)

420km(高)

>340km(高)

>518km(超高)

最大续航里程

200

557km

430km

668km

市区100km耗电/吨

10.3kwh/百km(高)

9.2Kwh/百km(中)

7.9kwh/百km(低)

7.8kwh/百km

(很低)

百kg电池箱工况续航里程

50km

50.52km

121.32km

117.44kg

车辆售价

24万元(中)

85万元(高)

裸车<10万元

裸车:16万元

电池寿命

8-12万km

20-25万km

终身质保

终身质保

安全性

大电流放电(安全性差)

高能量电池(安全性很差)

小电流放电(安全性好)

小电流放电

(安全性好)

最高车速km/h

144

240

140

135

0-100km时间

10.74s

5.1s

12s

12.5s

在所有18项可比较的关键技术指标上,第三代电动汽车华炬三厢轿车EV和华炬SUV纯电动汽车获得16项最优,只有最高车速和0-100公里加速时间比日产聆风略差,比特斯拉model的指标落后不少,但特斯拉model是豪华车,其价格高出3倍,追求的是跑车的感觉,而这种追求并不符合电动汽车的节能、环保理念。从这个意义上说,第三代电动汽车所具有的绝对优势地位无可比拟。因此,只有第三代电动汽车才能破解制约电动汽车全面普及的“四大难题”,其产品必将在未来的市场竞争中强势胜出。

第三代电动汽车技术体系的技术策略及效果

3.0版电动汽车之所以技术指标远远超过1.0、2.0版电动汽车,是因为其技术策略与1.0、2.0电动汽车完全不同,导致了技术指标的巨大差异。什么是3.0电动汽车的技术策略呢?

(1)1.0、2.0电动汽车技术是把电动汽车定义为燃油汽车的电动版,除了动力系统不一样外,其它都应该完全一样。因此,就以车辆特性为出发点去规划设计与之匹配的电池及三电系统。而3.0技术认为,电动汽车应该以动力电池的特性为出发点,最大限度地发挥电池特性,按照电池特性来规划设计整车及三电系统。

(2)电池只有在小电流放电、低温升的情况下才能实现寿命和安全性的最大化,而这两点,是电动汽车生死存亡的关键。因此,EV技术就应该以电池小电流放电、低温升为前提来规划三电系统,其关键性指标就是容动比——就是电池储电量与动力总成额定输出功率(包括对三电系统进行散热的辅助能耗)之比。

拿日产聆风和model为例,电池容量分别为24kwh、90kwh,电机额定输出功率分别为40kw、120kw,辅助能耗分别为2.5kw、6kw,容动比计算结果就是0.56:1和0.71:1,这就决定了聆风只能采用笨重的倍率型电池,而且续航里程和电池寿命都很短;而modeld 的电池工作强度相比聆风已经大幅度下降,电池寿命相对会更长。但根据电池特性,只有当容动比指标大于2:1时,电池的安全性和使用寿命才有可能实现最大化。所以,1.0和2.0电动汽车都不符合要求。

(3)容动比指标是电池容量与电机额定功率之比,提高容动比就有两个途径,一是增加作为分母的电池容量,二是降低作为分子的电机功率。增加电池容量必须符合电池箱重量不超过整车重量的25%的合理限制,可以通过提高电池和电池箱能量密度的方法来解决。降低电机功率,应该以车辆最高时速不低于130公里、0-100公里加速时间不大于15秒为前提(相当于1.5L发动机乘用车的动力性能)。能否开发出即能达到整车技术性能指标达标而耗电功率又很小的电机,就是获得高容动比指标的关键。

(4)1.0、2.0电动汽车是将燃油汽车的“热机”理念嫁接到电动汽车上,认为电机、电控、电池在工作中的温升和发热都是像燃油发动机一样是理所当然的,硬是把三电系统当成“热机”来对待,都需要进行强制冷却。而3.0技术所关注的就是1.0、2.0电动汽车忽略的方向——三电系统的巨大潜力,只要将三电系统合理匹配、优化设计,就可以将其改造为“冷机”动力系统,就无须对电池、电机和电控进行强制散热,可将省掉的强制散热装置的重量用增加的电池替代,可在不增加车重和成本的情况下大幅度延长续航里程和电池的里程寿命,最终实现超高续航里程和电池终身质保。

(5)要想让电机、电控、电池成为“冷机”,就可采用如下技术途径:窄幅转速电机及其传动组合,比日产聆风、特斯拉电机效率更高。在电机的参数设计中,如果电机采用单速比模式,要想让车辆时速跑到200公里以上,电机转速就只能采用宽幅设计,比如0-15000转,就必须兼顾低转速区和高转速区的特性指标,就很难实现超高的最高效率。

而电机匹配多档变速器,只需要0-4500转的窄幅转速范围,就可以实现最高140公里的时速,还可获得了97.5%的最高效率、和400-4400转范围内94.13%的算术平均效率,都显著超过了日产聆风和特斯拉的电机。尤其是单速比车辆在时速低于20公里和高于80公里的区间,电机都工作在低效区,从而降低了电机的加权平均效率,在综合工况下,其加权平均效率仅为75%左右。而3.0版驱动系统采用多档变速器,使电机工作在高效区(效率超过80%)和超高效区(效率超过95%)的概率大幅度增加,从而使加权平均效率达到92%以上,比单速比驱动系统高17%左右。

由于效率极高,在能量转换过程中的温升就极低,整个动力系统就成为不需要强制散热的“冷机”,即使多档变速器比单速比减速器增加能耗5%,其组合效率仍然有12%的巨大优势。

(6)由于3.0版技术的电机通常都工作在高效和超高效区,无须对电机和控制器进行强制水冷,只需要自然风冷就可以解决散热问题。因此,这项技术填补了大于50kw驱动电机采用自然风冷的全球空白,不仅降低了动力总成的成本,还节约了水泵、风扇的辅助能耗,使动力系统的综合效率比第一、第二代电动汽车提高20%以上。这就意味着,在电池装载量相同的情况下,3.0版电动汽车比1.0版、2.0版电动汽车的续航里程高出20%以上!

(7)由于3.0版电动汽车采用了电机与变速器匹配方式,就大大降低了驱动车辆正常行驶所需要的电机功率,额定20kw电机就可以实现单速比电机40kw额定功率相同的技术指标,从而使电池负荷明显下降。此外,研发与3.0版电动汽车匹配的高安全性、低温升动力电池在技术上没有瓶颈,电体电池1C连续放电的温升仅为2.5℃已经开发成功,在电池装载量大于40kwh的情况下,不仅可取得工况续航里程超过340公里的优异指标。

而且电池的极限放电强度仅为1C!这种技术使电动汽车达到了接近于“冷机”的新高度,就无须对包括电池的三电系统进行强制散热,显著降低了电池箱重量,电池系统的能量密度达到160wh/kg以上,大大超过了四部委关于2017-2018年补贴标准的120wh/kg的上限。不仅如此,还降低了电池组的成本,进一步节省了电耗。使电动汽车最重要技术指标——吨百公里(工况)耗电仅为7.8kwh,比聆风和model低20%左右;百公斤电池组工况续航达到创记录的200吨公里,比聆风和model高出80%以上!

(8)3.0电动汽车技术在电能补给上采用超高效率的全自动小型充换电站技术,更换电池仅需要1.5分钟,收费、换电一气呵成,比加油还方便。而这种配套设施仅需要占地400平方米,仅需投资300万元,就可为200辆出租车或1000辆私家车提供服务,不仅投资效率、工作效率远高于充电桩,而且可建在立交桥下、绿化带和宽阔道路旁,还可以在居民小区中建占地100平方米的便利充换电站,为车主提供包括电池租赁、充电换电、电池维护等便捷、廉价的服务。这种技术将带来革命性结果:

①兼容裸车销售、电池租赁,使电动汽车最终能在售价上与燃油汽车持平,成为后补贴时代电动汽车的主流营销方式。

②兼容电池维护,可为用户提供电池终身质保的服务,使用户彻底解除对电池寿命的后顾之忧。

③兼容电池的二次利用和电池回收,可将低于初始容量85%的电池流转到低速电动汽车、储能电站等别的用途,直到将报废电池集中拆解、分类回收利用。

④在充换电站由专业人员、专业设备对电池进行有监控的充电,可最大限度保证电池安全,彻底杜绝电动汽车在充电过程中的燃烧事故。

⑤由充换电站集中对电池充电,可以充分利用晚上23点到凌晨6点的低谷时段进行充电,大幅度降低充电费用,不仅使车主受益,而且可为充换电站的投资者带来合理收益。

因此,电动汽车3.0技术不是一两个方面的单项技术,而是一个能将目前全球最有成就的日产聆风和特斯拉远远超越的颠覆性创新的完整技术体系,这个技术体系的样车已经经过了几十万公里的耐久性、可靠性路试,所表现出来的优异性能指标已经说明了一切。尽快将3.0技术电动汽车进行检测、鉴定、申请公告目录、打造样板工程,实现大批量生产,将会是电动汽车领域革命性事件,也必将为合作车企、投资人带来一举冲向全球电动汽车技术巅峰的天赐良机!

目前,电动汽车3.0技术已经在样车上得到了试验数据的验证,在电池能量密度低于250wh/KG的前提下,采用3.0技术已可开发出工况续航600~700Km、最大续航800~900km的电动乘用车了,这就是3.0整车集成技术带来的结果。但量产还要在车辆取得公告后,大约在今年下半年可上市销售。所以,电动汽车3.0技术体系是解开锁链的钥匙,尽管现在仍在"潜水",但离全面走上市埸舞台的那一天已经不远了。

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作者韩建方系河南省政府电动汽车领导小组专家委员会委员、中稷铭洋电动汽车公司CTO

本文由EV世纪网投稿作者撰写,他们为本文的真实性和中立性负责,观点仅代表个人,不代表EV世纪。感谢作者供稿,也欢迎更多关注电动汽车的专家、学者、车主等前来投稿,投稿邮箱:yangshiming@21cnev.com。


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