汽車工程專業(yè) 電動(dòng)汽車與燃油車的比較

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1、課程報(bào)告 摘要：電動(dòng)汽車以其能夠做到“零排放”而被各國政府大力推廣。隨著電動(dòng)汽車越來越頻繁地出現(xiàn)在人們的視野之中，我們也能夠聽到一些質(zhì)疑其清潔性的聲音。本文從各方面對比燃油車與電動(dòng)汽車對能量的轉(zhuǎn)化效率，從而得出電動(dòng)汽車從原理上就比燃油車能量利用效率更高、更節(jié)能的結(jié)論。 背景： 電動(dòng)汽車因其清潔性而廣受贊譽(yù)，并得到了眾多環(huán)保人士的廣泛支持。然而，我們能夠從網(wǎng)絡(luò)上以及部分車企的宣傳中聽到了一種截然不同的聲音：當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)技術(shù)已經(jīng)非常發(fā)達(dá)，其效率早就比電廠的蒸汽輪機(jī)要高。中國目前的電力有百之七十來自燃煤發(fā)電。在燃燒、發(fā)電、并網(wǎng)、轉(zhuǎn)換等一系列流程中，又會(huì)有很大的一部分功率損失，因此電動(dòng)車比燃油車更

2、加耗能。實(shí)際上，這是一個(gè)偽命題，我們將以能量在燃油車與電動(dòng)車的來源與去路詳細(xì)分析說明電動(dòng)車比燃油車更加節(jié)能這一事實(shí)。 讓我們不妨從能量的來源說起。傳統(tǒng)燃油車所用的發(fā)動(dòng)機(jī)是一類內(nèi)燃機(jī)，通過向氣缸內(nèi)噴油并使用火花塞點(diǎn)燃混合氣體，產(chǎn)生對 的一個(gè)壓力并以此帶動(dòng)曲軸連桿對外做功。而中國大范圍使用燃煤機(jī)組的工作原理則是使用燃煤鍋爐將水加熱至高能蒸汽狀態(tài)并推動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。從能量轉(zhuǎn)化的流程上來說燃煤機(jī)組的理論熱效率與內(nèi)燃機(jī)相比的確處在劣勢地位。不過當(dāng)前，我國煤電機(jī)組的平均熱效率在30%左右，而目前世界領(lǐng)先水平車用內(nèi)燃機(jī)的熱效率在40%左右，差距不算太大。不過，前文所述的錯(cuò)誤論點(diǎn)忽略了這樣

3、一個(gè)重要的事實(shí)：內(nèi)燃機(jī)并不能隨時(shí)達(dá)到最佳的熱效率。如圖表1所示，內(nèi)燃機(jī)到達(dá)最佳熱效率的條件是非?？量痰?。它通常需要大約維持在2500轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速以及較低的扭矩的條件下，內(nèi)燃機(jī)才能到達(dá)最佳的工況?？紤]到在城市中路況非常復(fù)雜，加減速的場景非常多樣，轉(zhuǎn)速以及扭矩的突躍使內(nèi)燃機(jī)經(jīng)常在最大效率區(qū)間以外工作，在車輛運(yùn)動(dòng)的過程中，能夠滿足內(nèi)燃機(jī)最大熱效率運(yùn)行的條件幾乎不存在。在當(dāng)前各種工況下測算得到的發(fā)動(dòng)機(jī)對外做有用功平均熱效率大約在27%左右。然而，電廠燃煤發(fā)電機(jī)組的情況卻大不相同。蒸汽輪機(jī)組零部件復(fù)雜且體積龐大，啟動(dòng)過程非常棘手，因而，絕大多數(shù)燃煤發(fā)電機(jī)組從設(shè)計(jì)上就以連續(xù)不間斷運(yùn)行作為先決條件。因此，電廠內(nèi)

4、部的工程師們可以對運(yùn)行中的蒸汽輪機(jī)組的參數(shù)進(jìn)行不間斷的監(jiān)控，調(diào)節(jié)，優(yōu)化，使其能夠一直維持在最高熱效率運(yùn)行。因此，電廠蒸汽輪機(jī)組的實(shí)際熱效率是要遠(yuǎn)高于汽車內(nèi)燃機(jī)的。而隨著國內(nèi)超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組的推廣使用，燃煤發(fā)電的熱效率有望逐步提升到50%，可以說在不久的將來，內(nèi)燃機(jī)效率早就比電廠的蒸汽輪機(jī)高這一觀點(diǎn)也將要被動(dòng)搖。 再從能量傳遞的角度來分析。電動(dòng)車能量在傳遞，轉(zhuǎn)化過程中散失的核心位于電網(wǎng)效率、電池充放電過程中的損耗，其余的電能損失因素由于電路長度較短，布局與設(shè)計(jì)還可以進(jìn)一步優(yōu)化而忽略不計(jì)。當(dāng)前電網(wǎng)整體送電效率在95%左右，而又考慮到電池的充放電的過程中會(huì)有大約百分之十的損耗，因而可知整體上電能

5、的轉(zhuǎn)化與傳遞過程中的效率在85%左右。而我們也應(yīng)該注意到，內(nèi)燃機(jī)汽車的傳動(dòng)過程中也存在著摩擦損失，通常包括變速箱齒輪之間的摩擦，變速箱油流動(dòng)時(shí)的攪動(dòng)阻力，變速箱皮帶的打滑現(xiàn)象以及換擋瞬間的能量損失等諸多因素。根據(jù)汽車之家的輪上功率測試數(shù)據(jù)，目前主流家用車型的傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合效率在80%左右，部分車型甚至低于80%，只有少部分性能車的傳動(dòng)效率可達(dá)到將近90%。因此，在能量傳遞的過程中可近似認(rèn)為二者在性能指標(biāo)上大體相當(dāng)，可以平起平坐。 最后，我們還應(yīng)當(dāng)注意到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理上的一個(gè)重大差異。燃油車的內(nèi)燃機(jī)是不能夠隨意停止運(yùn)行的，其動(dòng)力輸出直接與變速箱、壓縮機(jī)等機(jī)械系統(tǒng)相連。因此，搭載于燃油車上的內(nèi)燃機(jī)

6、在很多時(shí)候是處于“被迫工作”的狀態(tài)。換句話說，為了保持發(fā)動(dòng)機(jī)工作的連續(xù)性，其必須要保證能夠維持在一個(gè)最低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，而這正是“怠速”這一說法的來源。因此在擁堵路況下，一輛車大部分時(shí)間都處于怠速狀態(tài)，而在怠速狀態(tài)下，內(nèi)燃機(jī)幾乎沒有把任何動(dòng)力轉(zhuǎn)化成行駛距離，可以說，在這種情況下，能量被極大程度地浪費(fèi)掉了。相似地，當(dāng)一輛車在減速行駛（處于剎車狀態(tài)）時(shí)，內(nèi)燃機(jī)仍然要保持運(yùn)作，甚至在一些特定情況下，為了維持不熄火，變速箱甚至要進(jìn)行升擋，以維持一定的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。顯然，發(fā)動(dòng)機(jī)在這種情況下的工作也是毫無意義的，造成了能源的再次浪費(fèi)。將以上的諸多因素綜合考慮，內(nèi)燃機(jī)即使有較高的理論熱效率，但是，從整個(gè)系統(tǒng)的角度

7、來看，其實(shí)際效率受到了較多原理上的制約，最終導(dǎo)致其效率并不算高。因而將之前所列出的效率簡單地相乘，分別取發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率為27%，傳動(dòng)效率80%，得到由理論計(jì)算出的能量轉(zhuǎn)化效率大約在21%左右，而由于怠速、滑行等過程的存在，實(shí)際效率要低于此理論值。事實(shí)上，真實(shí)的效率可以從油耗的情況直觀反映出來。根據(jù)工信部的數(shù)據(jù)，一輛普通家用小轎車的市郊工況油耗約為5~6L/100KM,而其市區(qū)工況油耗則會(huì)升高至8~9L/100km，而其綜合油耗大致在7.5L/100km。根據(jù)簡單換算，其實(shí)際的能量利用效率17%左右，可謂驚人地低。然而，對于一輛電動(dòng)汽車來說，由于當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)已經(jīng)非常成熟，采用輪轂電機(jī)方案的電驅(qū)

8、動(dòng)功率損失可以控制在5%左右，且其驅(qū)動(dòng)效率隨功率的變化不大，并且其“隨用隨到，隨叫隨?！钡奶匦允沟闷渫耆珱]有燃油車的“怠速”、“帶檔滑行”等工況。停車時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)自然就沒有也不需要有電流通過，而滑行時(shí)，應(yīng)用電驅(qū)動(dòng)的逆過程——電磁感應(yīng)，甚至可以實(shí)現(xiàn)高效的制動(dòng)能量回收，相比傳統(tǒng)燃油車，其節(jié)能性自然有重大優(yōu)勢。再次套用之前分析內(nèi)容中的值，可得其能量轉(zhuǎn)換效率大約在25%左右，在實(shí)際上已經(jīng)遠(yuǎn)高于普通燃油車輛。至此，我們的分析基本結(jié)束。 結(jié)論：考慮到中國當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化的潛力巨大，未來核電以及新能源比例將持續(xù)上升，電力供應(yīng)也將越來越清潔，自然，電動(dòng)汽車無論是從清潔性還是從節(jié)能性上都將繼續(xù)與燃油車?yán)_更大的差距，因此，我們可以直接否定網(wǎng)絡(luò)上有關(guān)于電動(dòng)車的節(jié)能性比燃油車要差這一錯(cuò)誤結(jié)論。只有大力發(fā)展電動(dòng)汽車，逐步開展傳統(tǒng)燃油車的淘汰工作，未來的交通工具才能更清潔，更高效。