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续航1200公里的电动车,不可能吧!

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2019-07-07 18:18:53来源:58车类型:转载编辑:张抗抗

我们每天会在知乎社区挑选一个话题,

为大家奉上话题里的干货回答。

今天的话题是:

爱驰汽车刚推出的电动超跑号称续航1200km,

有可能实现吗?

续航1200公里的电动车,不可能吧!

续航超过1000km的跑车,不可思议吧!

就让知乎KOL、北京紫晶立方科技有限公司联合创始人

张抗抗 来为你解答。

续航1200公里的电动车,不可能吧!

爱驰汽车发布了RG “纯电动”跑车,续航里程达到1200公里,可以说是非常地惊人了!

我曾经整理过目前主流的电动汽车续航里程情况,如下表所示:

续航1200公里的电动车,不可能吧!

数据来源: 汽车品牌官网、汽车之家/易车网、其他媒体报道、工程师访间传闻等,不保证数据准确性。欢迎朋友们指出错误,我来更正表格。标黄为存疑比较严重的数据。

目前工信部采用的是“综合工况”来测试续航里程,日本采用JP08工况,美国主要采用EPA工况。

例如,特斯拉官网上标示的就是EPA工况的里程,进入中国销售后,要同时提供“综合工况”的里程,续航里程会提高一些。

还有一种续航里程的测试方法叫“60km/h等速”,这种工况下的测试里程是很高的。

当厂家宣称“最高续航可达xxx公里”时,往往是指这个等速工况。

一般来说,“综合工况”是比较符合实际情况的,可以用来指导实践,但是当夏天太热开空调、冬天太冷时出行,续航里程还要大打折扣。

可以看到,无论是哪个工况、哪个车型,续航一般都在300-500公里之间(宝马i3是个特例),即便是装备100kmh电池的Tesla Model S的等速续航也没超过600公里。

那么,爱驰RG的1200公里是怎么做到的呢?是不是互联网造车的一次营(hu)销(you)呢?

其实,爱驰RG是一个搭载氢燃料电池的“纯电动”跑车。

当锂电池电量不足的时候,氢燃料电池可以将氢气转化成电能,给锂电池充电。

也就是说,爱驰RG确实是只使用了电能,但与一般的“纯电动”汽车不同的是,它的电池不仅储存在锂电池那里,同时还储存在氢燃料里面,所以续航达到1200公里,也不是不可能。

但是,当朋友们听到爱驰RG的续航的时候,还是纷纷发来信息来问我,主要有的声音:

电动汽车提高续航里程不就是堆电池吗?你看特斯拉堆100度电是600公里,堆200度电不就是1200公里呢? 既然如此,堆电池就能实现的事情,大家都不做就他做,是不是有问题?

另外一个声音则截然相反,对1200公里续航的真实性表达了质疑。他们认为燃料电池毕竟也是“电池”,为啥锂电池做不到的续航里程,燃料电池就能做到?

我们先来分析第一个问题:

堆足够多锂电池的纯电动汽车,

是否能够达到1200公里的续航?

我们拿上表中的Tesla Model S 75做一个仿真试验:假设驱动系统的效率不变、外界的风阻系数与摩阻系数不变,不断地给它加电池,来观察续航里程的变化。

在加电池过程中,会有以下两个针锋相对的效应:

电池容量增加,也就是可用的能量总量增加,这会带来续航里程的增加。

汽车总重量增加,行程相同的距离所耗费的能量增加,这会带来续航里程的减少。

针锋相对的两个效应,哪个会占上风呢?让我们来看看Matlab的仿真结果吧。哦不好意思,Matlab已经卸载了,那我们看看Excel的仿真结果吧。

续航1200公里的电动车,不可能吧!

图中可以看到,当增加电池容量的时候,续航里程也是不断增加的,但是增加的趋势越来越缓(我们暂时不考虑电池成本与体积的约束)。

当续航里程增加到1000公里之后(对应的电池容量是500kWh),再增加电池容量的效果就很不明显了,并且越来越弱;

当续航里程增加到1200公里之后(对应的电池容量是1500kWh),再增加电池容量,几乎没有效果了。

为什么会这样呢?

原因在于,当电池容量很大的时候,所增加电池容量大部分都用来运输电池本身了!

打个比方,一个人徒步远行,路上没有补给,带1斤的干粮可以走20公里,带2斤干粮可以走40公里,但是带100斤的干粮就可以走2000公里吗?

肯定是不能的,因为干粮本身的重量就把远行者给压垮了。

那我们再来分析一下,

有多少百分比的电池容量被用来运输电池本身?

续航1200公里的电动车,不可能吧!

可以看到,Tesla Model S 75电池能量的24%被用来运输电池本身了。

不会吧,号称节能环保的特斯拉竟然把四分之一的电能用来运输电池本身在大街上跑来跑去……

事实上,几乎所有电动汽车都把20%~30%的电能用来运输电池。

续航1200公里的电动车,不可能吧!

这还不是最严重的,当续航达到1183公里的时候,多达80%的能量被用来运输电池本身了,这是我们能忍受的极限了。。。

这个时候,你说我开的是新能源车呢,还是锂电池运输大货车呢?

如果我们将80%定义为极限里程的话,那么这款Tesla Model S 75改款的超大容量纯电动车的极限里程是1183公里。

回到我们最初的问题,

堆足够多锂电池的纯电动汽车,

能达到1200公里的续航吗?

答案是不能!(而且这还没有考虑电池成本、体积等各方面的约束)。

在分析第二个问题之前,我们再分析一个附加问题:

锂电池技术得发展到什么程度,才能实现1200公里的续航呢?

我们以30%的能量来运输本身作为工程实践中的最高值,那么通过计算得到,若想实现1200公里的续航,需要锂电池模组的能量密度达到420Wh/kg。

也就是说,还需要3倍的提升。

这在当前的锂离子电池的技术体系下,恐怕是难以实现的目标。而且,即使能实现,成本是否能控制得住也是一个很有挑战的问题。

接下来我们来分析第二个问题:

为什么锂电池纯电动车达不到1200公里,

而燃料电池就可以呢?

其实不用说大家也应该知道了,这个问题的关键在于能量密度。

纯电动车的电池模组的能量密度一般在130-150Wh/kg之间,特斯拉是做得比较好的,高达150Wh/kg。

那么汽油呢?

汽油的热值约为44MJ/kg,也就是12222wh/kg。

汽油在发动机中的能量转化效率比较低,但即使按20%算(电动车按80%算),其“等效能量密度”也有3000wh/kg,是电池的20倍。

燃料电池虽然也叫电池,但其实并不能充电,而是消耗氢气来发电。

如果要打个比方的话,锂电池就是可充电电池,而燃料电池就是我们小时候用的那种不能充电的电池。

从这个角度来讲,燃料电池其实是与发动机相似的——一个是消耗油,一个是消耗氢气。

燃料电池的能量密度与转换效率我没有细细研究,估算一下“等效能量密度”为4500wh/kg,是电池的30倍。

那么,我们来看一下燃料电池电动车运输氢气本身会消耗多少百分比的能量吧。

续航1200公里的电动车,不可能吧!

如上图所示,当续航里程与锂电池原版的Tesla Model S 75相同为416km时,运输氢燃料所消耗的能量仅为氢气可转化总能量的0.99%;

当续航里程达到1200km时,这个数值也仅为2.9%,远远低于锂电池的24%,这样听起来是不是舒服多了!

其实汽油也是相似的,416公里时约为1.51%。

实际上汽油车在行驶过程中,汽油会不断地消耗而减轻质量,这会使得百分比进一步降低。为了简化说明,暂不考虑这一效应。

如果我们将80%定义为极限里程的话,那么氢燃料电池的极限里程为3.3万公里。

当然,这只是为了说明能量密度的差异,使得燃料电池车增加续航里程要远比锂电池电动汽车简单地多,而实际上没有人会设计这样的车的。

回到所提出的第二个问题,

为什么锂电池纯电动车达不到1200公里,

而燃料电池就可以呢?

答案是氢燃料的“等效能量密度”比锂电池高很多,所以提高续航里程的难度相对低很多,实现1200公里的续航里程是很合理的,就和传统燃油车实现1200公里续航的原理相似。

如果3.3万公里的极限里程还不满足呢?好吧,我来想想办法。

续航1200公里的电动车,不可能吧!

我的第一个建议是可以上核聚变发动机!

续航1200公里的电动车,不可能吧!

没错,也就是在汽车里面装一个小太阳,质能转换效率约为0.7%,以能量转换效率10%计算,那么等效热值也就是17 500 000 000Wh/kg,约为锂电池的1亿倍。

那么可以算得极限续航里程约为0.18光年,可以沿赤道绕地球443万圈。

如果0.18光年的极限里程还不满足呢?

那我的建议就是上反物质发动机!

续航1200公里的电动车,不可能吧!

质能转换效率约为100%,以能量转换效率5%计算,那么等效热值也就是500 000 000 000Wh/kg,约为锂电池的30亿倍。

那么可以算得极限续航里程约为1.29光年,可以沿赤道绕地球3亿圈。

等等,为什么反物质发动机都上了,也才能航行1.29光年,连离我们最近的4光年的三体星都到不了呢?那么所谓的宇宙旅行岂不是全是扯淡啦?

其实并非如此,在上述计算中都考虑了汽车摩阻与风阻的损耗的,而星际航行中,哪来的摩阻与风阻呢?

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新车深一度师说

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