谈新能源汽车以及后面的汽车电子,对我而言是一个非常严肃的问题。为什么这么说呢?因为我已然投入了近6年的光阴在这上面,这个目前略显尴尬的汽车节能技术分支到底未来究竟如何走向,直接关系到我们这些吃技术饭的工程师的职业前途。当然新能源汽车是个较广的概念,这里界定为混合动力汽车(包含弱混、中混和强 混)、插入式混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车。对大部分人而言,有两个问题:汽车厂商为什么要开发新能源汽车?消费者能否买账购买新能源汽车?

 


从各个主要的汽车厂商的角度来看,最为核心的是生存问题,二氧化碳排放和燃油经济性,这是卡脖子的事情,全球最为主要的法规,如表1所示。


1. 二氧化碳排放量:这项限制晒率先发生在欧盟。欧盟在2009年对汽车企业推出二氧化碳减排规则,规定从2012年到2015年,车企必须将二氧化碳排放量 降至平均130克,在2020年之前降至95克的中期目标;各汽车厂商平均65%的新车达到目标值,之后分阶段提高该比例,逐年提高至75%、80%及 100%。这项规定对欧洲车企产生了决定性影响,以德企三强(宝马、戴姆勒和大众)为例,来分析推出新能源汽车的时间轴就可以完全明白这个道理。超级积分 制碳排放低于50g的,一辆顶3.5辆的规则,使得新能源汽车对于车企在法规下的生存起到了决定性的要求。


2.燃油经济型:以美国 和中国的为首的两大市场,推出“公司平均燃油经济性”(Corporate Average Fuel Economy, 简称 CAFE)之后,其新能源汽车的策略就和公司的生存联系在一起。汽车电动化的进程,就变成了一项不赚钱也需要去做,去努力的事情。


汽 车企业,对于后文所说的各种不同的车辆,和传统内燃机技术上的节能环保技术叠加和组合使用,形成一个整体的效果,来满足要求。所以总体上来看,企业的策略 就是以自身的策略选择为前提,在满足法规的条件下,为未来做准备。所以从汽车厂家的角度,新能源汽车方面的技术代表其长期利益,现在做多了亏钱,处在一定 规模下,不停学习和进化的过程之中。


表1 世界主要汽车市场的汽车环保法规

NO

市场

2013销量

占比

日期

法规类型

目标衡量

计算方法

测试方法

1

美国
美国加州

1558.2

18.81%

2025
2016

燃油经济性/温室气体排放

49.1 mpg** or 165 gCO2/mi
34.1 mpg* or 250 gCO2/mi

车辆尺寸

 

2

欧盟

1180

14.24%

2015
2020

二氧化碳排放

130 gCO2/km
95 gCO2/km

车辆重量

NEDC

3

中国

2198.41

26.54%

2015
2020

燃油经济性

6.9 L/100km
5 L/100km

八种分类

NEDC

4

加拿大

174.3

2.10%

2016

温室气体排放

153 (157)*** gCO2/km

车辆尺寸

美国工况组合

5

日本

537.6

6.49%

2015
2020

燃油经济性

16.8 km/L
20.3 km/L

车辆重量

JC08

6

印度

324.1

3.91%

2016
2020

二氧化碳排放

130 gCO2/km
113 gCO2/km

车辆重量

NEDC

7

巴西

376.7

4.55%

2017

燃油经济性

1.82 MJ/km

车辆重量

美国工况组合


对消费者来说,快速完成对新能源车的认知是较为困难的。按照普遍意义上的选择,消费者更看重的地方在于:
1)混合动力汽车
这类汽车事实上已经基本被消费者认可,汽车厂商也有很大的意愿开发此类汽车。这个类别的汽车中:
• 弱混系统成本较低,在此文中暂时将之排除在外,等后面介绍42V和48V系统的时候再进行详细的叙述。
• 中混系统可以算是新能源汽车,根据参考文献【1】来看,从低压至高压进行演变,中混系统是经过了一定的变革的。
• 强混系统这个领域,丰田汽车做的太成功了,以至于其他企业不得不与之结盟或者选择考虑跳过这项技术。为什么这么说呢?只看美国的数据【2】的话,其混合动 力产品的占有率已经达到了。再算上其在日本和欧洲的销量,如图3所示,从销量上看丰田在整个混合动力的领域就是霸主无疑。追溯这个故事的话,可以参阅 《THE PRIUS THAT SHOOK THE WORLD》和《丰田汽车案例:精益制造的14项管理原则》第六章中内容。


图1 美国市场混合动力汽车销售市场份额【3】



图2 丰田混合动力汽车销售情况


2)插入式混合动力汽车(含增程式)和纯电动汽车
这类车的特点,是需要从电网中补充电力,通过一个比强混更大的电池组,来储存更多的电能。而这些电能,使得电动的续航里程得以提高,提高到极致就取消了发动机,完全依靠电池组提供能量。对于汽车企业而言,开发此类车辆有以下的一些规律:


a)几乎所有大的汽车企业,都已经在这个领域内布局了。如表2所示.


表2 目前的插电式电动汽车

类型

NO

厂家

型号

价格

电动
里程

混合
里程

电池容量
(kWh)

电机功率
(kW)

发动机

主要市场

纯电动

1

特斯拉

Model S

$80,000

265/208 miles

265/208 miles

85/60

270

 

全球

2

丰田

Rav4 EV

$49,800

103 miles

103 miles

41.8

115

 

美国

3

宝马

i3

$42,200

90+ miles

90+ miles

22

170

 

全球

4

菲亚特

500e

$31,800

87 miles

87 miles

24

82

 

美国

5

日产

Leaf

$28,900

84 miles

84 miles

24

80

 

全球

6

通用

Spark EV

$27,500

82 miles

82 miles

21

104

 

美国、欧洲

7

本田

Fit EV

TBD

82 miles

82 miles

20

92

 

美国、日本

8

福特

Focus Electric

$35,200

76 miles

76 miles

23

107

 

美国

9

戴姆勒

ED

$25,000

68 miles

68 miles

17.6

55

 

全球

10

Mercedes B-Class

$41,500

85 miles

86 miles

28

 

 

全球

11

三菱

i-MiEV

$23,000

62 miles

62 miles

16

49

 

美国、日本

12

雷诺

Fluence Z.E

$38,378

115 miles

115 miles

22

70

 

欧洲

13

Zoe ZE

€ 15,000

130 miles

130 miles

22

65

 

欧洲

14

大众

E-Golf

TBD

93 miles

93 miles

24.2

85

 

全球

15

e-Up

$32,393

80 miles

80 miles

18

 

 

全球

插入式
混合动力

16

通用

Volt PHEV

$35,000

38 miles

380 miles

16.5

110

1.4L

美国、欧洲

17

ELR PHEV

$76,000

37 miles

340 miles

16.5

110

1.4L

美国

18

福特

C-Max Energi PHEV

$32,900

21 miles

620 miles

7.6

 

2.0L

美国

19

Fusion Energi PHEV

$34,700

21 miles

620 miles

7.6

 

2.0L

美国

20

本田

Accord PHEV

$39,800

13 miles

570 miles

6.7

124

 

美国、日本

21

丰田

Prius PHEV

$30,000

11 miles

540 miles

4.4

 

1.8L

全球

22

大众

Panamera PHEV

$99,000

22 miles

 

9.4

95

 

全球

23

三菱

Outlander PHEV

$47,490~ $52,490

32 miles

500 miles

12

120

2.2L

日本

24

宝马

BMW i8

$136,000

25miles

 

7.1

170

 

全球

b)电动里程的特点,使得汽车企业可以开发此类车型油耗和排放较低,由于超级积分制度,使得这类车的价值对车厂来说变得较高。

 

c)除了极端的跑车以外,做到100miles是一个限制,现有的电池的能量密度使得纯电动汽车的20kWh左右作为一个临界点。从某种意义上来说,各家企业同等电池包大小的情况下,电动车的车重和尺寸受到了极大的限制,几乎没办法做出差异性。
d) 插入式混合动力,相比较而言,从燃油经济性和总续航里程角度上可以为大多数客户所接受。其瓶颈就是在原有的基础上,加入一套电动驱动系统(特别是电池系 统)所带来的成本压力是很大的。电池系统的价格估计,按照文献3的研究,每kwh总体目前在400~500$左右,也就是说10000$/20kwh,这 是最大的一部分。


表3 部件对比表

 

部件

HEV

PHEV

BEV

1

高压电池

Y

Y

Y

2

驱动电机

Y

Y

Y

3

发电机

Y

Y

N

4

逆变器

Y

Y

Y

5

电加热

Y

Y

Y

6

DC/DC转换器

Y

Y

Y

7

能量回收硬件

Y

Y

Y

8

传动

Y

Y

N

9

引擎

Y

Y

N

10

齿轮箱

N

Y

Y

11

充电系统

N

Y

Y

12

冷却系统

N

Y

Y


消费者目前对于购买这类车,其实存在很大的顾虑的,因为它的性价比还没有达到相对理想的程度,所以即使是从LEAF和VOLT开始推向市场3年之内,总体的销售数据还是比较低的。在下个系列的文章之中,我将主要从充电问题的角度来探讨。

         
3)燃料电池汽车
谈起这类汽车,基本消费者不会购买,汽车厂商开发处在开发和试运营的阶段。从本身的机构来看,燃料电池汽车包括氢气储存系统,燃料电池发动机系统,配电系统、储能电池系统和电机驱动系统等。

从成本分析的角度来看,目前的这些部件,成本较高;而且由于基于液氢系统的系统较为复杂,从可靠性的角度也是很难解决的。


一个最为艰难的问题,还在于加氢站的问题。与基于电网的插电式新能源汽车相比,这又是一套独立的基础设施系统,也需要从无到有一点点建设。与加油站相比,加氢站的标准和建设问题也较多。


对于燃料电池汽车而言,丰田和本田的执着投入,我感觉还是很关键的。从一个汽车工程师的角度,你很难不佩服丰田对于它认为有价值的技术的执着投入和其非常坚定的执行力,它成功的不仅仅是生产这块。


谈谈个人的看法
以 上的内容,相对比较客观,以下谈谈我个人的看法。面对喧嚣的媒体,以及热闹的股市,其实从工程师的角度来看,评估一个方向的技术的发展和状态,主要是列出 其需要解决的问题,评估其当前方案的成本和离客户期望的差距。按照这个概念,第一类是用户可以接受,慢慢可能它们不能称为新能源汽车,只是普通内燃机汽车 的一种配置;第二类较大的取决于电池成本&技术和充电基础设施这两个基本点;第三类技术,从本质上已经在研发的实验室以及车企内部的试验田内度过 了15年以上了,它还没有达到目前可以推向个人客户的阶段,这不是几个天纵奇才的工程师和总工可以解决得了的。汽车行业背负的东西,也确实多了一些,以至 于求新求变并不是这个行业的文化基因。所以从个人来看,每家车企似乎都走得很慢;作为一个工程师,也只能尽力站在一个基本点上,不断去思考如何解决问题, 完善现有的东西,当一个变革点到来的时候,或许真的就不一样了。


新能源汽车在中国的发展,走的路途比较曲折。总体来看,汽车企业、政府政策以及基础设施方面,在乘用车领域呈现一种波浪式的发展。2014年至2015年,应该来说市场会有一定程度的启动,对车企和工程师个人而言,相信未来会有更多的机遇。

 

参考文件   
【1】A Comparative Study of the Production Applications of Hybrid Electric Powertrains Harry L. Husted Delphi Corporation
【2】Fuel Economy State of the World 2014 GFEI 表格2
【3】PHEV BATTERY COST ASSESSMENT TIAX LLC    

 

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