快充、换电？电动化车辆补能方案思辨
摘要：
1）电动车在当前电池、电机技术水平和燃油价格情况下，相对于燃油车来说电动车已经具备压倒优势。本文给出的补能方案是挖掘这些优势的关键。
2）电动化车辆不存在里程焦虑、充电难题。
3）给出了电动化车辆补能的最佳方案。
4）设计了一个动力测试平台，并将通过改装方式造一辆LY混动车。
1、电动化车辆优于传统燃油车
燃油按每升7元、30％的燃油内能化为车辆动力。折算为电力价格每度成本2．68元。而电池系统每度电容量的成本在1000～1500元。电池使用寿命在3000～5000次。假设充电度电成本在0．6～1．8元之间。按充电价格0．6元、电动车每使用一度电可以节省2．08元。1000元每度电容量电池系统成本计算、充放电500次可以回收电池成本。按充电价格1．8元计算，电动车每使用一度电可以节省0．88元，1500元每度电容量电池系统成本计算，电池充放电1705次可以回收电池系统成本。由此、电池系统有50～90％使用寿命是净赚的。只是车企设计错了。
除了电池价格优势外，电动车的生产工时更短，人力、场地需求也更少，比燃油车更高生产自动化程度，零部件数量也大幅减少。
上面的计算、分析说明：电池车已经以压倒性的优势战胜了燃油车。然而电动车市场销量仍待引爆，当前各个车企错误的车型设计造成电动车的优势发挥不出来。
图 1 电动车已优于燃油车
有人说安全问题、里程焦虑、充电难、电动车造价高等等问题，才是电动车不能普及原因。这句话大错特错了，以电动车造价高为例，在扣除电池系统成本后电动车售价将低于燃油车，并且还有较大的降成本空间。安全问题，电能的使用是安全的，不安全的是汽车设计。电能的安全在于可监控、可测量。安全措施多、最常见的是过载、过流、高温保护，双电源等等。里程焦虑、充电难更是不存在的问题，电动车原本没有里程焦虑、充电难题，只是车企的错误设计造成了这样的难题。
2、电动化车辆不存在里程焦虑、充电难题
充电难、里程焦虑是相伴相生的。如果没有里程焦虑就不需要着急充电，如果充电容易快捷，就不会存在里程焦虑。也就是说这两个难题要放到一起解决。
怎么解决呢？作者所学的专业是电气自动化，从事生物质发电工作。从一开始就没有把电动车当成一辆车辆。而是当成一种用电电器。这个电气的特性是这样的：长时间远离电网，电能需要存储，电能的存储、使用需要变换，用电负荷功率是变动的，用电负荷用电量是不确定的，电能的存储容器能量密度极低。
基于这样的特性，我们遵循按需配电、按需用电、快速进行电能存储、高效进行变换、提高车载电能容器能量密度等原则，并在车上安装发电装置。这样的办法必定能够解决里程焦虑、充电难题。
按需配电是解决里程焦虑、充电难题的出发点，车主出行需求往往是确定，在这样的情况下，如果出行需求是100公里，耗电15度。而我们给车载电容器装载80度，就是浪费。而车主一天的用车时间也就1个多小时，其他大部分时间车辆是停在停车位置上，让已经停下来的车辆及时接入电网，减少用电设备离网时间。在这样日常的应用场景下、车载电量15度、慢充功率2KW完全应付得来。当车主出行需求变成：一天16小时以上在路上、行驶里程1500公里以上，并且中途充电难，中途停车充电时间有限的情况，如何让同一辆车满足这样出行需求？
在很多人看来这样的苛刻的出行需求，即便是燃油车，也不好满足，按百公里油耗8升，也要120升油重约87千克，通常车辆才35～55升，要加油3～4次，百公里耗电15度，需要225度。电池系统密度200W／KG，需要1．125吨，接近整车重量。
但如果是一辆具有快充120KW充电口、车载电池40度，油箱25升发电效率36％的LY混动车，只需要中途停车一次，加油25L、充电40度，用时18分钟。也就车主中途休息的时间。就有足够236度电能。按燃油7元每升、电价1元一度计算，燃油车需要油费840元、纯电动车需要225元、LY混动车需要430元。LY混动车比纯电动车节省了175度电池，17．5万元成本。当车主出行需求在260公里以内的时候、只用电。（这里的计算都是使用了理想的情况，比如电池充满放空、充电均匀等速。这只是为了更好说明LY混动车是按需设计的）
图 2 电动车不存在里程焦虑、充电难题
即便在这么极端出行需求的情况下，LY混动仍能以优于电动车、燃油车的使用体验。说明了按需配电设计出发点是成功。里程焦虑、用电难问题已经决解。
3、电动化车辆补能方案
3 换电的方式其实很傻
当前电动车发展还在萌芽阶段，什么样的方式才是电动化车辆的补能最佳方式？北汽徐和谊认为是换电、电力提供商ABB等认为是快充。这些具有代表性的实践都错了。宽泛补能方式，依据场景选择补能方式。
LY混动车就是宽泛补能，这里说的宽泛是指LY混动车具有最高120KW快速直流充电口1个，15KW可逆车载充电口1个。可以为车辆提供2～120KW充电功率、依据充电时间来定。当车主一天用车1小时左右，20小时以上是停车时间，停车位置边上有一个220VAC或380V三相电插头，接入车载充电口可以保证在20～2．6小时充满电量。当车主外出，在高速或者中途休息，需要快速充电，可以保证在15分钟内获得200公里以上续航电量。
此外LY混动车还具有甲醇或燃油增程系统，该增程系统属于行驶中补能，直接将电能输送到电机。当电池电量耗尽，可以使用增程系统发电，15KWe的发电能力，30～60分钟可以让电池获得50～100公里的续航电量，约10度电量左右。可以让车辆重新上路、增程系统继续发电。可确保车辆继续正常行驶。这样的增程系统，寒冷的冬天、可以作为加热热源。其燃油利用效率超过60％以上。如果车辆是去户外、南极考察。不需要建设充电设施，随车携带燃油即可。也就是说电动车可以当燃油车来使用，即便车主没有充电设施。
由上面的介绍，你会发现LY混动车的补能方案是最佳的。不只是在于更好满足出行需求，而是在于时间、补能场景的宽泛性，让车主更从容应对充电难题。
4、LY混动车测试车方案
基于上面的分析，作者目前在做一辆测试车。具体如下
车身：五菱宏光S3。
图4 LY混动测试车的外形
动力：总功率120KW，其中电机A百转公司48V电机系统 50KW，电机B为跟肇庆永磁电机定制的发动电动机，驱动功率20KW，发电功率7～15KW，发电电压48V～80V直流，最大电流200A。电机C为北汽集团的C33DB系统，功率为53KW。
电池：40度磷酸铁锂电池。电芯能量密度120W／KG．电池包含冷却系统总重量在400KG以内。暂不购买。增程发动机＋35L邮箱＋排气净化管总质量在。按标称效率发电71度。总重量在80KG以内。电池和增程系统的总电能为111度，总质量480KG。有效密度230W／KG。如采用240W／KG三元电池电芯，增程系统和电池包总有效能量密度能够达到370W／KG。增程发动机效率低于28％，如果增程发动机效率能够达到40％。那么增程系统和电池包总有效能量密度能够达到230W／KG、370W／KG提升到333W／KG、533W／KG。
需要购置宏光S3、北汽EC3各一台，定做百转公司48V50KW系统一套，定做两套发电电动机。电机驱动、电控和车载15KW充电机全部采用二手报废车辆上采取下来的。
