从轻型电动车到微型电动汽车.docx

1、从轻型电动车到微型电动汽车从轻型电动车到微型电动汽车的技术路线 ”的可行性研究第一部分 发展电动汽车已成为国际汽车发展的新趋势2005 年，全国数百家企业的各种轻型电动车（含电动自行车） 的总产量预计已经达到 900 万辆。绿源在过去的一年内共生产各种 轻型电动车（包括电动自行车）近 20 万辆，一些关键的技术创新成 果（如能量回收技术，新型节电模式，等等）也在产品中成功运用， 企业取得了比较好的经营效果。 在这个辞旧迎新的 2006 年春天， 我 们是不是需要再一次超越企业经营者的本分，从业者的角度来思考 一些新的理论问题，探讨对电动车产业未来发展的新思路。在石油资源日益短缺的大背景下，如何

2、减少交通对石油资源的 不可循环的消耗， 发展电动交通工具， 特别是促进发展电动汽车 （EV） 是世界性的重大课题，不仅是中国社会关注的话题，也是国际社会 十分关注的重大问题。最著名的电动车促进计划就是 PNGV 计划， 早在 1993 年 9 月 23 日，美国总统克林顿，在白宫正式宣布美国政 府开始实施“新一代汽车合作计划” （ Partnership for a NewGeneration of Vehicles ）简称 PNGV 计划，为组织实施这个计划， 美国政府每年拨款 3 亿美元，通用、福特、戴姆勒克莱斯勒三大 汽车公司每年投入 10 亿美元，该计划由美国副总统戈尔真接分管， 总体

3、协调，参加的政府机构有：能源部、交通部、国际部、商业部、 航空航天局、环保总署等，还有地方州和市政府，参加的厂商遍及 30 个州，美国的许多名牌大学，国家研究机构、国家实验室也参加 了这个计划，参加的单位共 453 个，研究计划包括 758 个子课题。 每年春季由美国科学院研究委员会负责对该计划的成果提出评审报 告。据当时的媒体报道，在美国总统克林顿看来，也许只有“阿波 罗”登月计划可以与此相媲美了。到了 2002 年 9 月，布什政府又制定了新的“ Freedom CAR ” 计划来取代 PNGV 计划，其中 CAR 是 Cooperative Automotive Research （合作

4、汽车开发）的缩写，进一步推动清洁汽车的开发。 美国总统布什在 2003 年 1 月 28 日发表讲话公开支持 Freedom CAR 和氢燃料计划的研究，并建议投入 12 亿美元研发经费，同时， 布什还进一步建议在未来的 5 年内共投入 17 亿美元针对以氢为燃料 的燃料电池氢源基础设施以及先进车辆技术进行资助。在日本， 通产省于 1991 年制定日本的电动汽车发展计划， 要求 到 2000 年底在日本推广 20 万辆电动汽车， 2000 年当年的电动汽 车产量达到 10 万辆。由于技术和成本的原因，日本的这一计划未能 完成。但是，日本政府仍然大力支持电动汽车的研究及试用。 96 年 又开始推

5、动“低公害车开发普及行动计划” ，不仅对各种专项研究给 予大规范政府资助，而且制定了各种旨在促进清洁能源车辆推广普 及的补助和免税行动。有资料称， 1998 财政年度，日本用于清洁能 源汽车普及的金额约 8 亿美元。政府对各种 EV 和 HEV 提供的补贴 大约为每辆车 90-380 万日元， 按车型不同有所区别， 还辅之以各种减负税收的优势政策。在欧洲，欧盟 90 年代初就制定了 FP（ Framework Programme ） 系列计划和燃料电池研发计划 （R&DD ），旨在推动电动车产业发展。 1994 年 12 月，法国政府公开表示支持推广电动汽车， 95 年 5 月 9 日颁布各种

6、旨在促进企业制造和消费者购买的补助政策。到了 2002 年，法国政府又开始实施新的电动汽车研究计划“ PREDIT111 2002/2006 ”，总预算约 5700 万欧元，这个计划公布的电动车辆购 买补助首次包括了电动自行车和轻型电动车（ 510 欧元），对电动轿 车的补助则高达 3050 欧元。其它欧洲国家如英国、 瑞典等也十分支 持电动车的开发，限于篇幅就不一一描述了。总之，从克林顿时期著名的轰轰烈烈的 PNGV 计划，到布什政 府的较为务实的 Freedom CAR 计划，再从日本的“低公害车开发 普及行动计划”到法国政府 PREDIT111 计划，都体现出各国政府对 EV 产业的重金

7、投入和官方主导性以及对 EV 产业的关切程度。我们 不难看出，从上个世纪 90 年代初开始，经历了能源危机和关注环境 污染危害的世界各国都十分期待电力交通时代的到来。这十几年来， 由于各国政府和民间力量的合力推动， EV 和 HEV 在技术上取得了一些值得称道的成就，特别是在混合动力的 HEV 方 面， HEV 已经有一点商业化势头，目前，美国公布的节能目标是百 公里油耗小于 3 升，各大企业都有一些符合要求的产品可以投放市 场，但由于 HEV 仍然不能摆脱对石油消耗，被普遍认为是属于节能 清洁型车辆的中间状态，而不是最终目标。作为真正的电动汽车， 纯电动的 EV 和 BEV 却基本遭遇了严重

8、的产业化失败。纯电动汽车失败的著名例子有两个，一个是日本本田的 Plus 被 停止开发，据科技日报 2002 年 6 月报道，本田公司从 80 年代 起就开始了电动汽车的研究开发， 1996 年终于推出纯电动的 EV 车 “Plus ”，1997 年“ Plus ”出租到美国，该车使用镍氢电池，最高 时速 130 公里，但这种纯电动汽车终于由于各种“难题”而失败， 本田公司已经停止了进一步的开发；另一个著名的例子是最著名的美国通用的 EVI 的无奈结束。 2003 年 11 月，科技日报 以醒目标题评论全电池电动汽车的命运： 无奈，无奈，无奈！胎死腹中的全电池驱动汽车 ，该报驻华盛顿 记者张孟

9、军写道：“今年是全电池电动汽车的灭顶之灾年。 不仅福特、 戴姆勒克莱斯勒、丰田、本田和日产等汽车制造公司全面停止了 全电池电动汽车的生产，就连开发电动汽车最积极的通用汽车公司， 在生产了 1100 辆双座 EVI 电池汽车后， 也停止了电池电动汽车的开 发和生产计划，并表示不再继续提供 EVI 电动汽车的出租业务。随 即通用汽车公司将大约 100 辆 EVI 车送到纽约，用于研究在寒冷气 候条件下电池性能，剩余车辆有些将送入博物馆，有些将被作为废 金属处理”。 “通用公司说，每生产一辆 EVI 要花费 8 万美元（包 括研发成本），而出租这种车每日的租费为 350 美元，纯属亏本生意， 只好停

10、产。”至此，在美国，全电池电动汽车尚未问世就已夭折。然而， 同样是这个对电动车来说不平凡的 2003 年，在东半球的 中国却经历了另外一种截然不同的景象。中国一大批毫不知名的小 企业，开始了自己的电动交通的事业。 1997 年，从几家企业起步， 总年产电动自行车不到 2 万辆， 到了 2003 年，参加企业近千家， 总 年产量一举突破 400 万辆， 6 年增长超过 200 倍。更富有戏剧性的 事件是，中国电动交通工具的事业一直是争议中前进， 2002 年北京 市交通管理部门明确反对电动自行车上路， 2003 年， 福州禁止销 售电动车。但轻型电动车生产、创新、研发一直没有停止，市场认 可度还

11、有所提高。 2003 年全国电动车产量比 2002 年的 170 万辆增 长超过 1 倍，绿源公司 2003 年的产量也超过 8.2 万辆，比初创时的 1997 年的 0.3 万辆增加了 27 倍，比 2002 年的 4.5 万辆增加了 1.8 倍。更重要的是， 经过 2003 年的发展， 中国的轻型电动车产业开始 强大起来，一大批原来从事摩托车配件生产的企业积极加入电动车 产业，产品款式快速的增长， 新车型推出的速度极快。 2004 年开始， 电机动力性能和电子控制技术也飞速发展，电机功率从一开始的 150W 逐步上升成熟， 到 2004 年底， 额定功率 500W ，最大输出功 率 1KW

12、 的高性能稀土永磁电机已经低成本地大批量生产， 极大满足 了人们的使用需要。轻型的电动交通工具不仅可以满足城市中低收 入居民的出行代步需要，而且也可以满足农村居民的生产生活需要， 不断降低的价格和不断提高的性能为轻型电动车赢得了实实在在的 市场。为什么电动车辆在美日会因技术原因遭遇商业上的死亡陷阱，而中国却显现出如此强劲的生命动力呢？（1）市场条件是决定技术路线的关键因素： 西方发达国家，特别是美国，是一些汽车文化高度发达的国家， 它所面临的主要问题是开发研究替代传统汽车的电动汽车。因此， 无论是 PNGV 计划还是 Freedom CAR 计划，其技术路线的核心都 贯穿于希望替代汽车的电动交

13、通工具达到或者接近传统汽车的动力 性能。在美国，汽车总保有量已经超过总人数，几乎人人都是（或 将是）汽车的消费者。如果某个公司制造一种“电动汽车”无法快 速行驶或者加速性能较差，它就无法指望消费者会认同、使用和购 买这种产品。 因此， 任何一种在性能上与传统汽车有很大差距的 “电 动车辆”在美国几乎肯定是没有市场的。但是，大家又必须面对一 个严酷的现实，这就是， “电池的储能效率与汽油相比实在是太低 了”，美国通用公司研究发展中心的 Lawrence J. Oswald 博士写道： “电池中的能量只有汽油式柴油的 1-2% ”（ Batteries Contain1-2% of the ene

14、rgy of gasoline or diesel ），以时速 96Km/H 行驶 160 Km ，电动汽车（ EVI ）的电池总能量为 13.6 kwh ，电池总重 量为 395Kg ，体积 172064 cm 3 ，而汽油汽车耗油总能量为 63.5 kwh ，重量只有 5.7Kg ，体积 7190cm 3 ，鉴于此，还鉴于电机技术 资源等其他方面的原因，要让电动车辆在近期内达到传统汽车的性 能价格比水平是不可能的！因此， PNGV 计划实施了近十年时，美 国乃至整个西方发达国家不得不放弃依靠电池的纯粹电动的理想目 标，放弃纯电动汽车在近期实现商业化的努力，代之以鼓励混合动 力型（ HEV

15、）来部分地达到节约能源和减少排放的目标，也尽力从 燃料电池上寻求技术突破，但不能够指望近期商业化。中国的情况完全不同，与美国相比，我们还远远没有达到“汽 车社会”。虽然，近几年来我国的私人汽车增长迅速，轿车快速进入 家庭的话题也引人关注。但是，这种增长与拥有 13 亿人口的大局来 比，仍然仅仅是一个小小的开始。媒体在 2003 年报道，我国的私人 汽车总保有量达到 1200 万辆，北京 2004 年 9 月报道北京市私人汽 车保有量已突破 100 万辆，其中私人轿车 65.6 万辆。因此，我们估 计，到 2005 年底，全国私人汽车的社会保有量大约为 1500 万辆， 按北京的比例私人轿车的水

16、平大约为 60% 估计，全国私人轿车的总 保有量大约为 990 万辆（尚不足 1000 万辆），就以 1000 万辆计算， 与 13 亿人口和 3.5 亿个的家庭来比，我国私人轿车的人口比例和家 庭比例分别为 0.7% 和 2.8% 。这是一个非常小的数字。相反，非机 动车和摩托车在中国的保有量却是一个十分庞大的数字。在中国， 有超过 5 亿辆自行车， 有近 8000 万辆两轮摩托车， 有近 2000 万辆 电动自行车和轻型电动车，三者相加的总数超过 6 亿，面对这个庞 大的人群中任何改善交通条件的努力都会受到热烈欢迎。提供一种 性能较好（但不及传统汽车）同时又可以遮风挡雨的廉价型低费用 的清

17、洁交通工具，作为替代型的私人代步工具一定会具有现实而庞 大的市场。有了这个市场，具有中国特色的微型电动汽车产业就能 够应运而生了。她所面对的市场不是传统汽车的使用人群，而是一 些也许“从来都没有驾驶过汽车”的消费者，这类消费者美国没有， 所以美国就不具备发展这种产品的客观条件。这类消费者大量地存 在于中国社会，所以中国就现实地存在着一个令世界瞩目的绝佳的 战略机遇，就是“循序渐进地推动交通工具电动化”的战略机遇。可以想象，一旦中国式的微型电动汽车商业化进程启动，与之 相关的各种关键技术产业在市场的强烈刺激下必然迅猛发展，在电 池技术、电机技术、控制器技术、轻量化车架技术等等技术领域会 涌现出一

18、系列巨大的自主技术创新成果，庞大的中国市场必然铸就 出一个辉煌的电动车产业，在解决中国经济发展与世界性石油紧缺 的战略问题上也会得到全世界的尊敬，未来汽车的产业中心也会随 之而向中国转移。（ 2 ）市场进程是技术成长的根本动力 在令人振奋的前景下，我们还必须更认真地探讨实现中国式交 通工具电动化目标的可行性问题。从轻型的电动车辆（包括电动自行车）的成长历史来看，市场 进程是技术成长的根本动力。早在 1996 年 1998 年期间，大多数 人甚至包括我们这一批早期开发者，对“轻型电动车的技术能否真 正满足市场需要”的认识确实是朦胧的。早期的电动自行车，新电 池充电一次只能行驶大约 30 公里，电

19、池的寿命也很短， 6 个月后就 出现严重衰退，行驶里程大幅度下降；另外，早期的电动车电机， 最大输出转矩大约只有 14-18 N.M ，爬坡能力差，并且基本上是有 齿轮减速器的碳刷电机，往往在一年左右就出现严重磨损，需要全 面更换零部件，服务工作量较大。然而，经历了一段市场历程之后， 企业之间的激烈竞争大大刺激了技术的进步和新技术扩散，全行业 的技术水平大幅度提高， 例如蓄电池寿命和容量大幅度提高， 从 1998 年大约 30wh/kg 水平提高到目前接近 40wh/kg ，提高约 30% ；电 机也从单一的有刷有齿电机发展成为无刷高效电机为主流，保用期 寿命从原来的一年多扩大到 3-5 年，

20、电机效率从原来的 65-70% ， 上升到 85% ，提高了近 30% ，最大输出转矩也扩大到 40-50N.M ， 爬坡和载重能力提高约 3.5 倍，在性能提高的同时， 制造成本也大幅 度下降，初期电机的最大输出功率大约 300W ，配套价格约 600 元， 价格功率比为 2000 元 /KW ，目前，电动自行车常用的无刷电机最大 功率可达 600W ，价格 260 元，价格功率比下降为 433 元 /KW ，只 是原来 21% ；另外，在控制器系统和充电系统发生的变化也很惊人， 限于篇幅，恕不一一列举。总之，市场进程极大地促进了各项关键技术的进步。我们有理 由相信，现有的轻型电动车市场激励

21、已经进入了一个有利于形式 “微 型电动汽车”初期商业化所必需要技术环境的阶段，只要建立良好 的政府环境，及时消除一些人为的产业政策障碍，如前描述的前景 就有可能实现。（3）转变思路已经刻不容缓我国科技部于 2001 年 10 月公布 2001-2005 年度的国家高 新技术研究发展计划之电动汽车专项 （ 863 计划），这个计划基本 包括各项涉及电动汽车的专题研究。但是，对于这个计划，我们感 到的问题是：该计划强调的主要实施背景是“汽车生产企业” ，仍然 是汽车产业的电动化，与美国 PNGV 计划以及世界各国的类似计划 的风格几乎没有区别，所以，这个计划在我国实施 5 年的成果也是 完成了一系

22、列概念车的研究。特别是在我国目前主要汽车工业与国 外著名公司合作合资的前提下，依靠现有汽车产业来实现电动汽车 产业化的努力预计在未来的五年内也难以取得突破性成就。依我之见，中国交通工具电动化是一个整体的系统工程，自行 车的电动化和摩托车被轻型电动车取代已经构成了年产量接近 1000 万辆的规模，基于“非汽车群体”采用电动化交通工具的积极性和 市场现实性，国家产业决策部门应该将发展中国电动车的注意力调 整到“在汽车企业之外寻求解决方案” ，充分利用“中国还远远不是 汽车社会”这一重大而独特的机遇，以市场进程促进关键技术创新， 在 PNGV 和 Freedom CAR 的阴影之外走出一条有中国特色

23、的电动 车辆发展新路子。第二部分 中国式交通工具电动化的技术路线一、从轻型电动车出发的技术路线总描述从 1997 年到 2005 年， 9 年内，中国完成了自行车电动化的全 部技术开发和全面市场启动，从 2003 年到 2005 年，较大功率的个 人用轻型电动车依靠前几年的技术储备和市场服务体系环境，突飞 猛进地开始商业化进程，它的出现大大加快了自行车电动化的进程， 而且也开始有能力与传统摩托车展开激烈的市场竞争，在广大农村 地区，在油价上涨的背景下，轻型电动车的能源费用仅为普通摩托 车的 10% ，充电十分方便并可作为家庭备用电源，从而体现出十分 强劲的竞争优势，因此，传统摩托车产业也开始关

24、注电动化的进程， 摩托车被电动化估计是未来几年内轻型电动车产业的重要增长点。从轻型电动车的技术特征来看， 作为一种定位于城市慢车道 （非 机动车道路）行驶的两轮车辆，其最主要的特点就是建议受到控制 设计的最高时速 （在最高电压时） 一般小于 35km/h ，大多数可以称 为“电动自行车” 的产品则最高时速一般小于 30km/h ，骑行者在道 路上的平均时速一般小于 20km/h （可以超过此速行驶的情况非常少 见），正是由于这个原因，目前蓄电池水平尚可满足使用要求。按照物理学定律建立模型，车辆的匀速运动功率等于速度乘以 车辆的牵引力，车辆的牵引力则与车辆阻力相等，车辆匀速运行的 阻力主要由运动

25、摩擦力和风阻力组成，空气动力学的研究表明风阻 力的大小取决于受风面积、风阻系数以及运行速度，并与运行速度 的平方成正比，因此，在确定的重量条件下，车辆运行的总功率 P 与速度v的函数关系表现为：P=av+bv 3 （其中a, b 0）。可以看 出，提高车辆的速度将大幅度提高车辆的运行功率，对于电动车而 言就是大幅地增加工作电流，对蓄电池的容量和寿命会形成较大的 压力和考验。另一个与车辆运动功率密切相关的物理量就是车辆自重和载 重，两者合计就是总重量，总重量增加会导致摩擦功率增加，加速 功率增加以及爬坡功率的增加，总重量对蓄电池的容量和寿命也有 较大的影响。毫无疑问，从轻型电动车发展到微型电动汽

26、车，核心的技术问 题就是提高电动车的运行功率和解决由此产生的一系列相关技术问 题。从市场需求的反馈情况看，现阶段消费者对两轮轻型电动车是 基本满意的，但大多数消费者仍然希望厂家进一步提高车辆的功率 储备，特别是提高爬坡能力和载重能力，希望延长车辆的一次充电 行驶里程，部分消费者希望适当提高最高时速，最好能够达到“燃 油助动车”水平。因此，笔者认为，从电动车辆技术进步的长远利 益考虑，应该在保障交通安全的前提下，尽最大的努力来满足消费 者的合理需求，在提高运行功率的同时强化保障交通安全的有效技 术手段，例如提高车辆的制动性能、驾驶性能和紧急情况下的安全 防护特性，等等。在轻型电动车推广过程中，有

27、许多白领女性对车辆的款式、动 力性能和安全性均表示满意，但她们对二轮车辆全部暴露的特点不 满意，如果能够进行合理包覆，使骑行者免受风吹雨打，免受烈日 暴晒和寒风扑面之苦，给骑车人一个很小的个人空间，适当隔离， 那么，她们将很愿意接受电动车作为日常代步工具，推迟购买小汽 车的计划。这是一种值得关注的消费意愿，说明超小型的简单包覆 的电动车在中国已经存在了客观的市场需求。开发这种产品，并使 之在国内市场上流行普及起来，也许会成为促进轻型电动车向微型 电动汽车过渡的重要一环。事实上，个人用的包覆式两轮轻型电动车在技术上已经没有实 质性障碍，但由于其宽度将略宽于人体肩宽，交通管理部门能否允 许其上路会

28、是一个关键问题。成人在骑两轮车时的最大展开宽度是 手臂弯曲突出部的宽度，大约 0.7-0.8m ，整体包覆车辆的内部空间 宽度至少要大于这个宽度，并有一定裕量，预计车辆总宽度会增加 到 10%-15% 。交通管理部门可能提出的理由是这种产品略多地占用 了道路资源。但是，笔者认为，尽管如此，但适度发展一些单人包 覆式的两轮轻型电动车是十分必要的，它可以吸引一批有汽车消费 能力的顾客及早地加入到电动交通的行列中来，为未来的微型电动 汽车的面市储备消费基础和营建市场环境。市场需求的进一步提升就是“中国式的微型电动汽车” ，对此我 们可以在现有的两轮轻型电动车的基础上分两步达到这个目标：第 一步目标是

29、将运行功率扩大到 4-5kw ，车辆宽度限制于 1m 左右， 可座两人的低速车辆 （45km/h ），限制于在 “慢速道路” 上行驶 （非 机动车道或在路面的最右侧） ，车辆允许包覆，主要用于日常个人交 通和接送儿童上下学交通。对于这种车辆的各项技术要求，目前的 技术水平已完全可以在短期内 （1-2 年）实现， 关键仍然在于是否开 放其使用环境的问题；第二步的目标就是开发一种性能基本接近目 前的微型汽车（小排量汽车）水平的微型电动汽车，设计功率进一 步扩大到 10-20kw ，平均行驶速度为 40km/h ，最大速度 80km/h ， 可以行驶于城市的主要道路（非高速公路） 。显然，第二步目标

30、的产业化之日就是中国电动汽车正式大规模 普及之时，我们可以指望在 5-10 年内达成这个目标。 二、中国式微型电动汽车的技术指标框算 这是一种适合在中小城市和农村道路上行驶的低速交通工具， 最初的最高时速可能需要小于 80 km/h ，（随着技术水平的提高逐步 上升），考虑到技术及成本因素，其配置的电池容量尚不能过大，因 此，从最实用的角度可以确定的大纲为：速度 30-50 km/h ，一次充 电至少可以行驶 70-130 km/h 。从经济性和可循环的角度考虑，她 仍然应该采用铅蓄电池作为储能部件，铅蓄电池的目前平均水平已 经可达到 35wh/kg ，优秀的可达到 40wh/kg ，循环寿命

31、大于 350 次。如及时发展先进的蓄电池（如水平电池、双极性电池等） ，则容 量比可提高到 50wh/kg 。电池重量和使用成本 ：非寒地区的标准配置大约为 200kg ，总容量可以达到 8kwh ，先 进水平则达到 10kwh 。目前轻型电动车使用的电池价格大约为 20 元 /kg ，微型电动汽车的电池因为总容量较大而节约了部分生产成 本，价格大约可以下降到18-20元/kg ,约为3600-4000元。当前， 废电池的回收价格约为 5元/kg，则总回收价格为1000元，消费者 在电池寿命期内承担的电池使用成本为 2600-3000 元。空车质量： 目前微型汽车空车质量，以长安铃木为例，大约

32、为 670kg 。微 型电动轿车没有发动机和油箱系统，将不含电池组的整车重量控制 在 600kg 内是可行的， 含电池组的整车重量则可以控制在 800kg 以 内水平。运行功耗的计算：以载重200kg和车辆额定总重量为1000kg为基准来计算微型 电动汽车的功率消耗指标。考察一辆标准的电动自行车运行情况，在总质量 120kg条件下以20km/h的速度在普通路面上行驶， 按电池容量和行驶里程估算，其平均的总输入功率为 180w，设电机效率75%，则平均总驱动功 率为：N=180 X0.75=135W，估算人体实际的迎风面积为 S=0.4 X11.5=0.6m 2，设风阻系数 K=0.6，则风阻功率为： N= (fl ) =?1SK V3=2 X0.6 X0.6 X1.26 X5.563=39W 40W。其中 p 为空气比重为1.26kg/m 2, V为车速为5.56m/秒。再推算用于启动的平均功 耗占总功耗的15% ,大约为20W ,由此可以得出克服摩擦力的功耗 大约为 75W。(135w=40w+20w+75w )假设一个“电动车辆克服摩擦力的功率消耗(摩擦功耗)是随 重量和速度而线性增长”的简单数学模型，依据轻型电动车的实证 数据推算，一辆总重量为 1000kg 的微型电动汽车在20km/h时的 摩擦功耗达到：75 X1000