一. 當(dāng)前各種混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車都趨向多種能源角色的組合

　　汽車對(duì)動(dòng)力源的需求不僅是足夠的能量以保證續(xù)駛里程，而且要求提供大幅度波動(dòng)的功率。因?yàn)槠嚰铀俸团榔滤韫β士蛇_(dá)到勻速行進(jìn)功率的十倍以上，甚至還有制動(dòng)時(shí)的強(qiáng)脈沖負(fù)功率能量有待收回。所以，汽車的動(dòng)力源需求具有大幅度功率波動(dòng)的特性，需要恰當(dāng)?shù)母吖β式巧?/p>

　　我國(guó)迅猛發(fā)展的汽車產(chǎn)業(yè)消耗大量汽油，而當(dāng)前傳統(tǒng)燃油汽車無法合理地提供汽車的動(dòng)力源需求，因而浪費(fèi)大量汽油而嚴(yán)重影響節(jié)能環(huán)保和國(guó)家石油安全。傳統(tǒng)燃油汽車只用單一燃油機(jī)來應(yīng)對(duì)汽車大幅度變化的功率需求，只能按照加速時(shí)要求的大功率設(shè)計(jì)，就難免出現(xiàn)在勻速行駛時(shí)”大馬拉小車”的角色錯(cuò)位，而且低效率，也不能回收制動(dòng)時(shí)的能量，嚴(yán)重浪費(fèi)汽油并提高廢氣污染。

　　發(fā)展節(jié)能環(huán)保的新型汽車已是進(jìn)步人類的共識(shí)。當(dāng)前各種五花八門的混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車，都趨向多種能源角色的組合，尋找解決角色錯(cuò)位的最佳方案，希望更好地滿足汽車大幅度功率波動(dòng)需求。

　　二. 增程式電動(dòng)汽車為何比傳統(tǒng)汽車節(jié)油并滿足用戶”續(xù)駛里程長(zhǎng)且充電方便”需求

　　以近期最能滿足用戶”續(xù)駛里程長(zhǎng)且充電方便”需求的增程式電動(dòng)汽車為例，這為燃油機(jī)安排了合適的角色并取得了成功。增程式發(fā)電機(jī)雖然也需燃油，但是基本上只擔(dān)負(fù)勻速行駛時(shí)恒定小功率的能量型動(dòng)力源角色，從而取得比傳統(tǒng)燃油機(jī)節(jié)油一半的重大成績(jī)。

　　增程式電動(dòng)汽車節(jié)油的原因在于其中的小燃油發(fā)動(dòng)機(jī)擺脫了大功率負(fù)擔(dān)，其唯一作用是發(fā)電，可連續(xù)工作在最佳轉(zhuǎn)速下，輸出的功率和扭矩也基本恒定，因而其效率、排放、可靠性等均處在較佳狀態(tài)，是典型的能量型動(dòng)力源角色，成為延長(zhǎng)行駛里程的主力，而且在解除汽車用戶對(duì)非經(jīng)常性續(xù)駛里程的擔(dān)心后，電動(dòng)汽車配置的蓄電池能量只須按每日經(jīng)常性里程(80公里以下)設(shè)計(jì)。車載蓄電池減輕，既減少了每公里能耗，又適合于在夜間停車位或家庭停車庫(kù)用電網(wǎng)谷電進(jìn)行慢充電，有利電網(wǎng)峰谷平衡，從而破解了”電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程短且充電難”的困惑。

　　相對(duì)而言，各種混合動(dòng)力汽車或插電式混合動(dòng)力汽車雖然也采取組合能源，回收了一部分制動(dòng)能量，但是其中的燃油機(jī)仍需應(yīng)對(duì)汽車大幅度變化的功率需求，依然角色錯(cuò)位而難免浪費(fèi)汽油。只有增程式電動(dòng)汽車的小燃油機(jī)輸出功率基本恒定，才能提高效率而取得節(jié)油一半的效果。對(duì)大部分市區(qū)汽車用戶而言，每年總里程中只有20%里程為非經(jīng)常性需要而啟用能夠節(jié)油一半的增程式發(fā)電機(jī)，其余80%里程為零油耗的純電驅(qū)動(dòng)模式，所以增程式電動(dòng)汽車的每年平均節(jié)油率可達(dá)90%，非常接近純電動(dòng)汽車的100%節(jié)油率，而且增程式發(fā)電機(jī)包含的技術(shù)都比較成熟，近期可先上馬實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

　　三. 蓄電池也難以面對(duì)汽車大幅度變化的功率需求

　　純電動(dòng)汽車、增程式電動(dòng)汽車或插電式混合動(dòng)力汽車行駛時(shí)，全部或大部分里程全靠電能驅(qū)動(dòng)，電能通常來自蓄電池。這時(shí)蓄電池替代了傳統(tǒng)汽車燃油機(jī)的角色，面對(duì)汽車大幅度變化的功率需求。那么，蓄電池有沒有類似燃油機(jī)”大馬拉小車”的角色錯(cuò)位問題?答案是”有”!

　　要求當(dāng)前蓄電池同時(shí)兼顧功率型和能量型角色，適應(yīng)功率變化十幾倍的汽車，難免要各方面(包括技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性)作出重大犧牲。理由是：汽車啟動(dòng)加速時(shí)脈沖放電功率很高，制動(dòng)回收能量時(shí)脈沖充電功率更高，而高功率型蓄電池必須設(shè)計(jì)非常薄的電極極板和非常細(xì)的活性顆粒以減少內(nèi)阻并保證活性材料利用率，當(dāng)前在工藝上更不成熟，而且電池中非活性材料(隔膜、集流體等)所占的百分比必然更高。導(dǎo)致結(jié)果是：

　　1. 強(qiáng)功率型蓄電池能量密度更小(只有能量型蓄電池能量密度的50%左右)。意味著同等續(xù)駛里程需要更重的蓄電池。為了應(yīng)對(duì)汽車的高功率而不得不忍痛犧牲了寶貴的”能量密度”指標(biāo)。

　　2. 汽車制動(dòng)能回收時(shí)對(duì)蓄電池強(qiáng)充電，傷害極大，所以只能放棄回收或只回收很小部分能量。難以實(shí)現(xiàn)利用回收的制動(dòng)能以延長(zhǎng)續(xù)駛里程。

　　3. 在壽命與運(yùn)行成本方面，按功率型蓄電池設(shè)計(jì)且運(yùn)行中經(jīng)常遇到強(qiáng)功率充電放電，必將使蓄電池壽命更短，導(dǎo)致折舊費(fèi)即運(yùn)行成本更高。

　　4. 在生產(chǎn)成本方面，強(qiáng)功率型蓄電池制作成本和非活性材料成本更高，導(dǎo)致生產(chǎn)成本更高。

　　5. 在安全性方面，強(qiáng)功率型蓄電池發(fā)生事故時(shí)，瞬間釋放的功率更大，安全性更差。

　　總之，蓄電池在電動(dòng)汽車中的角色錯(cuò)位更加重了蓄電池成本高、循環(huán)壽命短、安全性差和比能量太低的難題，成為當(dāng)前電動(dòng)汽車市場(chǎng)化的又一重大障礙。

　　四. 汽車動(dòng)力源中的理想高功率角色 –-- 超級(jí)電容器

　　燃油機(jī)和蓄電池之外，還有沒有新的動(dòng)力源可以擔(dān)負(fù)起汽車所需要的高功率角色?人們把注意力集中到飛輪儲(chǔ)能和超級(jí)電容器。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)還在萌芽階段，于是，汽車動(dòng)力源中的理想高功率角色 -- 超級(jí)電容器便應(yīng)運(yùn)而生。超級(jí)電容器是高循環(huán)壽命、高功率而低能量的動(dòng)力源。應(yīng)用于汽車時(shí)的優(yōu)勢(shì)是：

　　1. 汽車啟動(dòng)加速時(shí)，主要由超級(jí)電容器提供短時(shí)間高功率，提高動(dòng)力性能;

　　2. 汽車制動(dòng)時(shí)由超級(jí)電容器吸收短時(shí)間高功率，延長(zhǎng)續(xù)駛里程并避免蓄電池受大電流沖擊，而延長(zhǎng)蓄電池壽命;

　　3. 高功率工作時(shí)間短，超級(jí)電容器攜帶的能量不高，安全性高。行駛中隨時(shí)由能量型動(dòng)力源(能量型蓄電池或燃油機(jī))補(bǔ)充充電，即充即用;

　　4. 循環(huán)壽命比蓄電池高出2個(gè)數(shù)量級(jí)以上，可達(dá)10萬次至20萬次。

　　五. 增程式發(fā)電機(jī)、能量型蓄電池和超級(jí)電容器三個(gè)角色各得其所

　　把電動(dòng)汽車需求的能量和功率分別由增程式發(fā)電機(jī)、能量型蓄電池和超級(jí)電容器三個(gè)角色分別承擔(dān)，是解決當(dāng)前電動(dòng)汽車動(dòng)力源角色錯(cuò)位的最佳方案。不僅滿足用戶”續(xù)駛里程長(zhǎng)且充電方便”的技術(shù)性需求，也有利于緩解昂貴蓄電池的經(jīng)濟(jì)性和安全性難題。其優(yōu)勢(shì)是：

　　1. 增程式發(fā)電機(jī)免除用戶對(duì)續(xù)駛里程短和充電難的擔(dān)心，車載蓄電池可以大幅度減少而降低成本，而且每年平均節(jié)油率可達(dá)90%。

　　2. 超級(jí)電容器回收制動(dòng)能量，提高汽車啟動(dòng)、加速和爬坡性能，而且蓄電池由于避開高功率充電放電的沖擊而延長(zhǎng)壽命，降低蓄電池折舊率和運(yùn)行成本。

　　3. 可以采用能量型蓄電池替代功率型蓄電池，能量密度提高一倍左右，同等里程可少用蓄電池，降低蓄電池重量和購(gòu)置成本。

　　4. 能量型蓄電池每千瓦時(shí)的制造成本低于功率型蓄電池。而且蓄電池壽命較長(zhǎng)，折舊費(fèi)下降，運(yùn)行成本降低。

　　5. 高功率型超級(jí)電容器能量不高，沒有燃燒爆炸危險(xiǎn);車載蓄電池較少，且能量型蓄電池功率不高，因而安全性得到改善。

　　(本文作者系中國(guó)科學(xué)院院士)

　　( 編輯/李艷嬌 )

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