汽车动力能源演变路径的一种可能性分析
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更新时间: 2023/06/10

随着纯电汽车越来越普及,很多人开始相信未来的汽车市场终将会被纯电汽车所垄断,但同时也依然有很多人对纯电车并不信任,毕竟当前纯电车存在的诸多问题很难短时间实现对汽油车的取代。对于汽油与电动之争的可能结局,本文将从一个独特的视角进行分析,尝试为汽车行业的发展方向提供一种新的思考角度。


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汽油与纯电的优劣势对比


以20-30万价格段车型为例,将目前市场主流的汽油车和纯电车从驾驶性能、续航里程、资源配套、使用成本四个主要方面进行对比,可以将各自的优劣势归纳如图1.1。

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图1.1 汽油车与纯电车优劣势对比图


很显然,对于纯电车而言,目前最大的劣势就是续航里程和资源配套。

续航里程方面,纯电车目前不仅续航比汽油车低很多,而且在气温越低的地区,续航的“水分”越大,续航里程可能要打上七折甚至更多,加上一开空调导致的续航骤减,使得车主易产生明显的续航焦虑。


资源配套方面,公共快充桩的资源严重不足,个人慢充桩的申请和安装条件苛刻,加上坏桩多、车位被占、强收停车费、充电时间太久、高速充电困难等问题,不仅制约着购买纯电车的门槛,也让已售的绝大部分电动车都只能作为“城市代步”,不敢跑出150km的城市半径。
虽然纯电车在使用成本上具有绝对的优势,但并不能抵消上述劣势带给车主的不良体验感。现阶段,汽油与纯电的优劣势差异依然十分明显。


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纯电车的超强信号响应能力


虽然在传统性能的比较上,纯电和汽油各有优劣,但是在另一项经常被忽略的指标上,纯电却具有完全胜出的绝对优势:“动力信号响应能力”。即系统收到动力信号后至车辆实际产生动力扭矩所需要的时间快慢。


目前,汽车动力能源主要有柴油、汽油、纯电、强/弱混动、氢能源五种,由于混动汽车的动力本质还是汽油机,因此我们将纯电、氢能、汽油、柴油四种动力能源的信号响应能力进行比较,如图2.1。


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图2.1 各能源动力信号响应时间对比图


可以看出,纯电在动力信号响应能力上相较于其它动力能源具有绝对优势,能够在100ms以内完成对动力信号的反应和扭矩输出。这一项性能指标所带来的影响将在后文表述。


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自动驾驶如何解决拥堵问题


关于自动驾驶技术的作用,一般认为主要有两点:一是取代司机,释放人力;二是实现路网协同,优化路况。而实际上,自动驾驶技术能够实现对人类社会的改变远不止于此,其中很重要的一点就是能够解决交通拥堵问题。
3.1 各类拥堵解决方案


目前已经采用的和未来可预见的拥堵解决方案大致可分为“政策导向、大数据优化、科创突破”三类,汇总如图3.1。


可以看出,目前已经采用的如限行等交通政策并不能真正解决交通需求问题,治标但不治本;而如绿波设计等大数据优化方案,确实一定程度上能够从需求端缓解交通拥堵,但是有明显的瓶颈,能解决的程度很有限。尤其是面对节假日这种高峰出行时的道路拥堵问题,上述两类方案都无法真正起到作用。

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因此,在大力发展政策优化和大数据优化方案以缓解拥堵问题的同时,各个国家和机构也在加速提升交通科技领域的研发创新,亟待通过科技突破实现交通拥堵问题的根本解决。


目前主要的科技突破方向有两类:一是自动(无人)驾驶技术;二是针对交通形式的全方位升级,主流概念有三维交通网(如全域隧道交通、空中立体交通等)和单体飞行器(如飞行汽车、载人无人机等)。


显然,下一代交通形式的实现不仅需要科技创新的重大突破和较长的民用演化过程,也需要对基建、法规等社会配套资源的巨大投入和迭代,目前尚处在概念为主的阶段。而自动驾驶技术却已经开始融入社会生活,具有较强的业界共识和实现预期。


3.2 自动驾驶解决拥堵的原理


拥堵的情况几乎我们每天都会遇到,但如何定义拥堵,可能每个人都有自己的描述方式,并没有统一的说法。为回答这个问题,本文尝试提出了一个“拥堵界值”的定义:
拥堵界值 = 单位车道长度内以正常车速行驶车辆的最大数


举例解释一下,假设在一条限速100km/h的高速公路上,由于人的反应时间有限,为保证安全,司机需要与前车保持50米的车间距,则所有车辆都可以按100km/h的速度在高速上匀速行驶。假设每辆汽车长5米,那么此时在其中1000米长的单位车道上可以同时行驶18辆车。而一旦超出这个数量,则会导致车间距离的必然减少,此时司机出于安全考虑只能被迫降速,这个行为经过传导作用,将导致整条高速通行速度整体下降,这便是拥堵的大部分成因。


此例中,“18”这个数字就是这条道路的拥堵界值。当单位距离行驶的汽车数量小于这个界值时,则不发生拥堵;而当汽车数量大于此界值时,则开始发生拥堵,且数量越多拥堵越严重。


基于此定义我们可以发现,解决拥堵的问题其实可以转化为提升“拥堵界值”数值的问题,因为数值越高越不易发生拥堵,而其本质上就是提升单位距离内可正常行驶汽车的数量。


那么,如何才能提升单位距离内可正常行驶汽车的数量呢?自动驾驶技术给出了可行的方案,也就是在保证安全的情况下最大程度的压缩车间距离。


仍以上述道路模型为例,假设所有车辆仅需要1米的车间距就能实现100km/h时速的同步匀速行驶,那这一公里内的拥堵界值是多少呢?是166,意味着即使同时有166辆车挤在这一公里的高速上,也能正常行驶,不会发生拥堵。而这个数值是原本拥堵界值“18”的将近10倍,这也是交通效率可以提升的10倍。


那么自动驾驶能实现这个目标吗?答案是可以。当道路上行驶的所有车辆都是自动驾驶车辆时,通过车辆间的全数据交互,每辆车都可以实时掌握和预测相邻车辆的行驶状态,智能算法可以轻松实现“高车速&低车间距”的车群同步行驶。实时上,在智能网联车辆封闭道路场所内已经实现了这种自动驾驶模式。


当然,离自动驾驶全面普及还有很长一段路要走,但因为电信号的处理时间远远小于人的反应时间,因此即使只有单车具备自动驾驶功能,也可以在较大程度上缩短该车的安全跟车距离。而随着自动驾驶车辆增多,规模效应会愈加明显。


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纯电车普及的可能性


如上所述,在目前主流的各种技术发展中,自动驾驶技术将是最大程度解决拥堵问题的重要方法。而要实现自动驾驶的先决条件,是车辆本身需要具备超强的动力信号响应能力,因为在精细化的车辆运动状态控制中,信号的迟滞是无法满足系统控制要求的。


同时,如第2节所述,纯电动力相对其它各种能源动力而言,具有动力信号响应能力的绝对优势。因此,从这个逻辑推论,纯电车将有极大的可能性在未来的交通场景中普及开来。


当然,如第1节所述,目前纯电车还有诸多的使用痛点。但是相信随着电池材料发展、社会配套成熟、交通规则细化等方面的全面推进,续航、充电、安全等问题都会逐步完善和解决。


本文仅提供一种思考角度,未来交通领域的演变与发展还依托于全社会共同的参与和推动,相信一个安全且不再拥堵的道路环境会早日到来。