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优秀作业秋风渐起——燃油车的退出

来源：乐视足球高清直播发布时间：2024-01-07 15:43:54

本文是2019年秋季学期的核心通识课程“化学与社会”课上的优秀课程作业，作者是北京大学光华管理学院2017级本科生杨云舒。

本文作者围绕汽车市场中新能源车强势崛起的背景，具体分析了新能源车的需求、我国积极推行汽车新能源化的原因以及电动车与燃油车技术特性的优劣，据此讨论了可能的解决方案和未来的发展，并对自己认可的解决方案进行了MATLAB仿真验证。

特斯拉的强势崛起，让世界看到了人类出行的另外一种能源形式的可能性。随着电动车昂首阔步迈入人类历史的镁光灯下，一些国家的政策制定者已经制定出了传统燃油车退出的可行时间表，而中国能源与交通创新中心已于2019年新鲜出炉了《中国传统燃油汽车退出时间表研究》。

如果深入研究，一些问题随之而来：国家为何选择让燃油车退出？燃油车与电动车在每个方面孰优孰劣？存在什么样的解决方案？未来将走向何方？我个人对此非常感兴趣，虽然自己不是理工科，但是通过咨询身边理工科的朋友以及有关数据收集，希望深入到具体的技术层面做多元化的分析，提出一些有理有据且较为深入的观点，同时我对自己认可的解决方案做了简单的MATLAB仿真进行验证。

在政策的扶持下，即使是车市下行的今天，新能源车在2019年1到9月累计销量67.2 万，仍实现了相比去年63.6%的增长。这其中有多少是政策引导的因素我们不得而知，但是从全球来看，以特斯拉为例，特斯拉的Model S型电动车慢慢的变成了中高级豪华车市场的销量冠军，而被特斯拉创始人马斯克寄予厚望的Model 3车型，销量也位列同级别桂冠。严谨地说，众多国际大国也有对新能源车的优惠政策，但特斯拉取得这样的销量或多或少证明了特斯拉的电动车相比传统燃油车是有它独特的吸引力的。也就是说，电动车理论上讲，是能轻松实现比燃油车更大的吸引力的，虽然特斯拉的特例目前并不能完全推论至中国车企，但这间接证明了国内新能源车市场需求端的潜力。

我国是推行汽车新能源化最为积极的国家之一，主流观点认为环境污染为最重要的因素，对此我持稍微质疑的观点。燃油车的排放确实对环境有严重的污染，但是电动车生命周期内的污染，目前没有人有定论。生产电池的过程中、电池报废后，这些容易被大众所忽视的污染都是目前情况下无法量化的，因此说电动车比燃油车更为环保目前并没有根据。因此，接下来我想从石油与弯道超车两个角度论述我眼中国家选择燃油车退出的重要原因。

在我看来，战略因素是国家的重点考虑。2018年，我国进口46190万吨石油，当年仅出口263万吨石油，当年原油消费量为64800万吨，石油对外依存度达 71.2%，并有逐年升高的趋势。据统计，我国超过一半的石油进口来自中东及非洲地区，海路几乎一定要经过霍尔木兹海峡与马六甲海峡（如图1所示）。由此可知，石油来源地与石油通道过于集中，且进口石油的几条重要海上通路均由美国的盟友把控。从国家安全的角度考虑，一旦大国关系或者局部地区的局势出现一些明显的异常问题，极易引起我国能源危机。虽然我国在巴基斯坦建立了瓜达尔港，建立了大量的油库屯油，以防备战时关键通路被堵塞这样的一种情况出现，但是要想根本性解决这样的一个问题，还是要从需求端下手。因此我认为，国家推行电动车，从政治与国家安全层面考虑，意在让我国摆脱对国际原油的依赖，提升我国的战略安全性。

在传统的燃油车方面，我国很难与其他工业强国的底蕴相比，很难实现超越。但是在电驱动形式这一领域，我国并没有与外国有显著差距。因此，这是一个中国汽车工业弯道超车的机会。

这里面的道理很简单，整车最重要的三个核心部件是：发动机、变速箱和底盘，其中前两个在电动车上几乎不需要，国外在发动机和变速箱上面几十上百年积累的优势放到电动车领域完全没有用处。

对于电动车来说，电池是重中之重，而且电池占整车成本高达40%，谁能把电池做好，谁就能在电动车领域领头。从市场占有率上看，2017年中国动力电池出货全球占比已达到65%，2018年比例稍有下滑但仍保持了第一的位置。2018年全球动力电池出货量排名前十的企业中，中国占据了其中的6家，其中宁德时代已位列全球第一（如图2所示）。我国率先发力电池核心技术，并已形成了具有竞争力的电池产业。

同时，我国有全世界最大量的稀土资源，而电动车电机如果采用效率较高的永磁电机，则需要大量用到稀土。

所以我们大家可以看到，电动车跑高速的续航里程小于城市工况的续航里程，而汽油机则与之相反，高速油耗低，反而是城市道路油耗相对较高。

这带来的问题就是，平时城市工况下电动车是在自己的最高效率的工况下工作，而高速公路上，则变成了汽油机工作在自己的最优状态下。可想而知，人们用车需求绝大部分都在市内，少有城际驾车出行需求。

电动车由于机械性能的影响，在起步瞬间达到最大扭矩，因而可以实现更加优秀的加速性能，但是进入高转速区间，动力和效率都显著下降。

一般而言，从起步来看汽油车是要比电动车慢不少的。汽油车的王者布加迪零百加速时间甚至还不如特斯拉的轿车。但是在高速性能方面，汽油车呈现完胜的态势。功率相同的电动车和汽油车，汽油车的极速一定远高于电动车。例如，布加迪的Chiron能够跑到500公里每小时，与之功率参数相当的特斯拉 Model S 极速只有250公里。

但是，究竟加速性能和极速大小哪个对于普通消费者更为重要呢？我个人认为是加速性能更为重要。在城市道路中，我们几乎不可能跑到100公里以上的时速，但是平时急加速超车这种动作还是很常见的。电动车的动力是一踩马上有，而汽油车动力的延时则非常影响驾驶体验，在涡轮增压的车上，甚至还要等涡轮起压，更加降低了驾驶乐趣。

但是，电动车有一个好处是家家户户都有电，完全可以每天使用完成后开到家里的车库直接插上充电，第二天使用的时候再拔下来，完全不耽误时间。由此我们可以得出结论，对于家里有充电桩安装条件的家庭来说，电动车的使用方便程度甚至可以高于汽油车。但是，造车新势力头部企业蔚来汽车曾经做过一个调研，结果显示国内电动车用户家里有充电条件的不到20%，也就是说大部分的电动车用户，平时最头疼的一件事情就是充电。而许多媒体的调查显示，国内充电桩的运营也呈现了一片乱象。不仅有的充电桩会坏掉而无人维修，充电桩与车辆适配极差导致充电速度极慢，更有燃油车占用电动车充电桩车位导致电动车无法充电这些事情。即便没有这些乱象，电动车充电也足够让人头疼。充电的时间太长，而且很多情况下要排队，导致电动车用户大部分时间被浪费在充电这件事情上。

同时，补能效率低下还带来了一个大问题就是长途出行的里程焦虑。我们对燃油车一般不关心续航里程，因为我们知道如果我们快没油了，进一个旁边的加油站五分钟就可以加满油重新出发。而电动车里程焦虑主要体现在充电过于缓慢，而且充电桩分布相对加油站而言还是略显稀少。同时，对于选择更快的充电，车主们也会有顾虑，因为更快的充电意味着电池寿命的减少。因此，电动车出远门是一件让人头疼的事情，一些汽车博主甚至认为电动车出远门会给人带来生命危险：高速路上没电了，容易发生事故；寒冷的冬天没电了，没法开暖风，前不着村后不着店人可能就冻死了等等。

从使用寿命上来讲，汽油车和电动车呈现了两种不同的特性。汽油车机械结构复杂，因此容易出现更多的小故障，因此汽油车基本上车上各个大件都是同步老化的，不会出现某个东西提前很多坏了的情况。而电动车则恰恰相反，由于结构极其简单，因此电动车的机械结构损坏的概率极低。

但是电动车上最贵的大件，电池，是寿命最短的，理论而言电池会随着使用次数的增加而容量越来越少。很多人认为新能源车的电池在使用五年之后效率将大幅降低，那么实际的数据是怎样的呢？图4为特斯拉给出的上百位用户数据汇总图，数据显示，在行驶了10万公里后，大部分车主的电池容量仍然保持在90%以上。已经有一部分车主行驶到了15万公里以上的区间，但电池容量仍然保持在了85%以上。如果一年跑1万公里，10万公里就是10年；如果一年跑2万公里，10万公里就是5年。以上数据证明，电池效率虽然会降低，但是还是基本处于能满足日常用车需求的范围内。

与之相伴的便是保值率的问题。一辆北京汽车的EV150二手车，即便更换电池，更换后卖出的价格甚至还不如电池的价格高，可见电动车的保值率也是无比的低。

通过以上四个方面的分析我们能够正常的看到，电动机驱动这种形式从机械特性的角度来讲是更加适合城市用车的场景的，也就是更加适合绝大多数的用车场景。但是，在相应的配套设施齐全之前，以及电池使用寿命问题得到解决之前，电动车的使用始终在便利性上比不过汽油车。

我认为在现如今电池技术以及配套设施未建设完全之前，一个可行的解决方案是，增程式电动车的方案。汽车配有一个大电池，能够应付大部分城市用车的场景。针对远途用车，汽车同时配有一个汽油发电机，可以通过发电机产生电能继续驱动车辆前行。

我始终认为，完全由电池驱动的车并不是一个非常好的方案。电池生命周期内带来的污染尚不可估计，而电池恼人的技术特性更是让它不适合未来的人类社会。在我看来，未来甲醇燃料电池或者氢燃料电池，配以传统锂电池所构成的混合动力将成为主流。我总计的锂电池与燃料电池的优缺点如下表所示：

燃料电池的一个核心问题是输出功率目前没有办法做到很高，但是由于锂电池的存在，燃料电池采用一种贪心的策略，即每当加注燃料以后马上开始工作，无论停车还是开车都不停地工作直到燃料耗完，这样，我们相当于通过锂电池作为一个积分器，抹平了平时用车期间的一些瞬时高功率输出对燃料电池的影响。而燃料电池的输出功率，很容易做到大于平时用车的平均功率，在这一点上二者的技术特性也得到了有机结合。

为了更好地表达锂电池“抹平”用车时瞬时大功率输出的问题，我通过MATLAB进行了该设想的仿真。假设燃料电池的放电功率恒为1，使用过程中放电功率为平均功率1加一个高斯噪声，电池一开始存储有能量20，仿真结果如下：