增程式電動車 解決你的充電焦慮症

隨著技術的不斷成熟與相關零組件成本不斷降低,性能提昇的增程式電動車近幾年逐漸成為市場關注焦點;增程式電動車有何巧思?為什麼我們認為在電池技術與成本沒有突破性進展的今天,增程式電動車是最適合當前市場的電動車技術?請看我們的分析。

文 許鴻德

近年來全球電動車市場不斷擴展,特別是在美國、歐洲以及中國這三個地區;2015年全球電動車銷售為45.5萬部、2016年則達到70萬部,其中2015年中國市場的電動車銷售為17.11萬部,首次超越美國的11.65萬部、成為全球電動車第一大單一市場。2014年之前,美國一直是電動車的領先國家,但2015年後歐洲和中國反而超越美國,2016年大陸的電動車市場以突破30萬部的成績遙遙領先。

經過多年發展之後,車用鋰電池成本已經下降很多但依然不菲,GM集團是研發電動車型歷史最悠久的廠商,並推出最適合目前狀況之增程式電動車技術。

電動車普及化 仍受鋰電池重量與成本限制

從1996年GM集團推出第一款商用電動車型EV1,一直到Tesla創始人兼首席執行長Elon Musk計畫於2017年底(該廠成立14年之後)推出售價在35,000美元的電動車產品Model 3(與當今汽油引擎新車的平均價格相差不遠),電動車複製了過往手機、錄影機和個人電腦的發展道路:先向狂熱的消費者銷售最昂貴的產品,然後從中獲得資金來研發讓大眾都買得起的產品。而2016年發表、2017年即將問世的Model 3車型意味著電動車或將成主流:Model 3是一款5人座轎車,一次充電續航里程346公里,從靜止加速到每小時96.5公里只要不到6秒鐘,而不包含補貼的價格(35,000美元)更是瞄準主流消費群。

從1996年GM集團推出第一款商用電動車型EV1,一直到Tesla計畫推出售價約35,000美元的電動車Model 3,電動車可說是複製了過往手機、錄影機和個人電腦的發展道路。

時至今日,電動車雖然早已不是什麼稀奇玩意,但距離全民普及仍有許多硬體限制:而最大關鍵就是經過多年發展之後,車用鋰電池成本已經下降很多但依然不菲。

目前國際平均水準是每度電(kW-h/仟瓦-時)的電池成本大約是800~1,000美元(仍在持續降低中),一般電動車要達到100公里續航里程需要20kWh以上的電池容量,這意味著僅是電池成本就要2萬美元。同時,電動車有限的里程仍然是它無法逾越的障礙。雖然統計研究表明,純電動汽車單次充電可以滿足90%的日常行駛需求,但用戶遇到偶爾超出電動車可用行駛里程或者恰好在電池無電可用的時候,純電動汽車就顯得「束手無策」。目前,針對前述缺陷,能夠兼容魚與熊掌的增程式電動車(Range-extended electric vehicle,R-EEV)就成為矚目的焦點。

VELITE 5與市面上多數PHEV不同,由於電池容量顯著增加,VELITE 5是第一款能夠純電驅動行駛超過100公里(可達116公里)的插電式增程混合動力車;若再結合高效增程模式,車輛總續航里程可高達768公里,實現新能源汽車「無充電焦慮」的無障礙城際通行。

Buick推出VELITE 5 再次叩關中國市場

增程式電動車可說是最近10年才為大眾所熟悉,2007年8月Chevrolet Volt概念車在底特律亮相。通過獨創的Voltec 電力驅動技術,在標準的220V普通家用電源為其T型16kwh的鋰離子電池充電6.5小時後、Volt就能純電驅動方式行駛80公里。但如果在電量不足情況下也有行駛需求時,車內1.4升引擎將啟動、驅動發電機產生電能供給電動馬達,35升的油箱容積可延長約490公里的續航里程。

性能提昇的增程式電動車亦再次進入中國市場:上汽通用推出了續航里程高達768公里的插電式增程混合動力車Buick VELITE 5,價格僅是當時進口Volt車型的一半。Buick VELITE 5車內的EREV增程式混合動力系統由一具1.5升自然進氣引擎、一套擁有控制器的電驅系統以及一個容量為18kWh的鋰離子電池組所構成。

由於電池容量顯著增加,VELITE 5以純電行駛為優先駕駛模式(超長純電續航里程可達116公里),是第一款能夠純電驅動行駛超過100公里的插電式增程混合動力車;若再結合高效增程模式,車輛總續航里程可高達768公里,實現新能源汽車「無充電焦慮」的無障礙城際通行。

借鑒第一代Volt的寶貴經驗,第二代全新Volt在許多性能指標上都有明顯提昇。

VELITE 5綜合油耗僅為每百公里0.9升,是中國市場首款百公里油耗低於1升的國產混合動力汽車。最後VELITE 5在電動模式和增程模式下都採用高效合理的動力分流(Power Split)技術,充分發揮電動馬達和引擎的各自優勢,實現能效最大化,並在任意電池電量狀態下給予用戶一致的性能表現。

圖說05-1+05-2;VELITE 5與市面上多數PHEV不同,由於電池容量顯著增加,VELITE 5是第一款能夠純電驅動行駛超過100公里(可達116公里)的插電式增程混合動力車;若再結合高效增程模式,車輛總續航里程可高達768公里,實現新能源汽車「無充電焦慮」的無障礙城際通行。

Buick VELITE 5增程型混動車的續航里程能匹敵傳統燃油車與Model S 100D頂級電動汽車,而它僅用了一個34升小油箱與18kWh電池組,在成本與車重都有極大優勢。

BMW與其他品牌 亦看好增程式電動車

BMW也選擇在入門電動車型i3車內提供增程式電動套件,BMW i3是汽車歷史上第一款大量使用碳纖維材料的量產車,根據計算,在i3與i8車型內使用碳纖維所減輕的重量基本上可抵消電動車內電池增加的額外重量。由於車身重量減輕了30%,行駛同樣遠的距離可減輕對電池模組的需求,BMW工程團隊認為這是一種非常有效的折衷方案。

在車體與底盤方面,BMW i3選擇以碳纖維複合材料車身及鋁合金底盤的組合,其中碳纖維車體部份總重量僅180公斤,但高強度特性可確保車內乘客與高壓電池模組的安全性。最後結果是車身總重較同級車減輕50%:車長近4公尺的BMW i3全車重僅1195公斤。BMW i3車內搭載總容量22kWh、由8個鋰離子單元組成的電池模組、每個單元由12顆鋰離子電池所構成。加上BMW特殊設計的外殼和固定系統保護後總重約230公斤,原廠則提供此套電池模組8年或10萬公里保固。

BMW i3車內搭載總容量22kWh、由8個鋰離子單元組成的電池模組、每個單元由12顆鋰離子電池所構成。

這樣的電池容量與主要對手Tesla Model S相比略有遜色:該車型的Signature Performance頂級版本包括一組容量高達85 kWh的鋰離子電池(重量將近700公斤),電池容量較小的Model S入門版本則包括起價57,400美元(搭載40kWh的鋰離子電池)以及起價67,400美元(搭載60kWh的鋰離子電池)。

而針對電動車基礎設施還未成熟的地區(包括亞洲市場),BMW則主推增程動力車型i3 Range Extender。i3 Range Extender除了可輸出170匹最大馬力、最高轉速為11400rpm的同步電動馬達之外,另搭載一顆擁有34匹最大馬力的650c.c雙缸小引擎(並非直接驅動車輛而是推動發電機發電)。在日常使用的情況下,純電動版本i3預計擁有130至160公里的行駛距離,在ECO Pro+節能模式下的最大里程則上看200公里。增程動力車型儘管因為引擎和油箱的搭載而增加車重至1315公斤,卻可提高最大行駛距離來至300公里,更加實用。

針對電動車基礎設施還未成熟的地區(包括亞洲市場),BMW主推增程動力車型i3 Range Extender,選配價格約4,000美元。

Audi A1 e-tron增程版亦搭載一具排氣量極小的轉子引擎(排氣量254c.c.、引擎加上發電機模組總重僅70公斤),該車在純電動模式下、車輛可連續行駛50公里,如果行程超過前述距離、小型轉子引擎則對電池進行充電並增加車輛續航里程(增加200公里),增程轉子引擎噪音低、幾乎不產生振動並具有良好的駕駛體驗。

而中國業者近年亦先後推出增程式電動車型:2010年在深圳,配備了8kW自動開啟增程器的奇瑞增程式電動車S18D-REEV亮相、其續航里程可達300公里。2012年吉利展出了GPECs(Geely Plug-in Electric Car)-EC7車型,使用輸出功率為50kW的1.0升直列3缸引擎搭配最高輸出功率為70kW的電動馬達,並搭載15kWh磷酸鐵鋰電池,純電續駛里程為60公里。2013年江淮汽車推出iREV,搭載一具35kW引擎搭配兩台永磁電動馬達,電動馬達總功率為91kW並採用12kWh的磷酸鐵鋰電池。2015年底廣汽推出GA5增程式電動車,動力系統為一具永磁同步電機、1.0升引擎與13kWh磷酸鐵鋰電池組,電池組可提供最多80km純電續航里程,配合45升油箱與汽油引擎可延長總續航里程至600公里以上。

設計哲學符合當今市場與國情

增程式電動車為「串聯式插電混動動力系統」,對比「並聯式插電混動動力系統」,串並聯之區分在於是否存在兩套驅動系統(主要區別在於是否存在變速箱及傳動系統),例如Buick君越混合動力版30H、比亞迪混合動力SUV車型「唐」都屬於「並聯式插電混動動力系統」,車內搭載內燃式引擎與電動馬達兩套完整驅動系統,在不同狀況更替著驅動車輪;而Buick VELITE 5、BMW i3等增程型混動車僅將內燃式引擎能量單向轉化為電力、電力再單向轉化為動能的設計就屬於「串聯式插電混動動力系統」。

部分行業人士認為近幾年增程式電動車在大中華市場的發展不算成功,主因在於這類車型只是燃油車演進至電動車的過渡車型,加上增程式混動車並非所有路況都有高能源使用效率,例如在高速路段時,內燃式引擎直接輸出動力將更經濟,而增程式混動由於多了油轉電環節、會造成不必要的能源損耗。

前述見解主要出自於對電動車的誤解:以Buick VELITE 5為例,其純電池動力續航里程已超過100公里,滿足絕大多數人每日用車所需,採用內燃式引擎發電的機率少於10%以下,而以Toyota Prius為首的並聯式插電混動動力車型,由於電池容量極小(約4-5kWh,僅為VELITE 5的四分之一),多數情況都是使用內燃式引擎驅動車輛(環保效益亦十分有限),兩類車輛從設計思維出發點就有所不同,混為一談並不適當。

而電池重量與電動車性能亦息息相關;舉例而言,特斯拉頂配版Model S 100D若保持70公里的時速並開啟空調,滿電續航里程是744公里,該車搭載100kWh電池組,光是電池組的重量就超過700公斤、更不要說電池組成本超過6萬美元以上。反觀Buick VELITE 5增程型混動車的續航里程能匹敵傳統燃油車與Model S 100D頂級電動汽車,而它僅用了一個34升小油箱與18 kWh電池組,不論是成本(增程套件總成本約4,000~5,000美元,換算成電池容量僅能增加5kWh)與車重(增程套件總重不超過100公斤)都有極大優勢,Buick VELITE 5還少了傳統變速箱,這又減少了100~150公斤的重量(包含7公升的液體變速箱油)與變速箱的體積佔用,我們不得不佩服GM集團工程團隊的巧思。

目前許多跡象都顯示增程式電動車前景十分光明,甚至或由民用車逐漸擴張至商用車領域;電動客車/巴士之所以價格昂貴,主要都來自於電池成本。如果能減少一半甚至2/3的電池裝載量,無論成本還是車輛載重負擔都能減少很多,而增加的增程套件成本完全可以在其中抵消,甚至還能使整車價格更低。

以Toyota Prius為首的並聯式插電混動動力車型,由於電池容量極小(僅為VELITE 5的四分之一),多數情況都是使用內燃機驅動車輛(環保效益亦十分有限)。

根據Taylor Nelson Sofres市場研究公司對家庭用車每年超過130km的問卷結果顯示:對於第二選擇用車,一年行車距離從來沒有到130公里的佔比為15%;一年行車距離超過130公里的頻率在1~6次之間的佔比為12%;頻率在7~15次之間的佔比為4%;頻率在15~30次之間的佔比為1%;頻率超過30次的佔比趨近於0%,不論是從成本、使用便捷及環保效益角度來看,類似Buick VELITE 5的增程式電動車都是前述客群最合適的選擇。

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