为什么电动汽车跑高速反而更耗电呢?

为啥电动车跑高速反而更费电?说的好像燃油车跑高速就不费油似的。车辆的极速与加速度都由输出功率决定,高速行驶=高功率输出=高功耗。所以无论油车、电车跑高速时的功耗都比低速行驶更高,既然能耗都很高那么比什么?答:比能量储备。

道理很简单,速度与功率输出是呈正比例关系的。也就是说车速越高、需要的功率输出越高,而输出功率越高、耗能越大。这与效率高低没啥本质的关系,即便一台机器100%的效率,时速100km的功耗依然比时速30km的功耗更高。所以无论是电车还是油车,跑高速时功耗都更大,简单理解就是跑高速油车更费油、电车更费电。

没有变速箱是电车高速续航差的根本原因么

显然不是,有没有变速箱与电车高速续航差几乎没啥关系。对于燃油车而言变速箱具备两个作用,其一改善内燃机低转速扭矩差的问题、让起步变得更容易。其二通过对转速以及扭矩的控制来维持发动机的效率,内燃机的效率有多低?平均35%左右,没了变速箱直接跌落到10%-15%。而落差接近20%左右。

而电机呢?由于电能品级就比化石能源更高这导致驱动电机的效率普遍在90%以上,且几乎全域在90%以上。当然一些先进电机的效率能达到95%甚至更高,可即便如此效率落差也不过5%左右,100%不现实、那成了永动机。而对于扭矩特性强大的电机而言不需要变速箱放大扭矩即可完成车辆起步,其次效率恒高也用不着变速箱调节。

所以变速箱对纯电汽车而言几乎无用,当然不能说一点用没有,只是不大。如上图所示采埃孚打造的2AT电车变速箱,这台变速箱能提高续航里程只有5%。当然变速器的加入提升最明显的是极限速度,极速方面的收益是最大的。否则保时捷taycan拼极速真的比不上特斯拉的model s,所以采埃孚的这台变速箱开发目的主要是提高极速,至于5%的续航提升只是附带品。

电车高速续航差的真实原因

纯电汽车上的很多问题其实在燃油车上也存在,比如燃油车的高速续航也差或者说高速续航里程没有中低速续航长。比如一台2.5L的车子保持60-80km匀速跑高架桥,油耗在6升出头。而当其保持120km匀速行驶时,油耗能达到8-10个,燃油车是不是高速行驶也会更费油?答案是显而易见的,油车跑高速也是更费油的。

既然油车、电车跑高速功耗都高,那么决定成败的关键是什么?答:能量储备。谁的能量储备更高,谁的续航能力就更强。那么只要对比下1L油与一度电的能量大小即可,这并不复杂。1度电完全转换为能量大约可提供约3.6兆焦耳,1L汽油完全转换为能量可提供约35兆焦耳热量。所以1L汽油蕴含的能量约=10度电。当然这里面涉及到能量转换的问题。

内燃机效率先天低下,按照平均35%的效率计算,1L汽油所能提供用于车辆行驶的动能约=3.5度电,当然这是按照电机100%效率计算的。也就是说一箱油(50L)等价150-170度电的动力电池包。也就是说一台电车想做到与搭载50升油箱的卡罗拉等量的高速续航里程,需要搭载150-175度的电池包。关键是重量差异还不能太大,搭载150度电池包的电车重量预估在2.5-3.0吨之间。这几乎是个目前不能解决的问题。

如今电车配备的电池包大都是50度、75度以及100度的。等价于14升、21升、28升的油箱,但市场中燃油车油箱最小的也在40升以上。也就是说就目前电车所搭载的各种容量的电瓶均不能与同级别的燃油车叫板高速续航里程。当然电车由于带大梁的底盘+电池包导致重量往往远高于同级别燃油车,这进一步限制了纯电汽车高速续航能力。

所以电车高速续航高的原因是啥?本质就是能量储备不够、耗不起。燃油车高速续航功耗更高,但因为能量储备足、充能速度非常快所以消耗得起。为电车增加变速箱几乎没啥实际意义,5%的续航提升用几万元钱去换实在不划算。这就是如今绝大多数纯电汽车品牌的产品不配变速箱的原因,不是不能配备、市场中有成熟的产品,只是这么做有点费力不讨好,消费者愿不愿意为5%的续航提升而用几万元买单是个大问题。




任何驱动系统都是车速越高能耗越高·油电相同

问:

为何电动汽车跑高速更耗电?


这个问题的潜含义是燃油汽车高速公路油耗低,城市道路油耗高,电动汽车为何会相反;似乎燃油车可以违背自然规律,电动汽车存在什么缺陷似的。咱们来简单分析一下这个问题吧。

  1. 阻力
  2. 动力

发动机输出的动力要克服行驶阻力才能让车辆前行,动力越强车速才会越高;动力参数可以用功率或马力来理解,公制马力单位为Ps,1Ps为七十五公斤力。简而言之概念为一马力可以驱动75公斤的物体以每秒每米的标准运动,想要提高车速就要增大马力,比如2Ps/75kg=2m/1s;反之马力不变质量增大则速度会减慢,比如1Ps/150kg=0.5m/1s。

这说明了什么呢?

答案其实很清晰了,车速80km/h的时候,车速120km/h的时候,车辆需要的功率和马力绝对不是一样的;毫无疑问车速120km/h的时候需要更大的马力,马力≈扭矩×转速÷9549(=功率)×1.36。想要提升马力就要提高转速和增大扭矩,涡轮增压机在中低转速区间扭矩不变的时候,也只能依靠提高转速来提升马力。


燃油车使用的是四冲程内燃机,转速指曲轴每分钟转动的次数,转两次做功一次;做功的方式是燃烧燃油产生内能,通过内能(热能)和发动机的机械结构转化为机械能、也就是动力。那么转速越高就等于每分钟喷油做功的次数越多,涡轮增压发动机平均在1500-4000rpm区间会稳定最大扭矩不变,也就是喷油量不变,这种发动机就是转速提升、以提升喷油频率导致油耗升高。

自然吸气发动机在平均每800-4000rpm区间的扭矩是线性提升的,最大扭矩往往只能在4000转或更高的某个窄窄的转速区间内维持峰值;也就是说在平均4000转以内是转速和扭矩的同步提升,也就是每次做功的喷油量都会随转速升高而同步加大,油耗的增长会更高一些——这说明了燃油车同样是车速越高油耗越高。


参考数据:

  • 120km/h对应45kw
  • 80km/h对应20kw

这是需要的功率,就按照大扭矩-250N·m 1.5T发动机为参考吧。

45kw≈61.2Ps,对应的转速为1718rpm;20kw≈27.2Ps,对应的转速为763rpm,这是只谈发动机、不谈传动系和其他因素影响的参数。数据再次印证了车速越高油耗越高的结论,可是事实上是城市道路油耗高、高速公路油耗低,这又是为什么呢?

其实这个结论没有错,实际上城市道路油耗更高也没有错,只是理解上存在问题——城市道路的车速低但是转速并不低,低速挡高频率的起步加速的瞬时转速很高,加速超车时的转速也很高。可是城市道路又无法避免的要因为拥堵而走走停停,于是平均转速就会达到3000~4000rpm区间——决定油耗高低的不是车速而是转速。拥堵道路的平均转速高所以油耗才好,但这还只是多个因素之一。


怠速油耗是不得不计算的哦,单位为「L/1h」(升/每小时);燃油车不开启A/C的怠速耗油量约为排量的三分之二左右,开启后和排量相当,也就是1.5L NA/T发动机对应1.0L/1h、1.5L/1h。启动发动机后停在那不动,每小时也能消耗1.0~1.5L的燃油,这还只是小排量发动机的标准。

燃油车的城市道路油耗实际为:行驶油耗(高平均转速)+怠速油耗。

燃油车的高速公路油耗实际为:行驶油耗(低平均转速)。

汽车还有变速箱,变速箱有不同的前进挡,高速驾驶的大数字前进挡放大车速、降低转速的能力强,120km/h的时速可能只有2000rpm的转速;城市道路用低速挡能够放大扭矩、转速爬升速度会很快,所以即便车速低但平均转速会很高,再加上怠速耗油量自然会更加费油。

但如果都不要计算怠速油耗且不用起起停停的话,在前进挡不变的前提下,80km/h的耗油量一定低于120km/h的耗油量——所以燃油车也从来不存在“车速越高油耗越低”的说法。



电动汽车为何高速驾驶的耗电量比城市道路更低呢?

原因有两点:

  • 没有怠速概念
  • 没有变速箱

电机也是转速越高耗电量越大,这是没跑的。但是电动汽车停车后电机就断电了,动力电池组不需要像油箱一样持续输出,停车就停止放电,所以不存在拥堵等待时的消耗;其次起步加速的时候转速也是合理的,和正常驾驶加速的过程一样。

因为电驱系统没有变速箱,依靠的是电机的转速升降来调速;那么起步加速时就是低转速,车速越高转速越高、耗电量也才会越大。这就是为什么电动汽车不怕堵车的原因,说白了就是没有内燃机的那么多缺点。


反之,正因为电动汽车的车速越低电耗越低,不像燃油车一样有怠速耗油量和变速箱低速挡的问题导致转速过高且车速偏低的问题,所以就「无法凸显出高速电耗低」;这样的描述应该能理解了吧,其实所有车都是速度越快能耗越大。

有些微型车使用0.8-1.0L NA汽油机,这些发动机的扭矩很小、功率很低,但排量基数也很小,低速行驶的油耗就不会很高;高速行驶的时候因扭矩低而需要强拉转速提升车速,转速可以超过4000rpm、有些老旧面包车甚至能超过5000rpm,这些车的高速油耗就会比城市道路还要高。所以不要再说燃油车高速行驶更省油了,只是拥堵道路油耗太高而已,只要道路畅通一定是车速越慢油耗越低,电动汽车也一样。



编辑:天和Auto-汽车科学岛

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电动汽车高速行驶时,电动机需要较大的电流!来付出扭矩。电池做为静能源需要释放出足够的能量电流提供给电动机!而电池组的能量释放是一个化学反应!通常此反应和燃油燃烧作功有天壤之别,通俗地讲化学反应作功没有热爆作功迅猛!这就形成了电动汽车在高速行驶时电池以超常功率输出而不能像燃油车油料迅速补充!毕竟电池的电流输出还受环境等渚多因素的影响!所以动汽车高速行驶时电池电能将很快消耗下去!




这是电动车的一个缺点。电动车没有变速箱,全靠加在电机上的电压控制电机的转数,高速意味着电机上加的电压高同时电流也大。电池有个特点,放电电流越大放电时间就越短,所以显得特别费电。




这个主要是因为风阻,F=(1/2)CρSV^2,F是风阻,C是风阻系数,ρ密度,S迎风面积,这三个都可以看做常数,这时候我们可以简化看做风阻F就等于速度的平方,所以当速度变大的时候风阻就会大幅上升。那么由于我们需要保持速度的上升,那么电机转速就需要上升,并且由于风阻上升,电机的扭矩也要变大,而电机的功率等于扭矩乘转速除9550,由于扭矩和转速都上升,那么输出功率必然跟着上升。电机功率的上升必然伴随效率一定程度的下降。所以主要因素是风阻。

另外,燃油车低速异常费油,高速回归正常油耗。而电车低速和高速都是正常电耗,对比起来自然感觉纯电车高速费电了。

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页面更新:2024-02-11

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