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家用小汽车的能量利用效率分析

来源：花匠小妙招时间：2024-12-07 18:13

交通工具的能耗一直是一个受到广泛关注的问题，而保有量巨大的私家车消耗的能源同样是一个十分惊人的数字，本文将通过简单的分析计算来说明私家车在能量利用方面存在的问题，同时指出解决相关问题的思路和方向。

首先来做一个定义，车辆等交通工具的能量利用效率是其消耗的燃料或电能蕴含的总能量（化学能或电能）中最终用于驱动被运输人员或货物的能量所占的比例。比如，一辆汽车行驶一段距离，消耗了若干汽油，这些汽油蕴含的化学能为44000kJ，其中移动所载人员消耗的能量为4000kJ，则这辆汽车的能量利用效率约为9%。按照这一定义，要知道一辆家用小汽车的能量利用效率，我们需要了解能量在各种形态和各个环节之间的转化过程。

对燃油车辆来说，能量的初始形态是燃料中蕴含的化学能，随后的转化过程见下图。

燃油车辆中能量的转化过程

在图中还给出了不同环节的典型效率，分别是：发动机热效率35%，变速箱传动效率75%，传动部件机械效率90%，车轮驱动效率90%。综合这些环节之后，可得到从液态燃料（Fuel，F）内部化学能到汽车本身（Car，C）运动机械能之间的能量转化效率：

燃油车辆中燃料到车辆（Fuel to Car）的能量转化效率

而车辆运动的机械能中有效负载（乘客及货物）的能量占比，等于乘客及货物质量占车辆总运动质量的比例，所以燃油车辆的能量利用效率为：

燃油车辆的能量利用效率

根据这一关系式，典型使用工况下的燃油车辆的能量利用效率为：1、上下班通勤，车内仅驾驶员1人，取GPass=80kg，车辆自重GCar=1400kg，则ηFtoP=1.13%；多人出行，乘客最多5人，少量行李，取GPass=400kg，车辆自重GCar=1400kg，则ηFtoP=4.4%。

可见，如果不考虑车辆载重对汽车工作效率的影响，则车辆满员时能量利用效率ηFtoP最高，但也不到5%，也就是说燃料蕴含的总能量中95%以上都被浪费掉或是用于驱动车辆本身，当车内仅有驾驶员一人时，能量利用效率仅约1.1%，能量浪费情况将更为惊人。

接下来是近年来异军突起的新能源汽车（电动汽车），其能量转化过程要从用燃料发电开始，见下图。

电动汽车中能量的转化过程

图中同样给出了不同环节的典型效率，分别是：发电机发电效率38%，电网输电效率95%，蓄电池充放电效率90%，电动机工作效率92%，传动部件机械效率97%，车轮驱动效率90%。综合这些环节之后，可得到从液态燃料（Fuel，F）内部化学能到汽车本身（Car，C）运动机械能之间的能量转化效率：

电动车辆中燃料到车辆（Fuel to Car）的能量转化效率