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第一代批量生产大众普及型纯电动力家庭乘用车长期运行节点（10年）小结

这是第一代，也是第一款，针对大众普及市场批量生产的纯电动力家庭乘用车.

一，动力方案采取80kw（110马力）永磁同步电机，扭矩280牛•米. 作为第一款纯电动力车，它给其后所有纯电动力家用乘用车在动力方案和能源效率方面定下了一个至今依然最高的技术标准.

后来的电动车，如特斯拉，直到2017年才“被迫”实现这一点；并在再后2年，实现全系产品采用永磁同步电机.

该车电机运行10年，里程74500英里（合119,200公里）后，其性能几乎没有变化. 这是电动动力系统与内燃动力系统的一个重要区别. 电动动力大幅简化了乘用车动力系统，大大延长了其寿命. 一般情况下，动力系统从内燃动力整个系统最为复杂，最为脆弱的部分之一变为整车寿命最长，且几乎全寿命零养护需求的部分. 从机械工业的发展角度看，这是革命性的一步.

二，能源方案.

如前所述，动力方案转向电动之后，乘用车技术关注的焦点已经从内燃车辆狭义的发动机动力部分转向广义的动力系统-电机+电池；特别是作为能源系统的动力电池部分.

该车采用锰酸锂离子动力电池，分为96个串联单元，每个串联单元由4个单体电池并联成组. 单体电池为扁平长方体构型. 风冷，除过低温电池加热保护之外，电池管理系统没有更多的温度保护措施，主要职责设计为充放电控制--(注：没有高温制冷保护功能).

截至目前，这可能批量大规模生产的电动车中唯一以自然风冷方式降温的. 这一独特设计在长期运行后表现出独特的利弊. 一方面，尽管遭到Elon Musk强烈“嘲讽”，这款车型从未发生过自燃事故, 与特斯拉，以及其他车型形成鲜明对比；另一方面，这一点对长期动力电池容量的衰减无疑是有不小贡献的. 尽管这一点一部分因素应该是来自所选择的锂离子电池化学（锰酸锂），但高温地区电池容量衰减加速也已有较为详尽的数据与报告. 该车型近年来改款也已经将降温方式改为主动式.

我们可以从检测图(图1-4)中看到，10年74500英里（119，200公里）后该动力电池组容量为出厂标称的63-65%左右. 这个数据尽管超出了厂家质量保证的要求（5年6万英里电池容量不低于70%），但的确略低于10年前对锂离子动力电池全寿命结构化设计的理论与实验室模拟预期的. （当时认为锂离子动力电池退役做固定电源用途时的容量约为原标称的70-80%.

所有电池单元完好，全部通过电气性能检测. 充放电全程表现正常，稳定. 说明电池管理系统在10年，4千余次充放电过程中运行稳定可靠.

该车型受市场定位所限，采用锰酸锂电池的设计容量为24kwh(24度）. 尽管此方案有大量数据支持，如北美地区90%的乘用车日行驶里程在40英里（64公里），但显然控制当时依然很高的锂离子电池固定生产成本以保证接近大众市场价格是最为主要的因素.

对乘用车市场切入与经济性方案设计与结果分析在后面还会涉及, 这里重点分析这一动力/能源方案设计在技术上产生的影响.

该车辆投入运行时的单次充电行驶里程约为100英里左右（160公里）,节能模式下约为120英里左右（192公里），综合工况能耗效率约在4英里/度（6km/kwh）. 对于普及型电动车，不仅这个能耗是令人印象深刻，而且10年后能耗效率衰减甚微，这也是动力系统转向电动的一个最主要的因素. 能源使用效率是能源结构中的最重点. 这一点往往被忽略.

出于延长动力电池容量寿命的考虑，尽可能在电池容量20%-80%之间运行，那么两次次充电之间日常工况下的典型行驶里程约为60-70英里（96-112公里）左右.实际生活中，很快就会发现即便80%的充电上限可以坚持，但20%的下限很难实用. 后来使用充电基本是在10%到80%左右. 并由于电池容量的下降，大约在使用8年后，取消80%的上限，设定全部充电至100%.

10年后，电池容量下降到目前水平时，10%-100%容量充电，以节能模式运行的里程水平也大致在60-70英里. 应该说这是该车型长期使用的典型日常里程期望值.

长途里程能力的期望值则从初始的100-120英里（160-192公里）经过10年缓慢下降至60-70英里（96-112公里）水平.

这里我们发现纯电动力车电池容量的一个实际问题. 很多年前，我们在探讨内燃动力向电动力转移的时候，着重强调了技术关键在于整体系统的平衡问题，特别是软件能力在这个过程中将起到的关键性作用. 但当时我们对这一点的认识还比较狭义，比较具体. 经过10年，我们认识到先前的认识可以进一步推广，例如动力电池容量设计看似更多是“经济”问题，其实也关系系统平衡的最优点的“软件”问题.

该车型用户在使用中遇到的各种问题，大部分可以归于电池容量在使用中引起的矛盾. 例如，用户如果希望保护电池寿命而限制充电上下限的话，就不得不增加充电次数. 但充电次数的增加又对电池寿命的影响是负面的，特别是没有主动降温的直流快速充电. 在电池容量较小的情况下，这一点变得非常突出. 车型设计时是按照每日充电考虑基本性能指标的，而电池实验当时仅做到以2000次左右充放电周期测试，也就是6年左右. 事实上，这辆车10年4192次的一/二级实际充电次数已经说明原设计与测试是有所不足的. 何况这辆车在所有该型车辆中是属于使用比较少的--积累直流快充次数10年仅13次.

其他用户反映意见较多的如所谓“里程焦虑”等其实技术根源也是来自电池容量选择导致的“软件”平衡问题. 作为第一代电动车面对动力电池高成本的现实，采取平衡冗余较少的方案可以理解，但显然现实已经证明，这不是最优的系统平衡点. 随着动力电池规模提高，成本下降，这一矛盾的解决已经很容易--提高电池容量. 这样在满足用户日常需求的同时，既可以实现限制电池冲放电量限制，也可以减少充电次数，使动力电池运行寿命得以更大的提高，从而结构性提高能源整体利用效率.

通过10年来不同车型的实际使用，我们认为电池容量的下限应该考虑设定在50-60kwh(度）左右--即便面向大众市场的普及性乘用车也应当考虑系统平衡设定在这个水平之上.

三. 机械设计

多年前讨论内燃乘用车向电动乘用车的结构性转型时，我们认为上百年的机械工程技术的发展，和乘用车设计实践为乘用车最终将动力系统转向电动积累了足够的技术与制造能力储备. 电动乘用车需要深入研究的重点集中在电动动力系统方面，特别是基于不同能源转化方案下的丰富动力方案设计.

经过10年的电动车实际运行，证明以上的认识总体上是正确的；直至今天，电动乘用车产业在动力系统技术发展方面依然是最短板. 但同时，电动车的机械设计方面还是给了我们一些之前未曾预料到的“意外”. 有些可以通过机械工业技术储备比较容易的解决，但有些问题，是值得当前机械工业继续研究的.

1，悬挂系统.

电动车悬挂系统带来的新问题是车辆整体重量分布与内燃动力车辆有明显区别. 经过长期发展，内燃动力乘用车的重量分布基本是按照前/后驱动方案区分的. 从重量分布上说后驱比前驱更合理，但机械设计更复杂. 电动车大幅度简化动力系统之后，大部分认识是这让后驱这一更合理的重量分布设计成为“显然”的更为合理的方案. 这是为什么不少创新性强的车企开始就从后驱入手；而传统车企则不希望走的太快，延续了前驱和前置的重量分配方案.

但经过10余年发展，目前可以比较明确的一点是在重量分布方案方面, 电动车与内燃动力是有比较根本性的区别的，从传统的前后重量分布思维入手可能从开始就是有问题的；更合理电动车的重量分布方案应当从重量的“上下”分布入手--至少应该将重量的3维整体分布纳入研究，发展新的车辆平台.

从电动乘用车开始实用以来，我们很快就发现整车重量最大的部件，锂离子动力电池唯一合理的布置位置就是底部地板下. 这除了意味着车辆行驶稳定性大幅度提高，车辆运行包线大幅度优化之外，也意味着车辆悬挂系统面临完全不同于以往任何内燃动力车辆的考验，这在长期使用中表现的尤为突出. 我们认为电动车悬挂系统是需要全新设计的部分，以往内燃动力不同级别悬挂系统划分已经不适用于电动车. 在发展出全新电动悬挂系统之前，各级别电动车辆的悬挂系统应当一致性加强. 对于电动机前置的车辆，前悬挂应当特别加强，而电机后置的车辆则应特别注意后悬架.

具体到该车辆，由于电机采用传统前置方案, 而前悬架大部分继承自原内燃车辆技术，因此前悬个别部件承担了超出传统经验的更大应力. 尽管带来严重安全隐患的几率很低，但这是一个容易反复出现问题的地方，值得长期运行注意，更值得今后的车辆设计汲取经验.

事实上，其他厂商，如特斯拉也一直在实验不同悬挂方案. 从开始就将空气悬挂系统投入大规模应用，到最近再次将悬挂系统全面改为“自适应自动悬挂系统”, 将智能与实时调整悬挂参数引入传统原理为基础的复杂悬挂系统.

需要着重强调的是这一点在普及型乘用车上的挑战更大，需要行业整体结构性上的认识转变，即电动乘用车的悬挂系统是“刚性需求”，需要一致性的加强.

2，刹车系统.

电动车刹车系统在起初时常被传统内燃动力乘用车行业怀疑. 认为电动很难提供内燃动力那样可靠的液压与刹车系统. 正像我们一直指出的，这都属于杞人忧天. 10年后事实证明了这一点. 排除了液压管道的电动车在长期运行中可靠性最终将超过内燃动力系统.

同时，电动车刹车系统还给了我们另外的惊喜. 由于动力电池早期高企的成本，让所有电动车设计都将动能回收系统作为标准配置. 这个方向后来继续发展出单踏板驾驶模式，而且已经确立了这一系统在电动车辆系统中必然长期存在的事实.

这一系统的存在不仅继续提高了电动车能源使用效率，而且大幅度减少/降低了刹车系统的工作强度和频度. 内燃传统下，刹车系统的刹车片和刹车盘都属于损耗件，而在电动车时代，这些损耗件的寿命都被大幅度延长了. 这对交通运行安全是有利的.

作为第一代电动车，该车型的动能回收系统设计还相当保守. 目前里程按照内燃经验至少已经经过2次刹车片更换和一次刹车盘更换，但实际上仅更换过一次前轮刹车片. 该车型动能回收系统在后续车型中被进一步加强了，并在最近的换代中支持了单踏板驾驶模式.

四，乘员舱环境控制, 即暖气与空调系统.

多年前被认为是电动车难点的电动车乘员舱环境控制问题被后来实践证明电力化不是问题，问题在于如何节省电能，最大程度的提高整体能源使用效率. 这也是该型号设计所出现的最大问题之一.

内燃动力乘用车暖气系统直接利用发动机废气余热引入乘员舱，比空调系统更为简单. 但由于这一热源在电动车上已经不存在，必须设计新的电采暖方式.

众所周知，电采暖技术还需要更多改进，这是不同能量之间转换规律的限制. 该型号采暖设计没有做足够深入的研究，直接利用了最为传统的空调采暖方式，即电阻丝加热空气循环方式. 与此同时，在注意到能耗过大后，在座椅与方向盘上加装了电阻加热.

投入使用后，马上被发现主采暖方式在其动力电池容量限制下，对低温性能表现的负面影响明显. 而次要的座椅与方向盘加热被证明效果较好，被用户广泛作为主采暖方式使用.

其后的电动车迅速接受了这一教训，直至目前，所有电动车的采暖设计均采用目前能源利用效率最高的电采暖方式，即热泵方案；并均保留了座椅与方向盘加热功能.

另外谈一点这个问题与公共卫生的联系.

美国公共卫生统计数据显示，每年冬季死于内燃动力乘用车内长时间采暖导致一氧化碳中毒事件居高不下；北方寒冷地区更为多发. 同时，很长一个时期内，美国每年发生的自杀事件中，利用内燃动力乘用车采暖或尾气在封闭乘员舱或车库内利用一氧化碳中毒方式是占比最高的方式之一. 这是全球其他地区很不常见的.

随着电动车的逐渐普及，这类现象和这种方式将同步系统性减少. 这也是电动车对公共卫生环境产生的影响之一.

五，轮胎与车辆工业设计

如前所述，由于第一代电动车动力电池成本甚高，节能问题成为电动车设计的核心问题. 向一切可能的地方要节能直至今天还是电动乘用车设计的重要考虑. 其中轮胎与车辆外形设计成为两个重要，而在前电动车时代没有被重视过的研究领域.

1,轮胎方面，减重与降低摩擦力是两个主要方向. 最突出的例子如BMW后来实验过的"马车轮胎”.

事实上，电动车在轮胎方面的确有革新，并重新确立各系统平衡的空间. 如，电动车几乎天然的低重心高稳定性让车辆行走部分可以适当放宽对车辆平衡的主被动控制，这对轮胎设计减重降摩擦力是一个支持因素. 但另一方面我们之前讨论过电动车悬挂系统应当考虑加强强度，这又对轮胎承载能力提出更高的要求. 因此轮胎设计应当从这两方面的平衡兼顾入手. 未来远期发展上，则大概率需要材料方面的革新来实现更大突破.

该型号的原装轮胎配置选择了轻型薄胎设计. 应该说其保持轮胎的常规宽度，提高承载力的努力是需要肯定的. 但同时带来轮胎摩擦力偏弱，磨损速度明显加快，容易发生破坏而修补强度不足的问题也就与生俱来. 在该车10年使用期间，已经两次整体更换轮胎，和两次单独更换了三个轮胎，每次都是远不到轮胎保修里程（7万英里）时由于事故或磨损问题更换的. 尽管由于保修条款实际用户费用有限，但这个问题显然还需要进行更多研究工作. 同样，这个问题在普及型乘用车领域显然挑战更大.

目前使用轮胎是常规厚度与宽度型号. 除了驾驶控制力进一步改善之外，车辆行驶里程也明显受到负面影响.

2,工业设计方面

电动车的出现重新在乘用车设计领域再次确立了现实主义与功能美学的首要地位. 很多年前提出过没有吹过风洞的不能称为“电动车”，以强调节能是这个历史时期乘用车设计的核心地位. 时至今日，这一点依然是成立的.

本型号车辆设计是这一设计原则执行的范例；并为传统乘用车设计界所恶. 特别是为了保持传统驾驶舱视野与风挡倾角，将车灯设计成向上流线形外凸样式，受到设计界诟病. 另外为实现紧凑设计，掀背式后门的弧度，及融合了尾翼扰流板的设计给用户使用带来不便，引起不少抱怨.

与此对比，作为第二代的特斯拉MODEL S设计则采取了另外的方式：保留原有车灯造型，但大幅减小前后风挡倾角，加长驾驶舱与乘员舱前部与后部长度. 保留后掀背门设计的同时取消后部扰流板. 设计界与用户对此的反应正面的多--尽管后部使用依然存在一些问题，但存在其他解决方案；市场定位也决定了其有更大的解决空间.

应该说这两者的设计努力都是值得充分肯定的. 尽管使用感受是生产商的出发点，但节能的根本目标是超越这些问题，超越不同电动车设计的根本点，也是电动车存在的出发点；是应该一直坚持下去的.

但是，现实大概率会走向另一个方向. 随着动力电池的成本下降，供应提高，未来内燃动力乘用车可能保留下来的东西里，外形设计语言大概率会是其中最主要的部分之一. 这既是生产商对大众消费市场的适应，也反映出人们文化与美学观念的更新在大部分时候是慢于技术发展的需要的，后者主动适应前者的情况更为多见.

该型号在几年后换代至今，已经将这几个独特设计因素去掉，回归了传统的内燃车型外形设计体系；也让这第一代车型设计成为电动车发展史上非常独特的一个里程碑.

最后总结一下.

第一代大众市场普及型锂离子动力电池家用电动乘用车经过10年长期使用，比较成功的满足了用户需要，基本实现了原先各项设计目标，更重要的是为其后电动车设计制造提供了宝贵的经验，促进了电动家用乘用车的全面普及. 10年之后，这辆车作为本地短途日常交通工具依然十分方便. 未来更远期使用则需要实现动力电池更换的合理解决方案. 这也是当前电动车发展的重要结构性问题迄待更多研究工作；而动力电池的回收继续利用问题已经有比较可靠的结构性方案，目前需要更广泛而有力的现实推广.

如同很多新技术革命那样，普及型产品的设计制造往往对技术上提出高的多的要求. 这是我们已经熟知的特斯拉企业发展策略的逻辑基础. 但与此同时，不解决普及型家庭乘用车的技术挑战，整个乘用车电动化的意义就微乎其微了。因此，更多的基础到应用技术研究需求是我们从10年小结中得到的最大收获.

这里希望再次强调，如果以上技术研究不能尽快取得结构性成果，电动车类似内燃动力车一样的换代或再利用，直至报废的年限，那么是会造成很大浪费的. 因为除了动力电池，电动车其他系统的工作寿命都比内燃车长得多; 整个电动车系统的整体平衡工作比我们10年前预料的还要深刻.

(全文完)

2021.12.02