IT思维

文章页右侧顶部广告

一文读懂电动汽车的前世今生,未来已来,大势所趋

2019-02-08 15:31:17 0 业界资讯 | , ,
作者:文浩,曾涛,徐淳川等编著,韩维建主编

如需转载请联系大数据(ID:hzdashuju)

01 电动汽车的定义

开宗明义,什么是电动汽车?简单地说,电动汽车就是以电力为动力源驱动的汽车。

在本文的讨论中,除了以蓄电池为辅助动力源的混合动力汽车(HEV、PHEV)和以蓄电池为动力源的纯电动汽车(BEV)外,电动汽车还包括氢燃料电池汽车(HFCV),但是没有讨论在国内无须上牌的代步车,或者电动滑板这类代步工具。电动汽车包括的几种常见类型如表1-1所示。

混合动力汽车是当代电动汽车中最早进入大众视野的车型。该车型不需要充电,只需要供应燃油。电池单元完成能量的采集和分配的任务,极大地提高了能量使用效率。从黑盒子的观点来看,混合动力汽车相当于一辆耗油量极低的燃油车,不改变用户基本的使用体验。

插电式混合动力汽车不强制要求用户充电,但是短距离代步可以使用全电池动力,很多上下班距离在40千米以内的上班族可以通过充电满足每天的行驶需要,从而很长时间不用去加油。

纯电动汽车则必须充电才能行驶,一般充电时间需要4~8小时,快充也需要半小时以上,目前还远远落后于汽油加油站10分钟的加油速度。

02 电动汽车简史

1. 史前时代

电动汽车的出现实际上早于内燃机汽车(Internal Combustion Engine Vehicle,ICEV)。1828年,匈牙利人耶德利克·阿纽升(Jedlik Ányos)把自己发明的电机放到了一辆模型车上,这算是有记载的最早的电动汽车。

然而,再过31年,1859年法国人加勒东·普兰特(Gaston Planté)才发明了铅蓄电池,又过22年,1881年铅蓄电池才终于有了质的改进,使得工业化大生产成为可能。这之后,电动汽车才发展起来。

半个世纪,这是电动汽车从实验室概念到平常百姓家的距离。

2. 黄金时代

铅蓄电池被发明后,19世纪末20世纪初,电动汽车迎来了黄金时代。最开始,纽约和伦敦这两个世界中心开始使用EV作为出租车。值得一提的是,在1916年,世界上第一辆油电混合动力的EV在芝加哥诞生。这就是后来丰田普锐斯的“爷爷”,不过产品销售惨淡。

那时候的EV已经具备了当代EV的一些优点:无须换挡、安静无噪声、启动速度快。不过,由于行驶里程短、速度低,其只能在城市代步当买菜车,那时的EV就被冠以“女人车”的尴尬绰号,以至于有车厂故意在车头安放假的进气口以安抚车主。

这像不像当今特斯拉弄一个假车头,里面不是引擎却是储物槽?历史总是惊人的相似。

在EV的全盛时期的世纪之交,汽、电、油三种动力分别占据40%、38%、22%的市场。那时,甚至出现了直接换电池的服务站点。

3. 黑暗世纪

在黄金时代之后,便是漫长的黑暗世纪。道路状况的改善,让人们希望能够去更远的地方;石油勘探的进步,让燃油车在长距离行驶的情况下更加经济。而且,谁不想在兜风的时候一脚油门一骑绝尘呢?EV的蜗牛速度无法满足人们对于自由的向往,渐渐被冷落下来。

与此同时,燃油车的短板在不停地被补齐:电子打火器让人们不用手摇启动(参考早期的解放牌卡车),消音器让引擎更安静,最后,福特汽车的流水线让内燃机汽车被大量地、低成本地制造出来。工薪阶层两个月的工资,就能买上一辆安静、有速度且能彰显中产地位的福特T型车。

电动汽车最后只能沦为有钱人博物馆里的收藏品。著名电视脱口秀主持人杰·雷诺(Jay Leno)家里就有一辆。

黑暗中世纪的漫长,延续了几乎一个世纪。不过,EV的技术还是以分散的形式在发展:电池在手提式设备的商业应用中慢慢进步,电机驱动着工业机器人的手臂,控制理论在宇航和通信中不断前行。偶尔,EV也会露个脸,比如1971年人类放在月球上的第一辆车。

4. 文艺复兴

内燃机汽车兴盛的背景是,在长达一个世纪中,石油作为人类可传递的高密度能源的兴盛。19世纪,洛克菲勒开采出的石油,在卡内基的钢铁中,驱动了亨利·福特的汽车,让整个工业帝国运转起来。

然而,盛极必衰,在中东国家探明石油的巨大储量,并且成为全球工业机器的输血站的20世纪七八十年代,能源产业的上下游文明发生了冲突,输血站关上了门,石油危机爆发,车轮上的老百姓突然发现自己开不起车了。

对美国这样的车轮上的国家来说,有车开,等于有自由。寻找替代出行能源和出行方式的努力,在巨大的市场前景下大范围展开。在1990年的洛杉矶车展上,车企巨头通用汽车展示了GM Impact EV概念车,并宣布将会制造EV卖给消费者,拉开了EV“文艺复兴”的序幕。

随后,克莱斯勒、福特、丰田纷纷宣布了自己的EV计划。20世纪90年代,丰田推出了普锐斯。这款车型现在几乎成为混合动力汽车的代名词。

然而,由于那时并没有足够先进的电池技术,各大车厂的EV其实主要是针对各地区的节能减排政策的应对措施,虽有口碑,但并无市场和进一步的研发动力。很快,各大车企施加的压力就让政客们低下了头,EV再次沉寂。

进入21世纪,埃隆·马斯克(Elon Musk)的特斯拉开始登上电动汽车的舞台。从2004年的Roadster开始,特斯拉力求将电动汽车缺乏但燃油车能够提供的高端、速度、身份、时尚感赋予电动汽车。

新时代的电机,配合最新的高密度锂离子电池,特斯拉可以实现媲美百万超级跑车的加速性能和身份认同。一辆成功的电动汽车,一定不能只有对环境保护的情怀和国家政策的扶持,而一定要有市场的认同。最早期的特斯拉车主,买的不是电动汽车,而是一辆好车。

特斯拉带来的产业冲击,开辟了前所未见的高端EV市场,也促进了传统车企的重兵进入。

时间前进到当下,雪佛兰Bolt和特斯拉Model 3,首次将BEV价格降到4万美元以下,成为大众买得起的纯电动汽车。

03 锂电产业

中国已经和日韩两国一起,成为世界上三大最重要的电池生产国,而我国的汽车市场早已经在2009年超越美国成为世界第一大国。巨大的市场和技术的积累,让我国有条件发展自己的电动汽车产业。

然而,必须要清醒地认识到,一个产品的设计,其背后是一整套工程学方法;一套工程学方法,其背后是上百年沉淀下来的科学理念。

一个高中生就可以通过网络搜索告诉你古德里奇发明了当代锂电池的钴酸锂正极,然而,他是怎么找到钴酸锂的,如何验证的,又是如何最后将它应用到生产中去的,这些都需要一个国家、一个民族慢慢去摸索。

当前,我国的电动汽车新能源产业是由政府牵头补贴,政企联合自上而下地发展起来的。由于缺乏市场推动,电动汽车企业往往冲着新能源补贴政策的福利敷衍造车。当下,政策红利正在慢慢褪去,大浪淘沙,只有真正做出了能够被市场认可的电动汽车的企业,才会获得市场丰厚的回报。

04 挑战

真理越辩越明。电动汽车不完美,它也不一定是解决问题的最优解。这里,我们尝试带着批判性思维,去剖析电动汽车当前遇到的一些问题。

首先,是底层的电池性能问题。当代电动汽车使用的锂离子电池,相比1910年的铅酸电池,能量密度提升了接近10倍。然而,和燃油车所使用的汽油相比,电动汽车的能量密度还是不足其1/10。能量密度不足,自然带来行驶里程不足的问题。

其次,是充电时间的问题。当前最好的快速充电技术也需要半小时才能充电80%,而且会带来电池寿命损耗,再提高充电效率则会带来充电站功率过高的挑战。加油站加油只需要5分钟,如果电动汽车无法超越这条线,那么究竟应该如何设计使用体验,使充电时间不再是问题?

最后,是碳排放的问题。电动汽车在生命周期之中,是否实现了比燃油车更低的碳排放?显然,如果使用高污染的火力发电,电动汽车的碳排放得不偿失。同时,电池制造伴随着大量的工业流程、矿石开采,包括广泛使用的石墨、铁、磷、钴,这会不会比石化开采带来更多的环境影响?这方面的研究已经展开,使用的是生命周期评价(Life Cycle Assessment,LCA)方法。目前的结论是具体问题具体分析,电动汽车大有可为[1]

除了LCA方法以外,电动汽车带来的附加效应和新机会,虽然不容易量化,但不容忽视。

一方面,电动汽车促进了创新,带来了大量的就业机会和产业升级。

另一方面,电动汽车带来的技术升级,促进了包括电网储能(Grid Storage)在内的大量技术升级。电网储能是风能、太阳能、潮汐能等大量清洁能源目前的发展瓶颈。只有电网储能才能实现异步发电,才能把不定期产生的清洁能源储存起来,等到需要时再输出。

05 氢燃料电池汽车

燃料或能量的来源不同,会带来汽车动力系统的不同,对环境的影响也不一样。全球生产的90%以上的石油都用于交通运输工具,汽车的碳排放量为世界总排放量的20%~25%。汽油和柴油作为汽车的燃料具有体积小、重量轻和能量密度高的优点。

然而地球上储存的石油越来越少,目前世界上各大汽车公司都在为未来的新能源汽车进行探索和投入。与以可充电的锂电池为储能装置的电动汽车相比较,氢燃料电池汽车是以氢气为燃料,通过氢燃料电池产生电力来驱动的电动汽车。

氢燃料电池的概念可以追溯到1838年,威尔士物理学家威廉·格罗夫(William Grove)发明了用氢气和氧气产生电流的燃料电池装置,但用它产生电力驱动汽车是最近25年才发展起来的技术。下面我们将简要地从几个方面阐述一下BEV、HFCV与ICEV的不同和优势。

06 能量密度与汽车的续航能力

表1-2显示了常见燃料在理想条件下的能量密度。

特斯拉2017Model S P100D(见图1-1)装有100kWh的锂电池,其重量超过500kg,续航能力接近500千米,但整个车重比普通汽车要多约500kg,每天拉着多余的约500kg所耗费的能量大大降低了能量使用效率,图1-2中展现了ICEV、HFCV和BEV轿车动力源(或燃料)系统的体积与重量的差别。

▲图1-1 特斯拉Model S P100D底盘(a)和丰田Mirai底盘(b)

▲图1-2 目前有500千米续航能力的ICEV、HFCV和BEV轿车动力源系统的体积与重量对比一览图,从能源使用效率上电动汽车显然比ICEV占优势,但HFCV车上的可利用空间比ICEV小

07 电动汽车的基础设施

为了让人们便利地驾驶电动汽车,基础设施的建设将是未来电动汽车发展的关键性硬件。BEV的充电设施依赖于输油网的普及,未来的电力系统将担负BEV不断增加的负载。为适应BEV的不断发展,用于电力系统的能源来源将面临更大的挑战。

对氢燃料电池汽车来说,除了面临不断降低燃料电池系统的造价以外,还面临的一大挑战就是氢气的储存和输运问题。虽然氢气的质量能量密度很大,但它的体积能量密度很小,即使把氢气压缩到700个大气压,它的体积能量密度(1.30kWh/L)也只是汽油体积能量密度(9.2kWh/L)的七分之一左右。

尽管燃料电池的效率比内燃机的效率高一倍,FCV储氢罐的体积还是比汽油箱的体积大三倍多。为了减少储氢罐的体积和制造成本,增加储氢量,研究人员一直在探索基于材料的储存方法,改进储氢罐的制造技术。

氢气的来源很广,但目前氢气的储运和分配还没形成网络,加氢站在大多数国家和城市并没有普及。人们还无法方便地给氢燃料电池汽车加氢气,这使得氢燃料电池汽车的普及存在很大的障碍和局限性。但是氢作为一种清洁能源,将会在未来20~50年逐步代替化石燃料成为汽车的主要燃料,这是大势所趋。

注释:

[1] Salvatore Mellino, Petrillo A, Cigolotti V, et al. A Life Cycle Assessment of Lithium Battery and Hydrogen-FC Powered Electric Bicycles: Searching for Cleaner Solutions to Urban Mobility\[J\]. International Journal of Hydrogen Energy, 2017, 42(3): 1830-1840.

关于作者:韩维建,现任美国福特汽车公司亚太区研究与技术主管。自从1995年加入福特以来,在多个国家和地区组织了众多的研究与技术项目。他在交通可持续发展系统分析、汽车轻量化、环境、能源、道路交通安全、政策制定,以及产学研结合等诸多领域都具有丰富的经验和研究成果。

本文摘编自《电动汽车前沿技术及应用》,经出版方授权发布。

IT思维

IT思维(itsiwei.com)是互联网首个定位在科技与电商“思维”韬略的平台,我们时刻关注互联网电商行业新动向; 诚邀行业资深从业者加入“思维客家族”!
Return to Top ▲Return to Top ▲