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一文讀懂電動汽車的前世今生,未來已來,大勢所趨

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來一波高能充電!

今天是我們一起充電的第3天

導讀:電動汽車(Electric Vehicle,EV)作為一個新能源汽車的主力發展方向,近年來得到了越來越多的關註。在節能減排的大背景下,電動汽車的零排放特點使其能夠在新的時期承擔起人們交通出行的任務。

那麼,如何解讀電動汽車?它的生產製造有哪些環節?電動汽車真的更節能環保嗎?

 

 

作者:文浩,曾濤,徐淳川等編著,韓維建主編

如需轉載請聯繫大資料(ID:hzdashuju)

 

01 電動汽車的定義

 

開宗明義,什麼是電動汽車?簡單地說,電動汽車就是以電力為動力源驅動的汽車。

在本文的討論中,除了以蓄電池為輔助動力源的混合動力汽車(HEV、PHEV)和以蓄電池為動力源的純電動汽車(BEV)外,電動汽車還包括氫燃料電池汽車(HFCV),但是沒有討論在國內無須上牌的代步車,或者電動滑板這類代步工具。電動汽車包括的幾種常見型別如表1-1所示。

 

混合動力汽車是當代電動汽車中最早進入大眾視野的車型。該車型不需要充電,只需要供應燃油。電池單元完成能量的採集和分配的任務,極大地提高了能量使用效率。從黑盒子的觀點來看,混合動力汽車相當於一輛耗油量極低的燃油車,不改變用戶基本的使用體驗。

插電式混合動力汽車不強制要求用戶充電,但是短距離代步可以使用全電池動力,很多上下班距離在40千米以內的上班族可以通過充電滿足每天的行駛需要,從而很長時間不用去加油。

純電動汽車則必須充電才能行駛,一般充電時間需要4~8小時,快充也需要半小時以上,目前還遠遠落後於汽油加油站10分鐘的加油速度。

 

 

 

02 電動汽車簡史

 

1. 史前時代

 

電動汽車的出現實際上早於內燃機汽車(Internal Combustion Engine Vehicle,ICEV)。1828年,匈牙利人耶德利克·阿紐升(Jedlik Ányos)把自己發明的電機放到了一輛模型車上,這算是有記載的最早的電動汽車。

然而,再過31年,1859年法國人加勒東·普蘭特(Gaston Planté)才發明瞭鉛蓄電池,又過22年,1881年鉛蓄電池才終於有了質的改進,使得工業化大生產成為可能。這之後,電動汽車才發展起來。

 

半個世紀,這是電動汽車從實驗室概念到平常百姓家的距離。

 

2. 黃金時代

 

鉛蓄電池被髮明後,19世紀末20世紀初,電動汽車迎來了黃金時代。最開始,紐約和倫敦這兩個世界中心開始使用EV作為出租車。值得一提的是,在1916年,世界上第一輛油電混合動力的EV在芝加哥誕生。這就是後來豐田普銳斯的“爺爺”,不過產品銷售慘淡。

那時候的EV已經具備了當代EV的一些優點:無須換擋、安靜無噪聲、啟動速度快。不過,由於行駛里程短、速度低,其只能在城市代步當買菜車,那時的EV就被冠以“女人車”的尷尬綽號,以至於有車廠故意在車頭安放假的進氣口以安撫車主。

這像不像當今特斯拉弄一個假車頭,裡面不是引擎卻是儲物槽?歷史總是驚人的相似。

 

在EV的全盛時期的世紀之交,汽、電、油三種動力分別占據40%、38%、22%的市場。那時,甚至出現了直接換電池的服務站點。

 

 

3. 黑暗世紀

 

在黃金時代之後,便是漫長的黑暗世紀。道路狀況的改善,讓人們希望能夠去更遠的地方;石油勘探的進步,讓燃油車在長距離行駛的情況下更加經濟。而且,誰不想在兜風的時候一腳油門一騎絕塵呢?EV的蝸牛速度無法滿足人們對於自由的嚮往,漸漸被冷落下來。

與此同時,燃油車的短板在不停地被補齊:電子打火器讓人們不用手搖啟動(參考早期的解放牌卡車),消音器讓引擎更安靜,最後,福特汽車的流水線讓內燃機汽車被大量地、低成本地製造出來。工薪階層兩個月的工資,就能買上一輛安靜、有速度且能彰顯中產地位的福特T型車。

電動汽車最後只能淪為有錢人博物館里的收藏品。著名電視脫口秀主持人傑·雷諾(Jay Leno)家裡就有一輛。

 

黑暗中世紀的漫長,延續了幾乎一個世紀。不過,EV的技術還是以分散的形式在發展:電池在手提式設備的商業應用中慢慢進步,電機驅動著工業機器人的手臂,控制理論在宇航和通信中不斷前行。偶爾,EV也會露個臉,比如1971年人類放在月球上的第一輛車。

 

 

4. 文藝復興

 

內燃機汽車興盛的背景是,在長達一個世紀中,石油作為人類可傳遞的高密度能源的興盛。19世紀,洛克菲勒開采出的石油,在卡內基的鋼鐵中,驅動了亨利·福特的汽車,讓整個工業帝國運轉起來。

然而,盛極必衰,在中東國家探明石油的巨大儲量,並且成為全球工業機器的輸血站的20世紀七八十年代,能源產業的上下游文明發生了衝突,輸血站關上了門,石油危機爆發,車輪上的老百姓突然發現自己開不起車了。

 

對美國這樣的車輪上的國家來說,有車開,等於有自由。尋找替代出行能源和出行方式的努力,在巨大的市場前景下大範圍展開。在1990年的洛杉磯車展上,車企巨頭通用汽車展示了GM Impact EV概念車,並宣佈將會製造EV賣給消費者,拉開了EV“文藝復興”的序幕。

隨後,克萊斯勒、福特、豐田紛紛宣佈了自己的EV計劃。20世紀90年代,豐田推出了普銳斯。這款車型現在幾乎成為混合動力汽車的代名詞。

然而,由於那時並沒有足夠先進的電池技術,各大車廠的EV其實主要是針對各地區的節能減排政策的應對措施,雖有口碑,但並無市場和進一步的研發動力。很快,各大車企施加的壓力就讓政客們低下了頭,EV再次沉寂。

 

進入21世紀,埃隆·馬斯克(Elon Musk)的特斯拉開始登上電動汽車的舞臺。從2004年的Roadster開始,特斯拉力求將電動汽車缺乏但燃油車能夠提供的高端、速度、身份、時尚感賦予電動汽車。

新時代的電機,配合最新的高密度鋰離子電池,特斯拉可以實現媲美百萬超級跑車的加速性能和身份認同。一輛成功的電動汽車,一定不能只有對環境保護的情懷和國家政策的扶持,而一定要有市場的認同。最早期的特斯拉車主,買的不是電動汽車,而是一輛好車。

特斯拉帶來的產業衝擊,開闢了前所未見的高端EV市場,也促進了傳統車企的重兵進入。

 

時間前進到當下,雪佛蘭Bolt和特斯拉Model 3,首次將BEV價格降到4萬美元以下,成為大眾買得起的純電動汽車。

 

03 鋰電產業

 

中國已經和日韓兩國一起,成為世界上三大最重要的電池生產國,而我國的汽車市場早已經在2009年超越美國成為世界第一大國。巨大的市場和技術的積累,讓我國有條件發展自己的電動汽車產業。

 

然而,必須要清醒地認識到,一個產品的設計,其背後是一整套工程學方法;一套工程學方法,其背後是上百年沉澱下來的科學理念。

一個高中生就可以通過網絡搜索告訴你古德里奇發明瞭當代鋰電池的鈷酸鋰正極,然而,他是怎麼找到鈷酸鋰的,如何驗證的,又是如何最後將它應用到生產中去的,這些都需要一個國家、一個民族慢慢去摸索。

 

當前,我國的電動汽車新能源產業是由政府牽頭補貼,政企聯合自上而下地發展起來的。由於缺乏市場推動,電動汽車企業往往衝著新能源補貼政策的福利敷衍造車。當下,政策紅利正在慢慢褪去,大浪淘沙,只有真正做出了能夠被市場認可的電動汽車的企業,才會獲得市場豐厚的回報。

 

 

04 挑戰

 

真理越辯越明。電動汽車不完美,它也不一定是解決問題的最優解。這裡,我們嘗試帶著批判性思維,去剖析電動汽車當前遇到的一些問題。

 

首先,是底層的電池性能問題。當代電動汽車使用的鋰離子電池,相比1910年的鉛酸電池,能量密度提升了接近10倍。然而,和燃油車所使用的汽油相比,電動汽車的能量密度還是不足其1/10。能量密度不足,自然帶來行駛里程不足的問題。

 

其次,是充電時間的問題。當前最好的快速充電技術也需要半小時才能充電80%,而且會帶來電池壽命損耗,再提高充電效率則會帶來充電站功率過高的挑戰。加油站加油只需要5分鐘,如果電動汽車無法超越這條線,那麼究竟應該如何設計使用體驗,使充電時間不再是問題?

 

最後,是碳排放的問題。電動汽車在生命周期之中,是否實現了比燃油車更低的碳排放?顯然,如果使用高污染的火力發電,電動汽車的碳排放得不償失。同時,電池製造伴隨著大量的工業流程、礦石開采,包括廣泛使用的石墨、鐵、磷、鈷,這會不會比石化開采帶來更多的環境影響?這方面的研究已經展開,使用的是生命周期評價(Life Cycle Assessment,LCA)方法。目前的結論是具體問題具體分析,電動汽車大有可為[1]

 

除了LCA方法以外,電動汽車帶來的附加效應和新機會,雖然不容易量化,但不容忽視。

一方面,電動汽車促進了創新,帶來了大量的就業機會和產業升級。

另一方面,電動汽車帶來的技術升級,促進了包括電網儲能(Grid Storage)在內的大量技術升級。電網儲能是風能、太陽能、潮汐能等大量清潔能源目前的發展瓶頸。只有電網儲能才能實現異步發電,才能把不定期產生的清潔能源儲存起來,等到需要時再輸出。

 

 

 

05 氫燃料電池汽車

 

燃料或能量的來源不同,會帶來汽車動力系統的不同,對環境的影響也不一樣。全球生產的90%以上的石油都用於交通運輸工具,汽車的碳排放量為世界總排放量的20%~25%。汽油和柴油作為汽車的燃料具有體積小、重量輕和能量密度高的優點。

然而地球上儲存的石油越來越少,目前世界上各大汽車公司都在為未來的新能源汽車進行探索和投入。與以可充電的鋰電池為儲能裝置的電動汽車相比較,氫燃料電池汽車是以氫氣為燃料,通過氫燃料電池產生電力來驅動的電動汽車。

氫燃料電池的概念可以追溯到1838年,威爾士物理學家威廉·格羅夫(William Grove)發明瞭用氫氣和氧氣產生電流的燃料電池裝置,但用它產生電力驅動汽車是最近25年才發展起來的技術。下麵我們將簡要地從幾個方面闡述一下BEV、HFCV與ICEV的不同和優勢。

 

 

06 能量密度與汽車的續航能力

 

表1-2顯示了常見燃料在理想條件下的能量密度

 

特斯拉2017Model S P100D(見圖1-1)裝有100kWh的鋰電池,其重量超過500kg,續航能力接近500千米,但整個車重比普通汽車要多約500kg,每天拉著多餘的約500kg所耗費的能量大大降低了能量使用效率,圖1-2中展現了ICEV、HFCV和BEV轎車動力源(或燃料)系統的體積與重量的差別。

 

▲圖1-1 特斯拉Model S P100D底盤(a)和豐田Mirai底盤(b)

▲圖1-2 目前有500千米續航能力的ICEV、HFCV和BEV轎車動力源系統的體積與重量對比一覽圖,從能源使用效率上電動汽車顯然比ICEV占優勢,但HFCV車上的可利用空間比ICEV小

07 電動汽車的基礎設施

 

為了讓人們便利地駕駛電動汽車,基礎設施的建設將是未來電動汽車發展的關鍵性硬體。BEV的充電設施依賴於輸油網的普及,未來的電力系統將擔負BEV不斷增加的負載。為適應BEV的不斷發展,用於電力系統的能源來源將面臨更大的挑戰。

對氫燃料電池汽車來說,除了面臨不斷降低燃料電池系統的造價以外,還面臨的一大挑戰就是氫氣的儲存和輸運問題。雖然氫氣的質量能量密度很大,但它的體積能量密度很小,即使把氫氣壓縮到700個大氣壓,它的體積能量密度(1.30kWh/L)也只是汽油體積能量密度(9.2kWh/L)的七分之一左右。

儘管燃料電池的效率比內燃機的效率高一倍,FCV儲氫罐的體積還是比汽油箱的體積大三倍多。為了減少儲氫罐的體積和製造成本,增加儲氫量,研究人員一直在探索基於材料的儲存方法,改進儲氫罐的製造技術。

氫氣的來源很廣,但目前氫氣的儲運和分配還沒形成網絡,加氫站在大多數國家和城市並沒有普及。人們還無法方便地給氫燃料電池汽車加氫氣,這使得氫燃料電池汽車的普及存在很大的障礙和局限性。但是氫作為一種清潔能源,將會在未來20~50年逐步代替化石燃料成為汽車的主要燃料,這是大勢所趨。

 

註釋:

[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.

 

關於作者:韓維建,現任美國福特汽車公司亞太區研究與技術主管。自從1995年加入福特以來,在多個國家和地區組織了眾多的研究與技術專案。他在交通可持續發展系統分析、汽車輕量化、環境、能源、道路交通安全、政策制定,以及產學研結合等諸多領域都具有豐富的經驗和研究成果。

本文摘編自《電動汽車前沿技術及應用》,經出版方授權發佈。

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