電動汽車：穹頂之下的一場汽車技術革命
本文首發於《創意世界》雜誌，未經許可，禁止轉載
1. 什麼是電動汽車和新能源汽車？
自1884年第一輛量產電動汽車誕生以來，電動汽車已經有超過百年的歷史。然而在20世紀初短暫的輝煌以後，電動汽車因為其較短的續航里程和電池壽命，以及充電的不便，在與內燃機汽車的競爭中被逐漸淘汰。
然而，到了20世紀末，隨著私家車數量的不斷增加，內燃機汽車帶來的空氣污染，溫室氣體排放，化石能源的大量消耗等問題也越來越緊迫。於是，曾經被拋棄的電動汽車技術又再度吸引了各國政府和各大車企的注意力。自2012年特斯拉公司發布了Model S豪華電動車以後，經過媒體的大量報道，電動車更成為公眾關注的焦點。電動車通過其環保和先進科技的優勢，讓不少消費者開始真正考慮購買一輛電動汽車。很多政府也出台了相應的補貼和激勵政策。除了特斯拉Model S以外，一些定價更親民的車型，如日產聆風（在國內作為啟辰晨風銷售），雪佛蘭Volt，也在某些市場上獲得了一定成功。
電動汽車，顧名思義，採用電力驅動，由蓄電池和電動機構成其動力系統。相比傳統內燃機汽車，電力汽車驅動效率更高，不燃燒化石能源，本身不產生排放，而電力又可以來自於核能，太陽能，水力，風能等可再生能源，即使來自於化石燃料，相比內燃機汽車分散的排放，也可能更利於集中處理控制和提高燃燒效率。故被普遍認為存在巨大潛力，可以用以改善空氣污染，全球氣候變暖，減少對化石燃料的依賴。同時電動機幾乎沒有噪音和振動，同時更易於結合現代電子技術實現汽車自動化，也被認為是更舒適和高級的車輛。
廣義上的電動汽車，除了通過蓄電池驅動的純電動汽車以外，也包括採用其他技術形式的通過電動機驅動的汽車，比如常規混合動力汽車（HEV），和燃料電池汽車。
常規混合動力汽車的代表有豐田公司於1997年首次推出的普銳斯，車上也安裝了動力電池，在內燃機效率比較低的低速時，採用電動機驅動。但其電力的來源卻不是外接充電，而是通過內燃機運轉的冗餘動能和下坡和制動時的動能回收對電池進行充電。這種汽車相對於傳統內燃機汽車也能夠明顯降低排放和能源消耗，目前的技術可靠性和成本控制都比較成熟。從市場角度來說，也不需要消費者改變汽車使用的習慣，只要跟普通汽車一樣沒油了就加油就可以，目前在一些地區已經是最暢銷的車型之一。但從根本上來說，常規混合動力汽車依然使用的是化石能源，也需要內燃機參與驅動，長遠來看並不可能完全拜託對化石燃料的依賴，也無法完全消除汽車尾氣排放。
結合常規混合動力汽車和純電動汽車的優點，還有一種插電混合動力汽車。與常規混合動力汽車最主要的區別是，這種汽車可以通過外接充電的方式供給電池的電力，而且往往動力電池的容量更大，可以只依靠電池和電動機驅動行駛較長的距離，所以雖然依然有內燃機，可以在混合動力模式下由汽油作為最終能源進行驅動，但也可以像純電動汽車一樣僅僅通過事先充電的電池驅動汽車，做到完全意義上的零排放。比亞迪的秦，雪佛蘭的volt，實際上都是插電混動汽車。這種汽車因為有兩套完整的動力系統，成本較高，重量較大，但是很好的兼顧了市內短途通勤使用電力的經濟環保，和長途駕駛可以加油的便利性。因而在充電設施尚不普及，充電速度、電池容量都存在限制的情況下，插電混合動力汽車因為只需要在家中和工作地點安裝充電設備，對續航里程的要求較低，相比較純電動汽車更容易推廣。而插電混合動力汽車的普及，能夠促進蓄電池的技術成熟和成本降低，並支持建設更多的充電設施，從而為純電動汽車的進一步推廣做準備，是通往電動汽車社會很好的過渡技術。
與混合動力汽車類似，燃料電池汽車的技術原理也是將化學能轉化為電能後，再通過電動機驅動汽車。但與混合動力汽車不同的是，燃料電池汽車完全去除了內燃機的結構。依燃料電池的技術不同，其利用的燃料可以是氫氣，甲烷，乙醇，天然氣等。但目前最主要的燃料電池技術還是採用氫氣。氫氣的來源非常廣泛，不但傳統的化石能源如石油、煤、天然氣可以用來制氫。可再生能源如太陽能，風能，生物能等也可以用來制氫，氫同時也是一些化工工業的副產物。而氫氣燃料電池汽車與普通電動汽車一樣，也不產生尾氣，唯一的反應產物只是水，在環保方面的潛力更大。而與電動汽車相比，氫氣燃料電池氫氣用完以後只要在加氫站加氫補充燃料即可，使用方式與汽油內燃機汽車一樣，沒有電池續航里程不夠的問題。
燃料電池汽車技術相對來說發展的時間更近。2014年12月，第一款量產的燃料電池汽車豐田FCV才在日本開始銷售。相比常規混合動力汽車，插電混合動力汽車和純電動汽車，氫燃料電池是否能夠得到市場認可還有待檢驗。在推廣方面，氫燃料電池也面臨更大的挑戰。目前不管是氫氣的製備，燃料電池的製造，還是加氫站的建設，都存在成本昂貴的問題。特別是加氫站的建設需要從零開始，相比電動車充電可以利用現成的電力網路，難度要大很多。而在環保方面，因為氫氣製備的效率也依然較低，且仍主要藉助化石燃料，相比純電動汽車也處於劣勢。
2. 更快速的電動汽車：特斯拉為什麼可以這麼快
2014年10月，特斯拉公司推出了四驅版本的高性能Model S，型號代號為 P85D，再一次成為全球汽車媒體的關注焦點。這輛車0-100公里的直線加速成績達到3.1秒。這個成績超過了所有其他的量產四門轎車，包括比Model S更貴的賓士S級AMG高性能版，使Model S這樣一部主打豪華舒適的轎車，在運動場上也摘得桂冠。
3.1秒的成績對於售價動輒幾百萬人民幣的超級跑車來說也許只能算是良好水平。但是要知道，Model S P85D最多可以乘坐7人，並擁有前後兩個行李廂。加上電池的巨大重量，其車重與大型SUV和重型皮卡相仿，超過只能乘坐兩人的超級跑車一半以上。更為難得的是，擁有如此強大動力的Model S，同時又非常安靜，而且售價又只是超級跑車的幾分之一。特斯拉是如何做到的呢？
其實，電動車不僅僅環保，在性能上相對內燃機汽車也有其獨特優勢。內燃機因為其機械特性，往往只有到達高轉速以後才能有較高的動力輸出。這就帶來兩個結果：1. 內燃機汽車需要安裝變速箱，從而使得駕駛員在不同的行駛速度下都可以控制發動機運轉在高輸出的區間，從而改善動力。而變速箱的升降檔帶來動力輸出的停頓和遲滯。 2. 內燃機從低轉速到達高轉速需要時間，這就導致了動力的延遲。
與內燃機不同，電動機在最低轉速就能輸出最大扭矩，也往往不需要變速箱，所以不僅僅電動車的動力輸出更為平順安靜，而且從踩下『油門』（電門）踏板即刻起，電動機就可以輸出最大動力，這使得電動汽車動力響應的靈敏程度遠遠好於內燃機汽車。這種敏捷的感覺進一步加強了電動汽車主觀上的提速感，甚至比客觀加速的優勢更大。
此外，電動汽車還擁有結構上的優勢，使得可以比內燃機汽車更好。首先電動機沉重的電池可以置於汽車底部，從而降低重心，增加過彎穩定性。其次，因為電動汽車動力系統成本主要來自於電池，而電動機相對便宜，使得實現四驅成本更低，只需要增加一個電動機即可。而且這種通過電動機而不是傳動軸和中央差速器實現四驅的方式，可以方便通過電子設備更精細的控制前後軸的動力輸出，其整體的性能也更強。甚至電動汽車還可以在每一個車輪上安裝輪轂電機，去除驅動軸，更直接的控制每個車輪的動力輸出。未來電動車的性能，的確充滿想像。
3. n更省錢的電動汽車：老年代步車與低速電動車
因為特斯拉等電動汽車的火爆，在很多人眼中，電動汽車代表了更先進的體驗和更強勁的動力，也意味著更昂貴的價格。即使是定價相對親民的車型，因為電池的製造成本依然較高，生產的規模也不夠，即使通過用電能夠節省油費，總體的使用成本也往往高於傳統的內燃機汽車。那麼，是否存在真的省錢的電動汽車呢？
答案是肯定的。在我國的山東等地，流行著一種純電池驅動的『老年代步車』。它們的底盤大多發展自廣泛的流行於我國小城鎮、農村和城鄉結合部的燒汽油或柴油的輕型三輪車，機械結構相對簡單，車身尺寸比普通的微型轎車略小，採用成本較低的鉛酸電池驅動，便宜的只要萬元左右，購買和使用的成本都很低。
無獨有偶，美國也有一種車輛叫做社區電動車（Neighborhood Electric Vehicle），是低速車輛的一種，極速不超過40公里/小時，只允許在限速不超過56公里/小時的道路上行駛。因為價格便宜，清潔，道路安全危害小，被高校等大型機構用於在園區內部的文件和小型貨物運輸。
這兩個例子都很好的說明了即使在電池成本依然較高的情況下，電動車依然可以比傳統內燃機汽車更經濟。如果只在城市內進行短途通勤，就不需要電動車有很高的續航里程。而如果只是短途通勤，車輛也不需要在高速下行駛，就能進一步降低耗電量，並充分利用電動機在低速相比內燃機汽車尤為經濟環保的特點。而行駛速度較低，也就使得電動汽車對乘員的安全保護標準可以適度下調，減少部分用料，減輕車重，從而進一步的減少電量消耗和電池容量，降低成本。未來社會，隨著商品、工具和職業的進一步細分，車輛也可以依據用途的不同而更加專業化。低速電動車能夠很好得滿足城市中大量的短途代步需求，而與此同時又能有益於節能減排，改善環境，應當引起我們的注意。如果能夠妥善的解決鉛酸電池的污染問題，建立可靠的低速電動車的質量和安全標準，完善相關的駕駛資格和道路行駛的管理規則，低速電動車雖然缺乏特斯拉等高檔電動車的光環，但卻有潛力為建設更清潔同時更便利的社會做出更大的貢獻。
4. n挑戰和機遇
既然電動汽車既有高性能和低噪音，又可以經濟實惠，綠色環保，那為什麼目前電動車的推廣還沒有獲得成功呢？這就要說到電動汽車的『四大硬傷』了，即『充電慢』，『里程短』，『電池貴』，和『壽命短』。
首先是充電速度問題。燃油和混合動力汽車只要花幾分鐘的時間，就可以達到上千公里的續航里程。對於成本較低的220V家用充電，選用80安培的雙充電器以後，充電速度也只有每小時100公里，如果是常見的15-20安培的適配器，充電速度則最多為每小時25公里。如果是110伏電壓的地區，比如美國，日本，充電的速度則會更低，只有每小時6.5公里左右。（從這個角度來說，我國推廣電動車相對於美國和日本在充電條件上有先天優勢）。
其次是短續航里程帶來的對汽車沒電的焦慮和恐慌。受限於電池成本，重量，和電池管理技術，電動車普遍續航里程較低。目前家用燃油車普遍高速續航能力在一千公里左右，按美國環保局的測試，最強的特斯拉Model S可以達到426公里，比亞迪E6和騰勢則是200公里，其他車型最高的也只有100公里左右。這種低續航能力在充電很慢的情況下，負面影響就變得更大。
最後，電池成本和電池壽命也是很多消費者擔心的問題。因為目前電池的能量密度還較低，更換電池的成本非常昂貴，如日產聆風的電池廠家更換需要5000美元。而純電動車因為電池持續輸出電力，無法像傳統混合動力一樣淺充淺放，壽命也遠遠短於傳統混合動力的電池組。日產宣稱旗下的聆風車型電池的保修標準只有5年10萬公里，大概壽命只有混合動力車型動力電池的1/3。用不了幾年就要再花錢更換昂貴的電池，也是阻礙很多人購買電動汽車的重要因素。
當然，這些問題也不是沒有解決辦法。特斯拉的超級充電站已經能做到，20分鐘充電達到240公里的續航，已經達到很多人可以接受的程度，如果未來這種充電站得到普及，能夠大大改善充電難的問題。此外，通過沿公路安裝無線充電設備，通過電磁感應原理對行駛中的汽車進行充電，也是解決這個問題的另一個思路。而隨著電動車銷量的增大和電池生產規模的擴大，電池的製造成本也可以降低。電池管理技術的進一步成熟也會帶來壽命的提高。而如果新型電池技術，如超級電容技術，能夠取得突破，電池的能量密度大幅提高，續航里程也就不在是一個問題。
即使沒有重大技術突破，這些問題也可能通過其他方式，比如換電池站進行解決。如果電動車動力電池的規格得以統一，就可以建設一個更換動力電池站點的網路，消費者只要繳納一部分押金和服務費，就可以隨時更換沒電的電池，被換下的電池經過再次充滿後再換給下一位顧客。
此外，如果要進一步推廣電動汽車，政府的支持政策也是必不可少的。在美國，除了聯邦對購買電動車實行所得稅減免的政策外，加利福尼亞州還通過現金補貼的方式支持電動車銷售。每一個汽車企業售出的前一定數量的電動車可以享受這種補貼。而等到該企業已經銷售了一定規模的電動車以後，生產成本可以下降，充電設施網路也基本成型，補貼也就可以取消。這樣就既可以控制財政投入，也能很好的起到在初期啟動電動車市場和配套設施的作用。此外，給予電動汽車在收費公路上的免費通行權，減免停車費，或者提供免費充電等方式也被美國的一些地方政府使用。
除了鼓勵普通消費者購買電動車以外，在公共車輛中率先採用電動汽車也能起到示範作用，讓大眾接觸到電動汽車並逐漸了解和認可電動車的優勢。在這方面，除了電動計程車和電動公交車以外，國際上一些政府還採用了共享汽車的辦法。比如美國聖地亞哥市的政府就跟賓士合作，在當地開展了Smart電動共享汽車的項目，民眾可以花幾美元租賃一輛電動汽車一小時，進行購物等活動，從而更充分的體驗和接受電動汽車。
如果對電動汽車的政策和市場感興趣的話，我還做了一期關於電動汽車的Live，現在知乎有「結束後進入」的功能，所以仍然可以購買參與：
- Live 鏈接：魚非魚的 Live —— 探究電動汽車市場。
- 圖表文字版同樣是在『駕仕閱讀』可以獲得：http://miguan.in/m/04CCM?_1=488&_2=488
- Live的提綱在這裡今晚 Live 的提綱以及一些Tips
推薦閱讀：