插电混动和电动车们的前世今生

· Aug 05, 2014

近一百年前,亨利·福特和托马斯·爱迪生携手共创电动车大计的谋划落空了,因为彼时 1914 的电池技术还达不到。从此,车辆几乎全是靠烧油在大道上一路狂奔,这直接把我们推向全球变暖的渊薮。现在,福特和特斯拉、雪佛兰这样的公司合作终于打造出电动车的部落。丰田用油电混动的普锐斯掀起一轮热潮,特斯拉的 Elon Musk 则完全抛弃了碳氢化合物这种燃料,用一款纯电动的 Model S 定义了新纪元的汽车。同时,插电混动就像这二者的奉子婚姻,不过丰田的插电式混合动力普锐斯与雪佛兰 Volt 是截然不同的。那么,我们为什么需要所有这些不同的技术?那让我们来看看纯电及混动车的前世今生吧。

它是什么?

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电动车的历史可以追溯到 19 世纪初,但第一辆真正意义上的电动车是由英国电车大王托马斯·帕克(Thomas Parker)在 1884 年发明的。电动车在世纪之交迎来了一个小规模的黄金时代,并在 1912 年达到顶峰,那一年仅在美国就生产出了 34,000 辆电动汽车-相当于 2002 年整个混合动力车/纯电动车的生产总和。这些汽车由于其简单的操作和有限的续航里程而在城市里大受欢迎,并且它们的主要客户是妇女。然而随着大量石油储量的发现和高速公路的发展,有着更长续航里程的燃油车重新占据了主导地位。到了 1910 年前后,大多数企业均停止生产电动车,除了像叉车和高尔夫球车这样的专门设备。

在此之后,电动汽车的发展几乎停了下来,再有的就是像 Henney Kilowatt 这样胎死腹中的尝试。也的确有些研发尚在进行,制造混合动力汽车的一个早期尝试是 AMC1967 年的 Amitron:使用能源再生制动的第一辆美国汽车。当时的想法是使用制动能量给汽车电池充电,奥迪、沃尔沃和其他品牌也的确在几款试验车型上尝试了这项技术。

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将汽油这个妖精收回瓶子里并没那么容易,虽然现代的电动车几乎在各方面都更胜一筹。电动汽车动力传动系统非常简单,因为它们并不需要复杂的传动装置、冷却液和其他配件。另外电动汽车也非常有效率,它能有效利用电池里 90%的电力,这不知要比燃油车 30-35%的效率甩出几条街。事实上,电动车的造价能做到仅仅是燃油车的零头,但要除了一个部件:那就是电池,它造价昂贵,并且单位质量可存储的能量仅是汽油的 5%。

今天车用电池普遍采用的是锂离子电池(和你在笔记本电脑上找到的差不多),它有良好的能量密度,但价格昂贵、高度易燃。例如,据估计,特斯拉 Model S 的电池成本是 15,000 美元,这大约是其 70000 美元售价的五分之一。(特斯拉希望在 Gigafactory 建成后电池成本能下降到 8,000 元。)能使电池更高效更便宜的新技术看起来指日可待,但离商业化还有距离。

电动汽车和混动车的玩家是谁?

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丰田用一辆普锐斯掀起了混动车的狂潮,它是在 1997 年被大张旗鼓地推向日本市场的(上面这位一脸紧张的是时任丰田汽车总裁的 Hiroshi Okuda)。这款车在母国取得了巨大的成功,远超丰田的预期,仅在第一年就卖出去了 18000 台。与此同时,其他汽车制造商 1997 年到 1999 年间在美国推出了纯电动车,但他们卖得不好。本田在 1999 年用一辆双门 Insight 混动车进入了美国,丰田的普锐斯也在次年登陆美国海岸。

随着 Insight 和普锐斯的走红,混合动力车成了标榜绿色出行的人们趋之若鹜的稀罕物。2009 年普锐斯的销量突破 200 万大关,其他品牌也紧随其后推出混动车型,包括福特、雪佛兰、大众,甚至还有保时捷。

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与此同时,在 2008 年,PayPal 大王 Elon Musk 推出特斯拉全电动跑车,也是使用锂离子电池的首个量产车。虽然特斯拉并没有自建底盘(它用的是莲花 Elise 的底盘),不过它仍然开启了民智,其他厂商如雪佛兰慷慨宣言,要追求自己的商用电动汽车。结果可以接成个长龙了,雪佛兰 Volt(混合电动汽车)和日产 Leaf(纯电动汽车)均在 2010 年推出,其次是沃尔沃 C30 电动车、福特福克斯电动车、宝马 ActiveE、丰田 RAV4 电动车等。特斯拉自己也在 2012 年推出了 Model S,它可以说是一鸣惊人,在所有这些电动车里面是最著名的(上图)。

混动车如何工作?

所有的混合动力汽车和电动汽车都使用再生制动来回收制动功率,并将其存储在电池中。现代混合动力和电动汽车使用的是混合动力传动系统。并联混合动力汽车,像本田的 Civic 和 Insight,是天然气为动力的汽车,它有一个小电动机并联接在内燃机(ICE)上。这样的车辆在高速路上运转还能颇有效率,不过起起停停就没那么好了。

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雪佛兰 Volt(上图)是一「串联」插电式混合动力汽车的例子。这款车的动力系统是纯电动的,燃气发动机仅仅通过一台发电机给电池充电。由于充电过程中的效率损失,串联式混合动力车在高速公路上反而效率不高,而在启停频繁的城市驾驶中表现更好。最后,像丰田普锐斯这样的汽车使用串联和并联系统的组合,因此在城市和高速公路上都能游刃有余,不过它的成本也更高。

像雪佛兰 Volt 和丰田普锐斯这样的插电混动汽车,都有一个充电口和足够大的电池,以便在行驶距离更长时依然保证全电动驾驶。例如,普锐斯充三小时电就能跑 11 英里,而 Volt 充 10 到 16 小时就能跑 38 英里。

电动车又是何种情况?

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电动车要简单得多,不过它们的传动系统、电池和充电设计彼此非常不同。特斯拉 Model S 是采用异步感应电机的后置引擎后驱车,而日产 Leaf 则是一辆使用同步电机的前置前驱车。更加极端的例子是,奔驰 SLS AMG 的电动版(上面这辆华丽的车)有四个电机,每个车轮一个,一共产生 740 匹的马力。

大部分电动车用标准插座充电,一夜差不多就能充满,240 伏电则大约可以节省一半的时间。特斯拉 Model S 还有个可选的双充电器,每充一个小时就能跑 58 英里。特斯拉还在美国提供了 103 个免费的超级充电站,20 分钟就能将电池充个半满。另外,在精品服务站点 90 秒就能更换一个满电电池。

这关我什么事?

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化石燃料驱动的汽车对全球变暖、海洋酸化和其他恼人的环境恶化难辞其咎。它们还把美国惯成了一个重度依赖石油进口的国家,而石油卖家又不总是那么友好。

不过即使你不关心地缘政治,你也一定会同意环保汽车有许多好处。由于电动汽车的重量更轻、缺乏内部燃烧,电动汽车跑起来会比燃油汽车更安静。电动汽车的整个前部可以是一个溃缩区,这样真遇到撞车也会更安全。而且你可以常常在 HOV 车道(类似「公交专用车道」)上合法驾驶你那辆电动汽车或插电混动车。

纯电动汽车和插电混动车的价格比燃油车高出许多(当然是因为这些大电池),不过,大多数电动车和像雪佛兰 Volt 这样的插电混动车,会得到 7500 美元的联邦税收抵免,在加州,还会有额外的 2500 美元电动车补贴,或 1500 美元的插电混动车补贴。例如,日产 Leaf 卖 3 万美元左右,不过算上减免补贴,其实 2 万美元就能买到。另外,5 年内你可以省下大约 4000 美元的烧油费用,这样价格其实就是 16,000 美元了。那么维护费用是个什么情况?这很难说,因为电动车总共上路也没多长时间,不过这些车子这么简单,维护起来应该也不难。

争议点又在哪?

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对电动车和混动车还有些麻烦的问题。电池寿命总有个头,废弃电池难以处置,替换费用昂贵。日产 Leaf 的耐热电池组(上图)价值 5500 美元,特斯拉 Model S 要换个电池需要耗资 12,000-15,000 美元。这两款车均有 8 年电池保修,不过过几年后电池性能会有明显衰减。由于技术的不成熟,混动电动车和纯电动车维护起来都是费用高昂。最后,电动汽车环不环保还取决于你住在哪里。如果你家那块电网是靠煤发电,而你又用电网给电动车充电,那你仍然在给全球变暖做贡献。核电厂则有另外一系列污染问题。

随着路上的混动和纯电动车越来越多,电池和维护的价格也在下降。特斯拉公司计划在 Gigafactory 建成后将 Model S 的电池价格降至 8,000 美元左右。电池科学 ——像最近锂阳极的进步——将最终被商业化,从而降低电池重量和成本。在短短几年内,电动汽车和混合动力汽车已经有了相当大的进步。所有这一切得来不易,法规、回扣和良性竞争促使汽车制造商将这个领域推向新的高峰。我们可以设想一个美好的未来,那时,电动车都足够便宜,便宜到政府补贴都显得多余,当这一切成真时,我们人人都是赢家。

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