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在豬年的最開(kāi)頭

來(lái)一波高能充電！

今天是我們一起充電的第3天

導(dǎo)讀：電動(dòng)汽車(chē)（Electric Vehicle，EV）作為一個(gè)新能源汽車(chē)的主力發(fā)展方向，近年來(lái)得到了越來(lái)越多的關(guān)注。在節(jié)能減排的大背景下，電動(dòng)汽車(chē)的零排放特點(diǎn)使其能夠在新的時(shí)期承擔(dān)起人們交通出行的任務(wù)。

那么，如何解讀電動(dòng)汽車(chē)？它的生產(chǎn)制造有哪些環(huán)節(jié)？電動(dòng)汽車(chē)真的更節(jié)能環(huán)保嗎？

作者：文浩，曾濤，徐淳川等編著，韓維建主編

如需轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系華章科技

01 電動(dòng)汽車(chē)的定義

開(kāi)宗明義，什么是電動(dòng)汽車(chē)？簡(jiǎn)單地說(shuō)，電動(dòng)汽車(chē)就是以電力為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)。

在本文的討論中，除了以蓄電池為輔助動(dòng)力源的混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV、PHEV）和以蓄電池為動(dòng)力源的純電動(dòng)汽車(chē)（BEV）外，電動(dòng)汽車(chē)還包括氫燃料電池汽車(chē)（HFCV），但是沒(méi)有討論在國(guó)內(nèi)無(wú)須上牌的代步車(chē)，或者電動(dòng)滑板這類(lèi)代步工具。電動(dòng)汽車(chē)包括的幾種常見(jiàn)類(lèi)型如表1-1所示。

混合動(dòng)力汽車(chē)是當(dāng)代電動(dòng)汽車(chē)中最早進(jìn)入大眾視野的車(chē)型。該車(chē)型不需要充電，只需要供應(yīng)燃油。電池單元完成能量的采集和分配的任務(wù)，極大地提高了能量使用效率。從黑盒子的觀點(diǎn)來(lái)看，混合動(dòng)力汽車(chē)相當(dāng)于一輛耗油量極低的燃油車(chē)，不改變用戶(hù)基本的使用體驗(yàn)。

插電式混合動(dòng)力汽車(chē)不強(qiáng)制要求用戶(hù)充電，但是短距離代步可以使用全電池動(dòng)力，很多上下班距離在40千米以?xún)?nèi)的上班族可以通過(guò)充電滿(mǎn)足每天的行駛需要，從而很長(zhǎng)時(shí)間不用去加油。

而純電動(dòng)汽車(chē)則必須充電才能行駛，一般充電時(shí)間需要4～8小時(shí)，快充也需要半小時(shí)以上，目前還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于汽油加油站10分鐘的加油速度。

02 電動(dòng)汽車(chē)簡(jiǎn)史

1. 史前時(shí)代

電動(dòng)汽車(chē)的出現(xiàn)實(shí)際上早于內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)（Internal Combustion Engine Vehicle，ICEV）。1828年，匈牙利人耶德利克·阿紐升（Jedlik ányos）把自己發(fā)明的電機(jī)放到了一輛模型車(chē)上，這算是有記載的最早的電動(dòng)汽車(chē)。

然而，再過(guò)31年，1859年法國(guó)人加勒東·普蘭特（Gaston Planté）才發(fā)明了鉛蓄電池，又過(guò)22年，1881年鉛蓄電池才終于有了質(zhì)的改進(jìn)，使得工業(yè)化大生產(chǎn)成為可能。這之后，電動(dòng)汽車(chē)才發(fā)展起來(lái)。

半個(gè)世紀(jì)，這是電動(dòng)汽車(chē)從實(shí)驗(yàn)室概念到平常百姓家的距離。

2. 黃金時(shí)代

鉛蓄電池被發(fā)明后，19世紀(jì)末20世紀(jì)初，電動(dòng)汽車(chē)迎來(lái)了黃金時(shí)代。最開(kāi)始，紐約和倫敦這兩個(gè)世界中心開(kāi)始使用EV作為出租車(chē)。值得一提的是，在1916年，世界上第一輛油電混合動(dòng)力的EV在芝加哥誕生。這就是后來(lái)豐田普銳斯的“爺爺”，不過(guò)產(chǎn)品銷(xiāo)售慘淡。

那時(shí)候的EV已經(jīng)具備了當(dāng)代EV的一些優(yōu)點(diǎn)：無(wú)須換擋、安靜無(wú)噪聲、啟動(dòng)速度快。不過(guò)，由于行駛里程短、速度低，其只能在城市代步當(dāng)買(mǎi)菜車(chē)，那時(shí)的EV就被冠以“女人車(chē)”的尷尬綽號(hào)，以至于有車(chē)廠故意在車(chē)頭安放假的進(jìn)氣口以安撫車(chē)主。

這像不像當(dāng)今特斯拉弄一個(gè)假車(chē)頭，里面不是引擎卻是儲(chǔ)物槽？歷史總是驚人的相似。

在EV的全盛時(shí)期的世紀(jì)之交，汽、電、油三種動(dòng)力分別占據(jù)40%、38%、22%的市場(chǎng)。那時(shí)，甚至出現(xiàn)了直接換電池的服務(wù)站點(diǎn)。

3. 黑暗世紀(jì)

在黃金時(shí)代之后，便是漫長(zhǎng)的黑暗世紀(jì)。道路狀況的改善，讓人們希望能夠去更遠(yuǎn)的地方；石油勘探的進(jìn)步，讓燃油車(chē)在長(zhǎng)距離行駛的情況下更加經(jīng)濟(jì)。而且，誰(shuí)不想在兜風(fēng)的時(shí)候一腳油門(mén)一騎絕塵呢？EV的蝸牛速度無(wú)法滿(mǎn)足人們對(duì)于自由的向往，漸漸被冷落下來(lái)。

與此同時(shí)，燃油車(chē)的短板在不停地被補(bǔ)齊：電子打火器讓人們不用手搖啟動(dòng)（參考早期的解放牌卡車(chē)），消音器讓引擎更安靜，最后，福特汽車(chē)的流水線讓內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)被大量地、低成本地制造出來(lái)。工薪階層兩個(gè)月的工資，就能買(mǎi)上一輛安靜、有速度且能彰顯中產(chǎn)地位的福特T型車(chē)。

電動(dòng)汽車(chē)最后只能淪為有錢(qián)人博物館里的收藏品。著名電視脫口秀主持人杰·雷諾（Jay Leno）家里就有一輛。

黑暗中世紀(jì)的漫長(zhǎng)，延續(xù)了幾乎一個(gè)世紀(jì)。不過(guò)，EV的技術(shù)還是以分散的形式在發(fā)展：電池在手提式設(shè)備的商業(yè)應(yīng)用中慢慢進(jìn)步，電機(jī)驅(qū)動(dòng)著工業(yè)機(jī)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(huì)露個(gè)臉，比如1971年人類(lèi)放在月球上的第一輛車(chē)。

4. 文藝復(fù)興

內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)興盛的背景是，在長(zhǎng)達(dá)一個(gè)世紀(jì)中，石油作為人類(lèi)可傳遞的高密度能源的興盛。19世紀(jì)，洛克菲勒開(kāi)采出的石油，在卡內(nèi)基的鋼鐵中，驅(qū)動(dòng)了亨利·福特的汽車(chē)，讓整個(gè)工業(yè)帝國(guó)運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)。

然而，盛極必衰，在中東國(guó)家探明石油的巨大儲(chǔ)量，并且成為全球工業(yè)機(jī)器的輸血站的20世紀(jì)七八十年代，能源產(chǎn)業(yè)的上下游文明發(fā)生了沖突，輸血站關(guān)上了門(mén)，石油危機(jī)爆發(fā)，車(chē)輪上的老百姓突然發(fā)現(xiàn)自己開(kāi)不起車(chē)了。

對(duì)美國(guó)這樣的車(chē)輪上的國(guó)家來(lái)說(shuō)，有車(chē)開(kāi)，等于有自由。尋找替代出行能源和出行方式的努力，在巨大的市場(chǎng)前景下大范圍展開(kāi)。在1990年的洛杉磯車(chē)展上，車(chē)企巨頭通用汽車(chē)展示了GM Impact EV概念車(chē)，并宣布將會(huì)制造EV賣(mài)給消費(fèi)者，拉開(kāi)了EV“文藝復(fù)興”的序幕。

隨后，克萊斯勒、福特、豐田紛紛宣布了自己的EV計(jì)劃。20世紀(jì)90年代，豐田推出了普銳斯。這款車(chē)型現(xiàn)在幾乎成為混合動(dòng)力汽車(chē)的代名詞。

然而，由于那時(shí)并沒(méi)有足夠先進(jìn)的電池技術(shù)，各大車(chē)廠的EV其實(shí)主要是針對(duì)各地區(qū)的節(jié)能減排政策的應(yīng)對(duì)措施，雖有口碑，但并無(wú)市場(chǎng)和進(jìn)一步的研發(fā)動(dòng)力。很快，各大車(chē)企施加的壓力就讓政客們低下了頭，EV再次沉寂。

進(jìn)入21世紀(jì)，埃隆·馬斯克（Elon Musk）的特斯拉開(kāi)始登上電動(dòng)汽車(chē)的舞臺(tái)。從2004年的Roadster開(kāi)始，特斯拉力求將電動(dòng)汽車(chē)缺乏但燃油車(chē)能夠提供的高端、速度、身份、時(shí)尚感賦予電動(dòng)汽車(chē)。

新時(shí)代的電機(jī)，配合最新的高密度鋰離子電池，特斯拉可以實(shí)現(xiàn)媲美百萬(wàn)超級(jí)跑車(chē)的加速性能和身份認(rèn)同。一輛成功的電動(dòng)汽車(chē)，一定不能只有對(duì)環(huán)境保護(hù)的情懷和國(guó)家政策的扶持，而一定要有市場(chǎng)的認(rèn)同。最早期的特斯拉車(chē)主，買(mǎi)的不是電動(dòng)汽車(chē)，而是一輛好車(chē)。

特斯拉帶來(lái)的產(chǎn)業(yè)沖擊，開(kāi)辟了前所未見(jiàn)的高端EV市場(chǎng)，也促進(jìn)了傳統(tǒng)車(chē)企的重兵進(jìn)入。

時(shí)間前進(jìn)到當(dāng)下，雪佛蘭Bolt和特斯拉Model 3，首次將BEV價(jià)格降到4萬(wàn)美元以下，成為大眾買(mǎi)得起的純電動(dòng)汽車(chē)。

03 鋰電產(chǎn)業(yè)

中國(guó)已經(jīng)和日韓兩國(guó)一起，成為世界上三大最重要的電池生產(chǎn)國(guó)，而我國(guó)的汽車(chē)市場(chǎng)早已經(jīng)在2009年超越美國(guó)成為世界第一大國(guó)。巨大的市場(chǎng)和技術(shù)的積累，讓我國(guó)有條件發(fā)展自己的電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)。

然而，必須要清醒地認(rèn)識(shí)到，一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，其背后是一整套工程學(xué)方法；一套工程學(xué)方法，其背后是上百年沉淀下來(lái)的科學(xué)理念。

一個(gè)高中生就可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)搜索告訴你古德里奇發(fā)明了當(dāng)代鋰電池的鈷酸鋰正極，然而，他是怎么找到鈷酸鋰的，如何驗(yàn)證的，又是如何最后將它應(yīng)用到生產(chǎn)中去的，這些都需要一個(gè)國(guó)家、一個(gè)民族慢慢去摸索。

當(dāng)前，我國(guó)的電動(dòng)汽車(chē)新能源產(chǎn)業(yè)是由政府牽頭補(bǔ)貼，政企聯(lián)合自上而下地發(fā)展起來(lái)的。由于缺乏市場(chǎng)推動(dòng)，電動(dòng)汽車(chē)企業(yè)往往沖著新能源補(bǔ)貼政策的福利敷衍造車(chē)。當(dāng)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(chǎng)認(rèn)可的電動(dòng)汽車(chē)的企業(yè)，才會(huì)獲得市場(chǎng)豐厚的回報(bào)。

04 挑戰(zhàn)

真理越辯越明。電動(dòng)汽車(chē)不完美，它也不一定是解決問(wèn)題的最優(yōu)解。這里，我們嘗試帶著批判性思維，去剖析電動(dòng)汽車(chē)當(dāng)前遇到的一些問(wèn)題。

首先，是底層的電池性能問(wèn)題。當(dāng)代電動(dòng)汽車(chē)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(chē)所使用的汽油相比，電動(dòng)汽車(chē)的能量密度還是不足其1/10。能量密度不足，自然帶來(lái)行駛里程不足的問(wèn)題。

其次，是充電時(shí)間的問(wèn)題。當(dāng)前最好的快速充電技術(shù)也需要半小時(shí)才能充電80%，而且會(huì)帶來(lái)電池壽命損耗，再提高充電效率則會(huì)帶來(lái)充電站功率過(guò)高的挑戰(zhàn)。加油站加油只需要5分鐘，如果電動(dòng)汽車(chē)無(wú)法超越這條線，那么究竟應(yīng)該如何設(shè)計(jì)使用體驗(yàn)，使充電時(shí)間不再是問(wèn)題？

最后，是碳排放的問(wèn)題。電動(dòng)汽車(chē)在生命周期之中，是否實(shí)現(xiàn)了比燃油車(chē)更低的碳排放？顯然，如果使用高污染的火力發(fā)電，電動(dòng)汽車(chē)的碳排放得不償失。同時(shí)，電池制造伴隨著大量的工業(yè)流程、礦石開(kāi)采，包括廣泛使用的石墨、鐵、磷、鈷，這會(huì)不會(huì)比石化開(kāi)采帶來(lái)更多的環(huán)境影響？這方面的研究已經(jīng)展開(kāi)，使用的是生命周期評(píng)價(jià)（Life Cycle Assessment，LCA）方法。目前的結(jié)論是具體問(wèn)題具體分析，電動(dòng)汽車(chē)大有可為^[1]。

除了LCA方法以外，電動(dòng)汽車(chē)帶來(lái)的附加效應(yīng)和新機(jī)會(huì)，雖然不容易量化，但不容忽視。

一方面，電動(dòng)汽車(chē)促進(jìn)了創(chuàng)新，帶來(lái)了大量的就業(yè)機(jī)會(huì)和產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

另一方面，電動(dòng)汽車(chē)帶來(lái)的技術(shù)升級(jí)，促進(jìn)了包括電網(wǎng)儲(chǔ)能（Grid Storage）在內(nèi)的大量技術(shù)升級(jí)。電網(wǎng)儲(chǔ)能是風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能等大量清潔能源目前的發(fā)展瓶頸。只有電網(wǎng)儲(chǔ)能才能實(shí)現(xiàn)異步發(fā)電，才能把不定期產(chǎn)生的清潔能源儲(chǔ)存起來(lái)，等到需要時(shí)再輸出。

05 氫燃料電池汽車(chē)

燃料或能量的來(lái)源不同，會(huì)帶來(lái)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的不同，對(duì)環(huán)境的影響也不一樣。全球生產(chǎn)的90%以上的石油都用于交通運(yùn)輸工具，汽車(chē)的碳排放量為世界總排放量的20%～25%。汽油和柴油作為汽車(chē)的燃料具有體積小、重量輕和能量密度高的優(yōu)點(diǎn)。

然而地球上儲(chǔ)存的石油越來(lái)越少，目前世界上各大汽車(chē)公司都在為未來(lái)的新能源汽車(chē)進(jìn)行探索和投入。與以可充電的鋰電池為儲(chǔ)能裝置的電動(dòng)汽車(chē)相比較，氫燃料電池汽車(chē)是以氫氣為燃料，通過(guò)氫燃料電池產(chǎn)生電力來(lái)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)。

氫燃料電池的概念可以追溯到1838年，威爾士物理學(xué)家威廉·格羅夫（William Grove）發(fā)明了用氫氣和氧氣產(chǎn)生電流的燃料電池裝置，但用它產(chǎn)生電力驅(qū)動(dòng)汽車(chē)是最近25年才發(fā)展起來(lái)的技術(shù)。下面我們將簡(jiǎn)要地從幾個(gè)方面闡述一下BEV、HFCV與ICEV的不同和優(yōu)勢(shì)。

06 能量密度與汽車(chē)的續(xù)航能力

表1-2顯示了常見(jiàn)燃料在理想條件下的能量密度。

特斯拉2017Model S P100D（見(jiàn)圖1-1）裝有100kWh的鋰電池，其重量超過(guò)500kg，續(xù)航能力接近500千米，但整個(gè)車(chē)重比普通汽車(chē)要多約500kg，每天拉著多余的約500kg所耗費(fèi)的能量大大降低了能量使用效率，圖1-2中展現(xiàn)了ICEV、HFCV和BEV轎車(chē)動(dòng)力源（或燃料）系統(tǒng)的體積與重量的差別。

07 電動(dòng)汽車(chē)的基礎(chǔ)設(shè)施

為了讓人們便利地駕駛電動(dòng)汽車(chē)，基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)將是未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵性硬件。BEV的充電設(shè)施依賴(lài)于輸油網(wǎng)的普及，未來(lái)的電力系統(tǒng)將擔(dān)負(fù)BEV不斷增加的負(fù)載。為適應(yīng)BEV的不斷發(fā)展，用于電力系統(tǒng)的能源來(lái)源將面臨更大的挑戰(zhàn)。

對(duì)氫燃料電池汽車(chē)來(lái)說(shuō)，除了面臨不斷降低燃料電池系統(tǒng)的造價(jià)以外，還面臨的一大挑戰(zhàn)就是氫氣的儲(chǔ)存和輸運(yùn)問(wèn)題。雖然氫氣的質(zhì)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(gè)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。

盡管燃料電池的效率比內(nèi)燃機(jī)的效率高一倍，F(xiàn)CV儲(chǔ)氫罐的體積還是比汽油箱的體積大三倍多。為了減少儲(chǔ)氫罐的體積和制造成本，增加儲(chǔ)氫量，研究人員一直在探索基于材料的儲(chǔ)存方法，改進(jìn)儲(chǔ)氫罐的制造技術(shù)。

氫氣的來(lái)源很廣，但目前氫氣的儲(chǔ)運(yùn)和分配還沒(méi)形成網(wǎng)絡(luò)，加氫站在大多數(shù)國(guó)家和城市并沒(méi)有普及。人們還無(wú)法方便地給氫燃料電池汽車(chē)加氫氣，這使得氫燃料電池汽車(chē)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(huì)在未來(lái)20～50年逐步代替化石燃料成為汽車(chē)的主要燃料，這是大勢(shì)所趨。

注釋?zhuān)?/p>

［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.