第一章 革命性的电动汽车

01/ 什么是电动汽车

自1884年第一辆量产电动汽车诞生以来，电动汽车已经历了百余年的历史。然而，在20世纪初短暂的辉煌以后，电动汽车因为其较短的续航里程和电池寿命，以及充电的不便，在与内燃机汽车的竞争中逐渐被淘汰。

1．应需而生的电动汽车

20世纪末，随着私家车数量的不断增加，内燃机汽车带来的空气污染、温室气体排放、化石能源的大量消耗等问题也越来越紧迫。于是，曾经被抛弃的电动汽车技术再度吸引了各国政府和各大车企的注意力。2012年，特斯拉公司发布了Model S豪华电动汽车，经过媒体的大量报道，电动汽车成为公众关注的焦点，其节能和先进科技的优势，让不少消费者真正开始考虑购买一辆电动汽车。同时，全球很多政府出台了相应的补贴和激励政策。除了特斯拉Model S以外，一些定价更亲民的车型，如日产聆风（在国内作为启辰晨风销售）、雪佛兰Volt，以及我国的比亚迪秦、比亚迪E6等车型，也获得了一定的成功。

如图1-1所示为2016年度全球最畅销的纯电动汽车——日产聆风。这款车装备了一个80千瓦的电机和一个30千瓦时的锂离子电池，续航里程为172公里，选用快充适配器的话充满电的时间为6小时。

电动汽车，顾名思义是采用电力驱动汽车，由蓄电池和电动机构成其动力系统。为什么电动车能够节能呢？简单来说，电动汽车相当于在传统燃油车直接将汽油、柴油的化学能转化为机械能的过程中，增加了电作为能量的中间存储媒介。因为电机将电能转化为机械能的效率很高，高达90%，而电厂大型机组的效率又比家用车发动机高得多，所以电动汽车的整体效率更高，从而节约能源。另外，从长期来看，电动汽车的电能不必受限于化石能源，还可以是太阳能、风能、水能、核能、生物能等多种能源。对于已探明的石油储量将会在21世纪内被用完的这个世界来说，这确实是一个好消息。

广义上的电动汽车，除了通过蓄电池驱动的纯电动汽车以外，还包括采用其他技术形式驱动电动机的汽车，比如常规混合动力汽车（HEV）和燃料电池汽车等。

2．常规混合动力汽车

常规混合动力汽车的代表有丰田公司于1997年推出的普锐斯。车上安装了动力电池，在内燃机效率比较低的低速行驶时，采用电动机驱动。但其电力的来源却不是外接充电，而是通过内燃机运转的冗余动能及下坡和制动时的动能回收对电池进行充电。这种汽车与传统内燃机汽车相比，能够明显降低排放和能源消耗，目前的技术可靠性和成本控制都比较成熟。从市场角度而言，也不需要消费者改变汽车驾驶的习惯，与普通汽车一样——没油了就加油。

如图1-2所示即目前世界上最畅销的混合动力车型——丰田普锐斯，根据美国网站Fuelly显示，其实际的平均油耗只有4.47升/百公里。相比日产聆风的容量高达30千瓦时的电池，普锐斯只用了一块0.75千瓦时的锂离子电池，因此车重比聆风更低。

3．插电式混合动力汽车

结合常规混合动力汽车和纯电动汽车的优点，产生了一种插电式混合动力汽车（以下简称“插电混动汽车”）。与常规混合动力汽车相比的最主要的区别是，这种汽车可以通过外接充电的方式供给电池的电力，而且依靠容量更大的动力电池，可以只通过电池和电动机驱动行驶较长的距离。所以，其依然有内燃机可以在混合动力模式下由汽油作为最终能源进行驱动，也可以像纯电动汽车一样仅通过事先充电的电池驱动汽车，做到完全的零排放。我国畅销的比亚迪秦、荣威550混动，以及国外的雪佛兰Volt，实际上都是插电混动汽车。这种汽车因为有两套完整的动力系统，成本较高，重量较大，但能很好地兼顾市内短途通勤使用电力的经济环保性和长途驾驶可以加油的便利性。因而，在充电设施尚不普及、充电速度与电池容量都存在限制的情况下，插电混动汽车只需要在家中和工作地点安装充电设备，对续航里程的要求较低，因此比纯电动汽车更容易推广。插电混动汽车的普及，能够促进蓄电池的技术成熟和成本降低，并支持建设更多的充电设施，从而为纯电动汽车的进一步推广做准备，是通往电动汽车社会过程中的很好的过渡技术。

如图1-3所示为世界上最畅销的插电混动汽车——雪佛兰Volt，采用的锂离子电池容量为18.4千瓦时，按美国环保署的测试，可以通过纯电行驶85公里，足以满足日常通勤。根据美国交通部的研究，因为Volt没有里程焦虑，车主行驶的总里程远高于一般的纯电动汽车，所以实际上使用的纯电里程也就更高。

4．燃料电池汽车

与混合动力汽车类似，燃料电池汽车的技术原理也是将化学能转化为电能后，再通过电动机驱动汽车。但与混合动力汽车不同的是，燃料电池汽车完全去除了内燃机的结构。根据燃料电池技术的不同，其可利用的燃料可以是氢气、甲烷、乙醇、天然气等。但目前最主要的燃料电池技术还是采用氢气。氢跟电一样，相当于一种能量储存媒介，很多其他形式的能量都可以转化为氢气中的化学能，比如天然气制氢、太阳能解水制氢、风能解水制氢、电解水制氢，氢气还是某些工业过程中产生的废料。

与电力相比，氢气的劣势是传输比较困难（氢气虽然重量轻，但占据体积太大，而电力可以用电线运输），优势是易于保存（电力保存需要的超级电容成本很高，而如果采用类似于水电站的将水升高存储为势能的方法，损耗又比较大）。

作为汽车的动力源使用，与电能相比，氢燃料电池的优势是以重量计算的能量密度和动力密度都比较高，能量再充满（Refueling）的时间比较短。以丰田Mirai为例，充满氢气只需要3～5分钟，充满后续航里程为480公里，也就是平均1分钟的能量再充满（Refueling）可以满足120公里的续航，这个速度与燃油汽车大体相仿，差不多是电动汽车中充电速度最快的10倍（特斯拉超级充电站充电10分钟可以行驶120公里）。

如图1-4所示为世界上第一款量产的氢燃料电池汽车——丰田Mirai（即“未来”的日语发音），装备了115千瓦的电机和1.6千瓦时的镍氢电池。与混动汽车一样，氢燃料电池的蓄电池不负责储能，只是对燃料电池的动力输出起到削峰填谷的作用。此外，在使用的方便程度上，它与燃油汽车已经十分接近。只需要3～5分钟，就能给这辆车加满高压氢气，之后就可以续航502公里。

相对来说，燃料电池汽车技术发展的时间较短。2014年12月，第一款量产的燃料电池汽车——丰田FCV在日本开始销售。在推广方面，氢燃料电池也面临更大的挑战。目前，无论是氢气的制备、燃料电池的制造，还是加氢站的建设，都存在成本昂贵的问题。丰田Mirai在美国的零售价高达5.75万美元，是电动汽车的两倍以上，已经超过像奔驰E级这样豪华轿车的售价。而加氢站的建设需要从零开始，与电动汽车充电可以利用现成的电力网络相比，难度要大很多。虽然特斯拉超级充电站这样的快速充电站投资也不小，但也有较低等级的充电设施，一般的公共充电桩并不贵，而且普通家用电源也可以给汽车充电，根本不需要额外建设就已经成网。而从零建设加氢站要达到满足用户使用需要的密度，则需要大得多的投资。

此外，在能耗方面，氢气制备的效率依然不如电动汽车，因此燃料电池在能量转换的过程中造成额外的损耗，使得氢燃料电池汽车与纯电动汽车相比处于劣势。氢燃料电池的工作效率不会超过70%，再乘以电机效率，最多在60%左右，远低于纯电动汽车（只有电机）的90%。此外，虽然工业废料制氢并没有什么额外成本，但如果生产规模大，采用普遍的氢气制备方式的效率并不比发电高。

因此，尽管氢燃料电池汽车在使用习惯上远比电池驱动的电动汽车更为方便，但未来要取得成功，面对的挑战并不比电动汽车少。