未来汽车三部曲之三:电动汽车

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我们在《未来汽车三部曲》的上两篇文章里介绍了自动驾驶汽车和联网汽车,当然谈到未来的汽车,当然少不了电动汽车.我们首先需要说明,这里所说的电动汽车,既不包括在公园里常见的电动观光车,也不包括在北京奥运会和上海世博会上已经常见的电动公共汽车,而是指纯用电力驱动的小轿车.我们之所以强调“纯电力”,是因为一般意义上的电动汽车有三大类型,即纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车.混合动力汽车是指那些通常采用传统燃料、同时配以电动机和发动机来改善低速动力输出和降低燃油消耗的汽车.燃料电池汽车是以燃料电池作为动力电源的汽车,燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物,燃料电池的能量转换效率比传统的内燃机要高2～3倍,因此有利于能源的利用和环境保护.虽然后两种电动汽车也有一定发展前景,但人们最关注的还是纯电动汽车.

近代电动汽车之滥觞、发展和衰落

其实,电动汽车虽说是未来汽车的重要发展方向,但它不同于我们在前两篇文章中介绍的自动驾驶汽车和联网汽车,它的问世时间却要追溯到100多年前,其历史甚至比现在最常见的内燃机驱动的汽车还要早.直流电机之父、匈牙利发明家、工程师阿纽什·耶德利克最早于1828年在实验室试验了电磁转动的行动装置.美国人托马斯·达文波特则于1834年制造出第一辆直流电机驱动的电动三轮车,它由一组不可充电的干电池驱动,只能行驶一小段距离,托马斯因此于1837年获得美国电机行业的第一个专利.在1832年至1838年之间,苏格兰人罗伯特·安德森发明了电驱动的“马车”,但这是一辆使用不能充电的初级电池驱动的车辆.

在19世纪的下半叶随着蓄电池技术的发展,电动汽车在欧美得到了较为广泛的运用.1859年法国伟大的物理学家、发明家噶斯顿·普朗特发明了可充电的铅酸电池.第一辆以可充电池为动力的电动车于1881年在法国巴黎出现,它是普朗特装配的以铅酸电池为动力的三轮车.

19世纪末期到20世纪初期是电动汽车发展的第一个高峰.在早期的汽车消费市场上,电动汽车比内燃机驱动车辆有着更多优势：无气味、无震荡、无噪音、不用换挡和价格低廉,这形成了以蒸汽、电动和内燃机三分天下的汽车市场.1899年4月29日,比利时人詹纳兹驾驶着一辆名为“LaJamaisContente”的炮弹外形电动汽车,以105.88千米/小时的速度刷新了由汽油动力发动机保持的世界汽车最高车速的记录,这是汽车速度第一次突破100千米/小时大关.发明了电灯、留声机的美国著名的科学家爱迪生也是电动汽车的坚定支持者,1911年《纽约时报》曾经这样评论电动汽车：“它经济,不排放废气,是理想的交通工具.”

不过,电动汽车的黄金时代并没有持续太久,20世纪20年代后,内燃机技术达到了一个新水平,装备内燃机的汽车速度更快,加一次油可持续巡航里程是电动汽车的3倍左右,且使用成本低.相比之下,电动汽车的发展进入到了瓶颈时期,在降低制造成本和改善使用便利性方面没有明显的进步等在这种背景下,电动汽车很快失去了存在的意义,在1940年左右,电动汽车基本上就从欧美汽车市场中消失了.

现代电动汽车的再崛起

1973年爆发的中东石油危机令全世界陷入石油短缺的境地中,人们又开始关注其他动力的汽车,电动汽车再一次进入到了人们的视线中.20世纪80年代至90年代,日本和美国的汽车厂家生产了一系列电动汽车,比如克莱斯勒公司和丰田公司推出的电动汽车,名气最大的是1996年美国通用汽车公司投产的EV1电动轿车.

EV1电动轿车用今人眼光看来,也许是很怪的一辆车,但在当时绝对是代表了汽车世界的新生力量,有位汽车研究家在2008年驾驶了一辆车龄14年的老EV1电动轿车,认为它加速平稳,驾驶舒适,有一种坐在《2001年太空漫游》电影里的宇宙飞船上的感觉.这辆概念超前,性能卓越,世界上第一辆真正意义的现代化电动汽车让很多人看到了电动汽车技术能够比肩甚至超越汽油车技术平台的可能性.当然在行家看来,超越已经是必然的,因为EV1首席设计师是美国人阿兰·科考尼.

有人认为,阿兰·科考尼的地位不仅在中国,连现代电动汽车发源地的美国都是被忽视的.他对电动汽车的贡献和地位可与美国籍犹太人数学家、现代电子计算机创始人之一的冯·诺伊曼相比肩,他的贡献甚至比后者更高.

可以说,是阿兰·科考尼奠定了现代电动汽车的架构.电动汽车核心部件分为电动机组、电池、车充系统三大部分.车充系统接受电池的电力然后以正确的额定功率驱动电动机.电动机组的关键是控制器,电池的关键是电压电流和热量控制,车充的关键是电压和功率转换.阿兰·科考尼不仅发表了有关这三大核心部分的专利、论文和基础理论,还在美国通用公司用4年时间搞出了可量产的样机,还造出了100千瓦、能达到140千米续航里程的电动汽车,并且还生产了2000多辆!更重要的是,现在全世界所有电动汽车的核心技术几乎全部跟阿兰·科考尼发明的技术是一代或者二代的继承关系.

特斯拉电动汽车的横空出世

最近几年,似乎一夜之间,美国电动汽车生产商特斯拉公司,像著名的苹果公司一样,成为外界热炒的焦点.而该电动汽车公司的创始人之一艾伦·穆思科,也被外界誉为汽车界的“乔布斯”.

特斯拉汽车公司成立于2003年,公司名字来源于电磁物理之父——尼古拉·特斯拉.众所周知,尼古拉·特斯拉是世界知名的发明家、物理学家、机械工程师和电机工程师,他发明了交流电并制造出世界上第一台交流发电机,同时创立了多相电力传输技术.特斯拉汽车公司专门生产纯电动汽车,并先后在美国市场推出了双门超级跑车Roadster和四门豪华电动跑车ModelS.根据其产品规划,未来还将推出新的车型,以满足不同的细分市场需求.

其实,特斯拉公司的原始创始人是美国硅谷工程师马克和马丁,这两个人都是既有梦想又懂工程的大师.经过半年的讨论和思考,他们得出以下几个结论：第一,现今的汽车行业30年之内必不持久,石油供应赶不上汽车市场的增长；第二,汽车行业几个新的技术方向,只有电动汽车在近20年明确地可以超越传统汽车技术并且可持续；第三,电动汽车的各个关键技术基本都成熟,临门一脚开发产品完全可行.于是他们调研、设计,并且指定了企业的产品方向.此时,艾伦·穆思科适时地带着启动资金加入了特斯拉公司.当时艾伦·穆思科卖掉了他创立的大名鼎鼎的贝宝（相当于今天中国的“支付宝”）,正在攻克新宇航火箭的难关.这三个梦想家碰到一起,共同的工程背景,共同的行业和科技发展洞察力让大家一拍即合.

特斯拉公司的成功的缘由

首先,产品开发的当前开发策略和愿景明确.他们的思路很清晰,任何一种新技术进入应用领域要经历三个阶段：第一阶段高端市场,高售价高成本；第二阶段中端市场,中等价格和中等成本；第三阶段大众市场,低成本低价格.他们现阶段只能进军高端市场.所以,他们首先开发推出的豪华级跑车,售价不菲,但仍然为中产以上人士所热捧,因为同时满足了这一人群中普遍存在的环保情结.

其次是产品的设计.现有电动车技术应该做什么样的高端产品?很明显,豪华车房车做不了,电池技术续航能力不够,输出马力到不到宾利的30%,明显是不行的.但是电动汽车的最大优点是结构简单,扭矩和加速快,这一点连法拉利都远远赶不上.因此,做一款超轻的高性能跑车是最合理的.

最后是技术的开发.特斯拉公司做了哪些非常给力的技术创新呢?我们只能简单地说说,因为有些太专业的技术,很难通俗解释.

第一,汽车动力传动系统控制方面,更精确更快速,并且整个系统可靠性非常高.特斯拉公司作为最早进入电动车高功率电机控制系统的研发厂商,他们在电路设计,控制算法和固件开发上领先所有对手至少5年.

第二,也是最关键的,是电池系统的创新.众所周知,锂电池的出现,打败了EV1的年代所使用的老式铅酸电池,具有让电动车前进一大步,彻底打败所有其他的新能源车技术路线并且性能远超汽油车的潜力.然而,虽然锂系电池拥有比铅酸电池更高的能量和功率密度,不过其热特性和电特性都是很糟糕的.比如说电压,任何单芯锂电池外电压必须在2.7～3.3V之间,否则就会过热导致多米诺骨牌效应.另外一块大电池组内温度梯度要求也是非常严格的,如果一块30安·时的电池任何两点温差为2℃,离火灾就不远了.

如何“驯服”这难以控制的锂电池?特斯拉公司的员工作出了杰出的贡献.他们最终给出的解决方案是将近7000个2安·时左右的封装电池串并联在一起.在最新一代Roadster的电池组里面,69个小电池并联封装成一个电池砖,99个电池砖串联成一个电池片,11个电池片并联成一个电池系统,总共6831个电池.有人曾问马克他们,那些串并联的数字,69并联99串联11并联组成电池系统是怎么得来的啊?马克淡然回答：实验设计呗.搞工程的人对这个概念应该都很熟悉,那就是穷举所有可能的数字排列组合,然后选取其中一部分组合进行仿真和实测,比较输出的结果.这一比较,就整整花了一年时间!

第三,造车架构的简化.刚开始的时候,特斯拉公司团队的人对此并没有明确的方向,他们并不知道自己能够改变整个造车的理念和使用了上百年的汽车架构.不过基于对电动汽车架构和关键部件的分析,他们得出一个很重要的结论：电动车的关键部件,即电池组和动力传动系统以及所有的电缆都可以集成到一块相当于传统汽车底盘大小的部位上,跟传统汽车相比,大大节省了空间,而且以此为平台,底盘上面的一切都是设计者的想象空间.在第一批跑车——Roadster——里面,这一点体现还不明显,到了ModelS,就可以发现前盖打开后都可以放很多行李,车内容积比同样体积的汽油车大很多.

特斯拉公司就是这样一个公司,他们在创新最困难最昂贵的的汽车行业,通过世界一流的团队,理想化的领导人和良好的硅谷创业环境,非常幸运地生存、发展和壮大起来；他们带来的技术进步对汽车行业是革命性的；他们今天在产品设计、技术积累和商业模式构建都远远领先同业竞争对手.

当然,特斯拉公司面前还有许多困难要克服,比如目前它推出的跑车还太贵,其续行里程仍然不够长,以至于不能满足一般人的需要,但大家都相信并期待,它必然会给世人带来更多的惊喜.