純電動汽車將沖擊汽車市場

一百年前的未來就是現(xiàn)在。太多的人認為電動汽車是全新且獨特的概念，是從混合動力汽車自然發(fā)展而來的。其實許多人沒有注意到，像Baker Electric（圖1）那樣的汽車在20世紀初期就非常流行，這種汽車的最高速度約為22mph（英里每小時）。
　　
圖1：Baker Electric是一個世紀前就已經(jīng)實用的許多成功的電動汽車之一。

在內(nèi)燃機和經(jīng)濟的汽油發(fā)動機排擠電動汽車之前，甚至還有早期的混合動力汽車。而且早期的電動汽車、電池和充電器都非常先進。電動汽車的行駛速度記錄曾經(jīng)被Walter Baker公司的Torpedo汽車所保持，1902年其速度達到了75mph。Torpedo也是首輛配備座位安全帶的汽車。

愛迪生發(fā)明的鎳鐵（NiFe）電池在能源密度和成本方面具有與鋰離子（Li-ion）電池相似的特性，不過目前鎳的價格有點高。這些電池可以持續(xù)使用數(shù)十年，而且許多汽車都在使用。

時間很快到了2010年，幾乎每家大型汽車制造商都有無數(shù)的燃油汽車、少量的混合動力汽車以及生產(chǎn)電動汽車的承諾。像ZAP（Zero Air Pollution）和Tesla這樣的新創(chuàng)企業(yè)，迫使這些汽車制造商迅速行動起來。

當然，電動汽車還有許多其它優(yōu)勢，比如更低的重心，因為電池經(jīng)常存儲在汽車底板下面。目前電動汽車面臨的挑戰(zhàn)之一是充電站的普及。在早些時候，像紐約市等地方充電站的普及程度幾乎達到了極限。

　　競爭者

ZAP公司多年來已經(jīng)生產(chǎn)出很多電動汽車。其Zaptruck XL（圖2）和與之匹配的Zapvan Shuttle就已經(jīng)有大量效仿者，雖然它們的巡航距離只有有限的25英里。Zaptruck XL有兩種配置。

鉛酸電池版本的巡航距離是25英里，最高速度為25mph，雖然它的額定和許可速度可達40mph。這個版本使用直流電機。改用鋰離子電池可以使巡航距離加倍——電池價格也加倍。這個平臺還可以切換到動力更強勁的交流電機。該版本支持反饋制動，可進一步擴大巡航距離。

為何有兩種配置？這些汽車傾向于用作大型車隊（如運貨卡車）的一部分。一天的整個來回距離一般不到25英里，因此低成本解決方案通常已經(jīng)足夠。同樣，兩種配置的電動汽車都適合許多走走停停的旅游模式，但對燃油汽車來說這種模式是最糟糕的。充電時間只需1小時，必要時甚至可以更換電池。

說服車隊主人轉(zhuǎn)用電動汽車通常比說服消費者要容易得多，因為車隊要求通常比較明確，并且很容易定期跟蹤。只需看看要求、汽車性能和相關(guān)成本就能發(fā)現(xiàn)電動汽車是否比其它汽車更加經(jīng)濟。

從另一方面來看，消費者的使用情況變化多端——因此人們最初認為巡航距離更遠的燃油汽車永遠是最好的選擇。大多數(shù)消費者日常使用要求的平均距離約為33英里，遠小于大多數(shù)電動汽車的極限距離。問題是大多數(shù)消費者沒有認識到這個情況，或者不想對付長途跋涉。

那些想要追求漂亮但低價的電動解決方案的消費者看到ZAP Alias（圖3）應(yīng)該就知足了。這種三座三輪汽車非常平穩(wěn)。ZAP Alias可以在7.8秒內(nèi)加速到60mph，最大速度在100mph以上。另外，它的最小巡航距離為100英里。ZAP Alias的售價為35，000美元，與市場上其它電動汽車相當。該汽車可以從110V插座上充電。
　
圖3：三輪Zap Alias通過一對電機驅(qū)動兩個前輪。

鋰離子電池組（圖4）位于乘客廂下面。216V交流感應(yīng)驅(qū)動電機位于前輪中。這種框架包含一個滾動箍。另外，這種汽車采用雙叉臂懸掛系統(tǒng)和Lambo型車門。控制電路非常先進，但Alias的工作原理與大多數(shù)電動汽車一樣非常簡單。盡管如此，電池管理和充電仍然是系統(tǒng)的一個重要部分。
　　
圖4：與大多數(shù)電動汽車一樣，Zap Alias將電池放在乘用廂下方，提供更低的重心。

Aptera Motors公司的Aptera2是這類汽車中另一種三輪電動汽車，巡航距離為100英里。混合動力版本具有50英里的電動距離和350英里的燃油距離。該汽車的空氣動力學設(shè)計采用了受一級方程式啟發(fā)的乘客安全單元、隱形風擋雨刮器和低滾動阻力的輪胎。Aptera2還使用泡沫核心的盒狀三明治復合結(jié)構(gòu)，有一個45英寸的前置撞擊力吸收區(qū)。2系列將使用磷酸鐵鋰電池。

Tesla Motors公司的Roadster Sport（圖5）則位于成本分類的另一端。它的起價是128，500美元，可以在3.7秒內(nèi)將速度提升到60mph。這是一種全新設(shè)計的高性能跑車。該汽車采用定制調(diào)整的懸掛系統(tǒng)，并配備有司機可調(diào)減震器和防側(cè)傾穩(wěn)定桿。Roadster Sport也采用合金輪轂。
　　
圖5：Tesla Motors Sport（a）有著完全匹配快速、運動型汽車動力曲線的漂亮內(nèi)飾（b）和外觀。

Tesla花了大量人力物力來開發(fā)電機和電池系統(tǒng)。人工纏繞定子采用高密度繞組以便降低電阻，而且具有更高的峰值扭矩，可提供與如此昂貴的汽車相匹配的那種性能。

Sport汽車中的375V、三相、四極交流感應(yīng)電機采用空氣冷卻方式，峰值功率達288馬力。Sport的重量不到70磅，最高轉(zhuǎn)速可達14，000rpm。最新車型中的功率電子模塊（PEM）將更小。

6位數(shù)的價格也帶來了時髦的內(nèi)飾和外觀，外殼采用樹脂粘合且用鉚釘釘牢的擠壓式鋁型無大梁結(jié)構(gòu)。四輪獨立懸掛采用上下不等長叉臂，并帶同軸線圈彈簧伸縮式減震器。

Sport的巡航距離為236英里。電池組的設(shè)計壽命為7年或10萬英里。這種水冷式微處理器管理的電池組有6831節(jié)電池單元，使用240V、70A電源充電的時間為3.5小時。

由于價格高昂，Tesla Motors公司并不奢望大量銷售Roadsters，但公司希望是可贏利的。Tesla的Roadsters也一直在供貨。價格更合理的Model S汽車（圖6）計劃在2012年交貨，這種汽車使用9英寸的水冷電機。
　　
圖6：Tesla Motors Model S轎車缺少Roadster的優(yōu)美曲線，但可以承載5個乘客。它的價格也在5萬美元以下。

Tesla Model S的巡航里程將達300英里，基本型號是160英里。Model S加速到60mph需要5.6秒，但座位數(shù)增加到了7個（5個成人座和兩個后向兒童座），而Roadster只有兩個座位。該汽車的最高速度為120mph，還提供許多有趣的性能，如帶3G互聯(lián)網(wǎng)連接的17英寸信息娛樂觸摸屏。

Model S的售價只有49，900美元，用440V電壓只需45分鐘的快速充電時間。用240V充電需要花4個小時。汽車充電器可以使用110V、220V和440V多種電源。有8000節(jié)電池的電池組可以在5分鐘內(nèi)完成更換，因此司機可以購買一個160英里的電池組，并在需要時租用一個300英里的電池組。

　　汽車公司插電式汽車和充電

插電式混合動力汽車在近期將發(fā)揮較大的影響，因為市場上混合動力汽車的數(shù)量越來越多。將這些混合動力汽車升級成插電式汽車不是看起來那么簡單。例如，本田的Civic混合動力汽車就無法在純電動模式下工作。

豐田的Prius（圖7）是最流行的混合動力汽車之一。它的混合協(xié)同駕駛（HSD）技術(shù)可以在高速公路上達到51mpg，并且可以工作在純電動模式。Prius使用金屬氫化鎳（NiMH）電池驅(qū)動一個80hp的永磁交流同步電機，該電機可以與98hp燃油發(fā)動機一起工作。

Chevy Volt（圖8）是通用汽車公司針對電動汽車挑戰(zhàn)提出的解決方案。通用汽車對Volt的解釋是E-REV（擴展距離電動汽車）。這是一種插電式混合動力汽車，全電動行駛距離為40英里。在使用240V電源時的充電時間為4小時。Volt還有一個四缸燃油發(fā)動機，當電池耗盡時會投入運行。Volt將在2011年上市。
　　
圖8：Chevy Volt（a）將汽油發(fā)動機放在靠近電池和控制系統(tǒng)的汽車前部（b）。諸如Verizon Droid等智能手機上的OnStar Mobile應(yīng)用程序可向司機提供充電狀態(tài)信息和控制功能。

全電動汽車

Volt可以被認為是一種全電動汽車，但是當你完全取消燃油電機時會得到什么呢？一輛像售價25，280美元、五座尼桑Leaf那樣的汽車（圖9）。這種前輪驅(qū)動的Leaf有時被稱為領(lǐng)先（L）、環(huán)境友好（E）、可負擔（A）的家庭（F）汽車，可以使用同步交流電機達到90mph的速度。Leaf可以從田納西州制造的90kW層壓式鋰離子電池中提取高達80kW的功率。系統(tǒng)中 共有48個單元，每個單元有4節(jié)電池。電池單元位于乘用廂座位下方，因此具有較低的重心。
　　
圖9：尼桑的Leaf（a）將充電器（b）放在汽車前部。電池（c）展開放置在底盤上。

Leaf將充電器和充電組件放在汽車前鼻中。車載電腦可以通過3G連接與許多智能手機通信，并提供充電信息和控制功能。它還可以根據(jù)最具成本效益的時間進行充電。完全充滿電需要花7個小時，費用不到3美元。30分鐘的快速充電可以提供至少80%的電量。Leaf的巡航距離超過100英里。

福特有許多電動汽車項目，例如準備在2011年晚些時候推出的福特Transit Connect（圖10）商用車隊貨車和福特Focus BEV（電池電動汽車）。雖然這些汽車基于的是燃油平臺，但它們是全電動解決方案。

以車隊應(yīng)用為目標的Transit Connect具有60英里的巡航距離。擴展距離版本可遠達100英里。Transit Connect采用嵌入在儀表板內(nèi)的電腦，可以與諸如基于射頻標簽（RFID）的庫存系統(tǒng)Tool Link等技術(shù)一起工作。Ford Focus針對的是消費市場。

　　電動汽車的優(yōu)勢

與燃油汽車相比電動汽車的主要缺點是巡航距離。成本也是個問題，雖然受基礎(chǔ)設(shè)施以及批量的影響要比技術(shù)大。

除了上述缺點外電動汽車擁有的就是大量優(yōu)點。有許多優(yōu)點很明顯，比如高扭矩電機以及可以將各個電機放在輪子里或靠近車輪放置。主動穩(wěn)定度控制也變得更加容易和更加有效，因為單個電機更容易控制，包括提供動力或剎車的能力。

全電動汽車不僅沒有混合動力的復雜性，還取消了皮帶、燃油更換甚至動力傳送機制。最復雜的布線在電池子系統(tǒng)里面。汽車其余部分走線變得極其簡單。事實上，電機控制連接幾乎可以忽略。電動車窗要求較多的走線。

包括充電器在內(nèi)的電池子系統(tǒng)是幾乎每個平臺中最具創(chuàng)新的部分。在大多數(shù)情況下，幾乎每個電池都接受電源和溫度方面的監(jiān)視。車載電腦在完全打開充電器之前會先進行檢查，因為熱電池不能很好地充電，而且會產(chǎn)生更多的熱量。

在低速狀態(tài)基本沒有任何噪音是一件有趣但很容易解決的問題。沒有發(fā)動機噪音意味著行人聽不到駛近的汽車。一個揚聲器和一個微型麥克風是解決這個問題的全部所需，但目前基本上沒有汽車配備有自動噪音生成器。

還有一些像不再依賴發(fā)動機的制熱和空調(diào)等特性優(yōu)勢。誠然，燃油發(fā)動機可以在冬天提供熱量，而且一般有剩余動力驅(qū)動空調(diào)。反過來說，獨立于發(fā)動機的制熱和空調(diào)允許硬件擺放在汽車的不同部位，可以在沒有用的空間里，例如座位下方。這也給分布式系統(tǒng)帶來了可能。

　　電動汽車的未來

如果電動汽車從過去看只是過往的一陣風，那么來自通用汽車公司的新概念汽車就是未來的一個快照，這要歸功于像在Segway Human Transporter中采用的最新技術(shù)。盡管如此，電動汽車最終一定會流行起來。它們有一定局限，但可以提供許多新的設(shè)計理念，因為電機和電池位置要比汽油發(fā)動機和動力傳動系統(tǒng)更加靈活。