纯电动汽车将冲击汽车市场

一百年前的未来就是现在。太多的人认为电动汽车是全新且独特的概念，是从混合动力汽车自然发展而来的。其实许多人没有注意到，像Baker Electric（图1）那样的汽车在20世纪初期就非常流行，这种汽车的最高速度约为22mph（英里每小时）。
　　
图1：Baker Electric是一个世纪前就已经实用的许多成功的电动汽车之一。

在内燃机和经济的汽油发动机排挤电动汽车之前，甚至还有早期的混合动力汽车。而且早期的电动汽车、电池和充电器都非常先进。电动汽车的行驶速度记录曾经被Walter Baker公司的Torpedo汽车所保持，1902年其速度达到了75mph。Torpedo也是首辆配备座位安全带的汽车。

爱迪生发明的镍铁（NiFe）电池在能源密度和成本方面具有与锂离子（Li-ion）电池相似的特性，不过目前镍的价格有点高。这些电池可以持续使用数十年，而且许多汽车都在使用。

时间很快到了2010年，几乎每家大型汽车制造商都有无数的燃油汽车、少量的混合动力汽车以及生产电动汽车的承诺。像ZAP（Zero Air Pollution）和Tesla这样的新创企业，迫使这些汽车制造商迅速行动起来。

当然，电动汽车还有许多其它优势，比如更低的重心，因为电池经常存储在汽车底板下面。目前电动汽车面临的挑战之一是充电站的普及。在早些时候，像纽约市等地方充电站的普及程度几乎达到了极限。

　　竞争者

ZAP公司多年来已经生产出很多电动汽车。其Zaptruck XL（图2）和与之匹配的Zapvan Shuttle就已经有大量效仿者，虽然它们的巡航距离只有有限的25英里。Zaptruck XL有两种配置。

铅酸电池版本的巡航距离是25英里，最高速度为25mph，虽然它的额定和许可速度可达40mph。这个版本使用直流电机。改用锂离子电池可以使巡航距离加倍——电池价格也加倍。这个平台还可以切换到动力更强劲的交流电机。该版本支持反馈制动，可进一步扩大巡航距离。

为何有两种配置？这些汽车倾向于用作大型车队（如运货卡车）的一部分。一天的整个来回距离一般不到25英里，因此低成本解决方案通常已经足够。同样，两种配置的电动汽车都适合许多走走停停的旅游模式，但对燃油汽车来说这种模式是最糟糕的。充电时间只需1小时，必要时甚至可以更换电池。

说服车队主人转用电动汽车通常比说服消费者要容易得多，因为车队要求通常比较明确，并且很容易定期跟踪。只需看看要求、汽车性能和相关成本就能发现电动汽车是否比其它汽车更加经济。

从另一方面来看，消费者的使用情况变化多端——因此人们最初认为巡航距离更远的燃油汽车永远是最好的选择。大多数消费者日常使用要求的平均距离约为33英里，远小于大多数电动汽车的极限距离。问题是大多数消费者没有认识到这个情况，或者不想对付长途跋涉。

那些想要追求漂亮但低价的电动解决方案的消费者看到ZAP Alias（图3）应该就知足了。这种三座三轮汽车非常平稳。ZAP Alias可以在7.8秒内加速到60mph，最大速度在100mph以上。另外，它的最小巡航距离为100英里。ZAP Alias的售价为35，000美元，与市场上其它电动汽车相当。该汽车可以从110V插座上充电。
　
图3：三轮Zap Alias通过一对电机驱动两个前轮。

锂离子电池组（图4）位于乘客厢下面。216V交流感应驱动电机位于前轮中。这种框架包含一个滚动箍。另外，这种汽车采用双叉臂悬挂系统和Lambo型车门。控制电路非常先进，但Alias的工作原理与大多数电动汽车一样非常简单。尽管如此，电池管理和充电仍然是系统的一个重要部分。
　　
图4：与大多数电动汽车一样，Zap Alias将电池放在乘用厢下方，提供更低的重心。

Aptera Motors公司的Aptera2是这类汽车中另一种三轮电动汽车，巡航距离为100英里。混合动力版本具有50英里的电动距离和350英里的燃油距离。该汽车的空气动力学设计采用了受一级方程式启发的乘客安全单元、隐形风挡雨刮器和低滚动阻力的轮胎。Aptera2还使用泡沫核心的盒状三明治复合结构，有一个45英寸的前置撞击力吸收区。2系列将使用磷酸铁锂电池。

Tesla Motors公司的Roadster Sport（图5）则位于成本分类的另一端。它的起价是128，500美元，可以在3.7秒内将速度提升到60mph。这是一种全新设计的高性能跑车。该汽车采用定制调整的悬挂系统，并配备有司机可调减震器和防侧倾稳定杆。Roadster Sport也采用合金轮毂。
　　
图5：Tesla Motors Sport（a）有着完全匹配快速、运动型汽车动力曲线的漂亮内饰（b）和外观。

Tesla花了大量人力物力来开发电机和电池系统。人工缠绕定子采用高密度绕组以便降低电阻，而且具有更高的峰值扭矩，可提供与如此昂贵的汽车相匹配的那种性能。

Sport汽车中的375V、三相、四极交流感应电机采用空气冷却方式，峰值功率达288马力。Sport的重量不到70磅，最高转速可达14，000rpm。最新车型中的功率电子模块（PEM）将更小。

6位数的价格也带来了时髦的内饰和外观，外壳采用树脂粘合且用铆钉钉牢的挤压式铝型无大梁结构。四轮独立悬挂采用上下不等长叉臂，并带同轴线圈弹簧伸缩式减震器。

Sport的巡航距离为236英里。电池组的设计寿命为7年或10万英里。这种水冷式微处理器管理的电池组有6831节电池单元，使用240V、70A电源充电的时间为3.5小时。

由于价格高昂，Tesla Motors公司并不奢望大量销售Roadsters，但公司希望是可赢利的。Tesla的Roadsters也一直在供货。价格更合理的Model S汽车（图6）计划在2012年交货，这种汽车使用9英寸的水冷电机。
　　
图6：Tesla Motors Model S轿车缺少Roadster的优美曲线，但可以承载5个乘客。它的价格也在5万美元以下。

Tesla Model S的巡航里程将达300英里，基本型号是160英里。Model S加速到60mph需要5.6秒，但座位数增加到了7个（5个成人座和两个后向儿童座），而Roadster只有两个座位。该汽车的最高速度为120mph，还提供许多有趣的性能，如带3G互联网连接的17英寸信息娱乐触摸屏。

Model S的售价只有49，900美元，用440V电压只需45分钟的快速充电时间。用240V充电需要花4个小时。汽车充电器可以使用110V、220V和440V多种电源。有8000节电池的电池组可以在5分钟内完成更换，因此司机可以购买一个160英里的电池组，并在需要时租用一个300英里的电池组。

　　汽车公司插电式汽车和充电

插电式混合动力汽车在近期将发挥较大的影响，因为市场上混合动力汽车的数量越来越多。将这些混合动力汽车升级成插电式汽车不是看起来那么简单。例如，本田的Civic混合动力汽车就无法在纯电动模式下工作。

丰田的Prius（图7）是最流行的混合动力汽车之一。它的混合协同驾驶（HSD）技术可以在高速公路上达到51mpg，并且可以工作在纯电动模式。Prius使用金属氢化镍（NiMH）电池驱动一个80hp的永磁交流同步电机，该电机可以与98hp燃油发动机一起工作。

Chevy Volt（图8）是通用汽车公司针对电动汽车挑战提出的解决方案。通用汽车对Volt的解释是E-REV（扩展距离电动汽车）。这是一种插电式混合动力汽车，全电动行驶距离为40英里。在使用240V电源时的充电时间为4小时。Volt还有一个四缸燃油发动机，当电池耗尽时会投入运行。Volt将在2011年上市。
　　
图8：Chevy Volt（a）将汽油发动机放在靠近电池和控制系统的汽车前部（b）。诸如Verizon Droid等智能手机上的OnStar Mobile应用程序可向司机提供充电状态信息和控制功能。

全电动汽车

Volt可以被认为是一种全电动汽车，但是当你完全取消燃油电机时会得到什么呢？一辆像售价25，280美元、五座尼桑Leaf那样的汽车（图9）。这种前轮驱动的Leaf有时被称为领先（L）、环境友好（E）、可负担（A）的家庭（F）汽车，可以使用同步交流电机达到90mph的速度。Leaf可以从田纳西州制造的90kW层压式锂离子电池中提取高达80kW的功率。系统中 共有48个单元，每个单元有4节电池。电池单元位于乘用厢座位下方，因此具有较低的重心。
　　
图9：尼桑的Leaf（a）将充电器（b）放在汽车前部。电池（c）展开放置在底盘上。

Leaf将充电器和充电组件放在汽车前鼻中。车载电脑可以通过3G连接与许多智能手机通信，并提供充电信息和控制功能。它还可以根据最具成本效益的时间进行充电。完全充满电需要花7个小时，费用不到3美元。30分钟的快速充电可以提供至少80%的电量。Leaf的巡航距离超过100英里。

福特有许多电动汽车项目，例如准备在2011年晚些时候推出的福特Transit Connect（图10）商用车队货车和福特Focus BEV（电池电动汽车）。虽然这些汽车基于的是燃油平台，但它们是全电动解决方案。

以车队应用为目标的Transit Connect具有60英里的巡航距离。扩展距离版本可远达100英里。Transit Connect采用嵌入在仪表板内的电脑，可以与诸如基于射频标签（RFID）的库存系统Tool Link等技术一起工作。Ford Focus针对的是消费市场。

　　电动汽车的优势

与燃油汽车相比电动汽车的主要缺点是巡航距离。成本也是个问题，虽然受基础设施以及批量的影响要比技术大。

除了上述缺点外电动汽车拥有的就是大量优点。有许多优点很明显，比如高扭矩电机以及可以将各个电机放在轮子里或靠近车轮放置。主动稳定度控制也变得更加容易和更加有效，因为单个电机更容易控制，包括提供动力或刹车的能力。

全电动汽车不仅没有混合动力的复杂性，还取消了皮带、燃油更换甚至动力传送机制。最复杂的布线在电池子系统里面。汽车其余部分走线变得极其简单。事实上，电机控制连接几乎可以忽略。电动车窗要求较多的走线。

包括充电器在内的电池子系统是几乎每个平台中最具创新的部分。在大多数情况下，几乎每个电池都接受电源和温度方面的监视。车载电脑在完全打开充电器之前会先进行检查，因为热电池不能很好地充电，而且会产生更多的热量。

在低速状态基本没有任何噪音是一件有趣但很容易解决的问题。没有发动机噪音意味着行人听不到驶近的汽车。一个扬声器和一个微型麦克风是解决这个问题的全部所需，但目前基本上没有汽车配备有自动噪音生成器。

还有一些像不再依赖发动机的制热和空调等特性优势。诚然，燃油发动机可以在冬天提供热量，而且一般有剩余动力驱动空调。反过来说，独立于发动机的制热和空调允许硬件摆放在汽车的不同部位，可以在没有用的空间里，例如座位下方。这也给分布式系统带来了可能。

　　电动汽车的未来

如果电动汽车从过去看只是过往的一阵风，那么来自通用汽车公司的新概念汽车就是未来的一个快照，这要归功于像在Segway Human Transporter中采用的最新技术。尽管如此，电动汽车最终一定会流行起来。它们有一定局限，但可以提供许多新的设计理念，因为电机和电池位置要比汽油发动机和动力传动系统更加灵活。