汽车发展至今,在能源上经历了怎样的三生三世?

  • 弗雷刘
  • 发表于: 2017/05/15 08:50:00 来源:知乎

知识点:汉语“汽车”中的“汽”字,就是从蒸汽机来的。

汽车电气化其实主要分为四阶段:蒸汽机汽车-电动汽车阶段(1881-1885)、蒸汽机汽车-电动汽车-燃油汽车并行阶段(1885-1925)、燃油汽车独霸阶段(1925-1960)、电动汽车再次复兴-其它新能源技术涌现-影响燃油汽车阶段(1960-现在)  ,这篇文章就全面回顾一下汽车电气化的四段发展历程。

1)蒸汽机汽车-电动汽车阶段(1881-1885)

——在这一阶段,烧汽油柴油的内燃机汽车,还没诞生呢!

其实说来说去,汽车里的元老应该是用蒸汽机汽车,第一辆实用的原型车是Richard Trevithick在1800年左右发明的,还算是具有一定的实用性。该类汽车在后来曾经与电动汽车一起繁荣过,在下一部分会说。  

另外一句题外活,汉语“汽车”中的“汽”字,就是从蒸汽机来的哟~

Sylvester_Roper_steam_carriage_of_1870 

1870年的蒸汽机汽车 1870年的蒸汽机汽车   

其实还是电动汽车可能大家更感兴趣一些:

19世纪里,在电池-电学领域的几大重要发展标志性事件为:

  • 伏打在1800发明了铜锌电池(可以让青蛙腿发生反应)

  • 法拉第在1831发现了电磁感应现象

  • 1835年Francis Watkins在伦敦展出了一个小的马达。——到这里,电池,电机都有了。不过电池还不能充电。   

  • 第一辆能在路上跑的车是爱丁堡的R.Davidson杰作,发明于1873年,其使用的是一次的铁锌电池。注意啦,这样的电动汽车不能充电。

  • 重要事件!!!:Gaston Plante在1859年发明了铅酸电池,对,就是大家现在电动自行车,汽车里用的启动电瓶,最常见的那种。铅酸电池的出现可以说对人类文明的进步起到了至关重要的推动作用——它是二次电池,即可充可放电,因此人类使用能源,尤其是电能的方式有了质的突破。  

后来我们使用的各种充电电池技术,都或多或少的参考了铅酸电池这个储能电池里的“祖宗级技术”。

不仅如此,铅酸电池从诞生到现在,其结构与原理一直没有什么实质性变化,当然这是因为电化学学科的特殊性决定的。  

伴随着铅酸电池的使用,使用铅酸电池的可以充电的电动汽车就诞生了。 

1881年,法国的G. Trouve就用Plante发明的铅酸电池发明了第一辆可充电的电动汽车,这个车型是三轮车,用了两人个西门子的马达,车重是160kg,时速可以达到12km/h(嗯,速度挺慢的)。而在1882年,英国的William Ayrton发明了性能更优的铅酸电池驱动的电动汽车,大概是装了1.5度电的电池,可以有最大40km的续航里程。

而且,铅酸电池一直伴随着汽车的发展,使用到了现在,当然可能不一定是做为主要动力源——更多的是用在燃油汽车启停电源上,为什么用铅酸,锂电目前还用的少。而铅酸其实也一直在纯电动汽车领域里占有重要的位置,尤其是低速电动车领域,原因无它,便宜。

扯了一堆铅酸电池,回到汽车正题:注意了:这会儿比Carl Benz发明燃油汽车(1885)还早好多年呢。在接下来的几年里,比利时,美国等国都 开始开发电动汽车,但是性能也都差不多,时速20km/h左右,续航也远不了(几十公里),比现在的电动汽车性能要差的多。但是这些电动车有照明能力,而且逐渐车型也有了现代汽车的雏形,比如四座,各种其它功能等。而且电动汽车也开始在实际市场中有了应用,比如出租车(市内通勤,短距运输,频繁停/启,还有机会充电)。  

其实说来说去,这些特点与现代电动汽车的应用风格很像。    

2)蒸汽机汽车-电动汽车-燃油汽车并行阶段(1885-1925)   

——三足鼎立的时代  

蒸汽机汽车在1880-1920年间改进也很大,这与电动汽车的进步,燃油汽车的进步其本是同时的。因此这个阶段是三种汽车并行阶段。  

大家知道,燃油汽车是卡尔·本茨于1885年发明的,第一辆是以汽油内燃机为引擎三轮汽车。但是当时的燃油汽车技术简陋,燃油汽车性能很差——本茨的汽车总是抛锚,被别人冷嘲热讽为“散发着臭气的怪物”,直到后来他老婆开着车去了一百多公里外的探望亲戚,才逐渐让大家开始认可。

卡尔·本茨 发明的早期的燃油汽车  卡尔·本茨 发明的早期的燃油汽车  

一开始内燃机相关技术还很不成熟,燃油汽车的平顺性很差,噪声,排放,颠簸都是大问题。而电池驱动的电动汽车则要好的多——电动汽车先天平顺性好,噪声小(现在也是,开过你身边声音有点像幽灵,哈哈)。而电动汽车技术也在不断发展,随着技术的提升——比如1899年, Jenatzy让自己的电动车时速提升到了98km/h。在1900年,美国汽车市场上,电动汽车数目比燃油汽车、蒸汽机驱动的机车都要多。  

在接下来的时间里,虽然燃油汽车也在不断发展,但是电动汽车的底子好,技术舒适性好,因此电动汽车一直是市场的主流。1912年,美国电动汽车达到峰值30000辆。  

但是在这个过程中,燃油汽车技术也在不断进步,竞争也在不断继续。燃油汽车在这几年中发展出了自动启动器,消音器等设备,这些发明极大的提高了燃油汽车的舒适度。在接下来的几年中,燃油汽车技术进步很快,成本下降也快——1912年时,MODEL T(燃油)卖550刀,而电动汽车CENTURY ELECTRIC ROADSTER(嗯,现在的特斯拉的初款车也是这个名字)要卖1750刀。而且就在这个阶段,也已经有了油-电的混合车型(WOODS GASOLINE ELECTRIC,1916)。而在一次世界大战中,燃油汽车开始了大规模使用,而且在战场中表明了其性能的稳定性。   

当然了,一大关键原因仍然是燃油汽车因为化石燃料先天的高能量密度带来的续航上的竞争力,这也是现在电动汽车一直被诟病的核心原因。    

大家体会下铅酸VS汽油的差距大家体会下铅酸VS汽油的差距

而在此过程中,电动汽车并没有多少技术进展,成本还要高,因此市场规模不断萎缩。在1920年代,电动汽车生产厂商要么破产,要么开始转过头来做燃油汽车。电动汽车行业开始了凋零……蒸汽机汽车也是一样的惨淡,因此进入了下一个阶段——    

3)燃油汽车独霸阶段(1925-1960)   

——没啥太要解释的,蒸汽机汽车和电动汽车都几乎要淡出舞台了  

在这个阶段,就是燃油汽车大发展,全世界广泛应用,电动汽车,蒸汽机汽车也逐渐淡出了舞台。  但是也有几个有趣的例外:A)日本——战时油料管制,所以二战期间电动汽车用的比较多。B)在一些地区局部应用领域,电动汽车仍然用于一些近距运输用途。  

在这个阶段,燃油汽车技术不断发展完善,世界石油供应充足,大家还不关心环保,电池等新能源技术也没有明显进步;而蒸汽机汽车因为使用的是外燃机技术,效率先天残疾……打不过内燃机,自然汽车几乎完全是以燃油汽车为主了。  

比如二战中美帝的各种吉普车:

4)电动汽车再次复兴-其它新能源技术涌现-影响燃油汽车阶段(1960-现在)   

——多因素下,电气化、新能源化、甚至智能化等新趋势,影响汽车行业发展  

二战后,从60年代开始,电动汽车开始重新受到注意,汽车电气化逐渐重新受到重视。大型汽车公司很多都开展了对于电动汽车的研发(GM,FORD等),当然大都是基于燃油汽车改装成电动汽车的。  

实际上在60 年代,电动汽车的重受关注,一大原因就在于很多城市已经饱受汽车尾气造成的雾霾的困扰。 比如在1940年代,美国加州尤其是洛杉矶地区就受到了严重的雾霾影响; 1959年,加州公共健康部(Department of Public Health)出台首部州立空气质量标准。立法机关也同时成立了加州机动车污染管理委员会(California Motor Vehicle Pollution Control Board,简称CMVPCB) 。那个时候的汽车排量大(美式肌肉车),排放标准也只是开始逐渐开始严格起来。——一直到现在,加州也是新能源政策和实际举措方面最为激进的地方,不管怎样,对于志在发展新能源事业的中国来说还是很有参考价值的。  

从加州的跑题回来——1973年的第一次石油尾机让大家深切感受到了石油可能会不够烧的恐惧,因此低排量化、轻量化、电气化等方向开始影响汽车领域,而相关的材料、电力电子(各种半导体技术)、二次电池、燃料电池的发展也得到了更多的支持和重视。(并且一直到现在,这些行业也受到了很大的重视,被认为是能源领域的关键发展技术,有学子想深造可以考虑:))这些技术的发展不断积累,后来产生了很多成果,逐渐影响了汽车领域的发展格局。   

因为笔者是材料-能源背景,介绍几个自己比较熟悉的成果。  

1、燃料电池汽车-燃料电池的诞生可以追溯到1801年,但是第一辆燃料电池现代汽车是一量Allis-Chalmers农场拖拉机,其由15KW的燃料电池驱动。1966年GM则推出了第一辆上路的燃料电池汽车Chevrolet Electrovan,用的是质子交换膜燃料电池(PEMFC),续航里程有120英里。 

到了1970-1990年代,很多车企虽然对燃料电池技术有兴趣,也一直在开发相关技术。但是燃料电池汽车想用好,涉及到了很多技术,比如电解制氢、高压储氢、燃料电池贵金属用量控制等,因此一直实用化进展不大。而实际上即使到现在,燃料电池的这些技术虽然有了不少进展,技术壁垒仍然很大,需要攻克的东西很多,因此燃料电池汽车的推广还是受制于技术,并不容易。  回到时间发展线:经过不断的研究,进入21世纪后,储氢技术取得明显进步;燃料电池的技术也不断提升,贵金属用量方面有了下降。在这样的背景下,燃料电池汽车开始取得了商用化的进展。比如 本田的FCX Clarity 概念车( 2008),GM(GM HydroGen4),现代(Hyundai ix35 FCEV  ),戴姆勒( Mercedes-Benz F-Cell )也都推出了自己的燃料电池车。

TOYOTA MIRAI-即日文“未来 ” 可见日本人对于燃料电池汽车的期望  

当然在燃料电池车里必须要说到日本丰田的MIRAI(2014)以及本田的CLARITY(2016),两款车可以说性能有些接近。当然了燃料电池相关技术日本人做的几乎是顶尖水平,汽车工业实力雄厚,因此燃料电池汽车在日本先有突破也不值得奇怪。   

燃料电池的相关技术具有很高的技术含量以及很重要的综合意义,燃料电池技术对于未来的能源愿景将是非常重要的组成部分。当然了能有多大的份额占比还是要看技术进步的速度,这是笔者作为技术人员的一贯观点。    

2、电池技术—混动汽车/纯电动汽车 其实就是电气化,让油电灵活配合,甚至是完全把油取代只用电,而在此环节中,核心技术之一就是电池  

A)首先第一个重要的角色是镍氢电池( Nickel–metal hydride battery)  

这种电池的研发始于1967年,然后在70年代受到的重视增多,1989年第一款消费者用的镍氢电池问世。  

镍氢电池的主要优点是功率、能量、寿命、安全等性能比较均衡。在20世纪末,镍氢电池用在了很多企业的纯电动车型。当然了,让镍氢电池真正大放异彩的,必需要提丰田的明星混动PRIUS。

这款车在2017年全球销量已经破千万!!!!其厉害之处当然就在于混动车带来的极佳的燃油经济性。电池负责回收制动回收能量,并且可以在起步阶段介入,尽可能减少发动机在低速区的工作占比。在这个过程中,镍氢电池优秀的综合性能自然功不可没。  但是随着电池技术的发展,人们发展纯电动车需要追求能量密度与续航,后起之秀锂电池开始崛起受到更多的重视。因此镍氢电池目前主要局限于混动车型,在纯电动领域其本已经让位于锂电。  

B)第二个要介绍的自然是锂电了  

锂电诞生必须要提到两位大神:  

1、吉野彰先生。 1985年发明了C/钴酸锂电池体系。 

2 GOODENOUGH老先生: 发现了钴酸锂,锰酸锂,磷酸铁锂等几种关键材料,是锂电材料的奠基祖爷式的人物。  

所以这么算来,锂电其实在电化学领域是个年轻人,属于“80后“,但是实际上,锂电工作的原理仍然没有摆脱电化学最为经典的理论体系。虽然近来似乎有些新技术,但是总体来说现在电化学学科其本的原理一直没有变过,这可能也是电池技术进步速度不是那么快的一个原因吧。

锂电池始于LICO2-C的体系——对的,大家现在手机里用的仍是这种电池,只不过是经过优化综合性能更好了。然后经过努力,磷酸铁锂正极、锰酸锂正极、三元材料正极、钛酸锂负极,以及其它更偏科研导向的材料(此处略)陆续被推出,锂电池的性能也不断走高。  

锂电池受到重视的一个关键原因就在于其工作电压高(3.7V上下),相应的也就带来了较高的能量密度,以及相比于低电压电池更少的用量以及成组上的简便性。(其它电池各种1~2V电压,心累……)而且其有多个反应体系,有反应速率快的,也有能量密度高的……反正可以搭配出几条技术路线,各有优劣(当然也各有扯皮……)而锂电池近年来快速发展,尤其是在纯电动汽车领域里独霸的主要原因自然还是在于能量密度高,高于其它大多种类的二次电池。  

当然了,我们对于锂电池寄予厚望,尤其是在能量密度提升方面——追求续航,此时三元材料可能是现阶段比较好的出路。而功率方面锂电池经过材料选择与优化,结构设计,也是可以达到不错性能的,但是注意:盲目追求快充是不可取的。  

参考:光说几分钟充满,其它性能都不说的快充技术,都是耍流氓 - 知乎专栏  但是目前锂电池也有几个问题:能量密度提升速度落后于预期,成本下降速度落后于预期安全方面也不能让我们满意,MODEL X 还刚刚烧了一辆。不过话说回来——锂电不行,其它电池综合性能更差——所以还是加大研发投入力度,多一点理性来发展电动汽车行业吧。   

C)说说锂电技术支撑的几种车型   

主要是插电混动(PHEV),增程式( EREV ),纯电动(EV)。  

——插电混动(PHEV)  插电混动就是带上电池,还可以给电池充电,油电可以混动的车型啦。比起普通混动HEV,它电池带的更多,比纯电动EV,它可以烧油。  

刚才我自己搜了一下都下了一跳:虽然之前很多企业都有过对于插混汽车的研发,有过不少原型车(比如装了一堆铅酸的PRIUS+),但是世界上第一款大量生产的插电混动是BYD在2008年推出的F3DM(纯电里程60KM,总里程480KM),而GM的大名鼎鼎的BOLT是在2010开始生产的,看来这方面中国人还是走在了世界的前面呢…………

在接下来的几年里,各种PHEV车型都涌现,主要有三菱的PHEV欧蓝德,PHEV版普锐斯(普通版多加电池……),当然了还有BYD的秦,唐。在之前几年,全球范围PHEV的销量一直是高于纯电动EV的。截止到2016年低,全球PHEV保有量已经达到了80万量。但是这几年纯电动EV的增势也很猛,大有超越之势。  

至于未来的发展,我觉得一要看电池技术的进步,二要看政策支持的情况咯(北京不上插混牌,上海上牌,造 成的区别就可见一斑啦)

——增程式( EREV )  

增程式电动车也要烧油,但是它烧燃料是用来带动发电机来给电池充电的,而不是利用其直接带动内燃机来驱动汽车,因此“增程”也就是利用“烧油”来为电池电动机补充电量。增程式电动车的电池装载量一般也不少,与PHEV差不太多(有几十KM的纯电续航)——相应的,也需要能够给这些电池直接从电网充电,因此这些能充电的EREV也是PHEV。 此外还要补充一点,就是用燃料电池来提供增程电力的车,实际上也可以算作EREV。   

EREV需要电池能够支持足够的功率和续航里程,因此对其性能要求也比较高,这一点上仍然和PHEV很像。因此目前也只有锂电技术相对更为适合。而对于磷酸铁锂和三元来说,其实在这个场合,能量密度要求不算特别高,磷酸铁锂劣势并不大,不像纯电动里面我们必须努力追求最高的续航。  

EREV主要有两款有影响力的车: 通用的VOLT以及BMW的I3。VOLT的概念车于2007年北美国际汽车展上推出,在2011年开始在美国出售,并在15年已经有了第一次升级改款,燃油经济性非常不错。  而BMW的I3名气就更大,在中国也比较多一些(我们学校里就能看见)。I3来自于BMW的 I 计划(始于2011年), 主要是为了建造一条新的插电混动的产品线。I3本来是纯 电动(有60AH/90AH的锂电),续航大概是160KM,但是可以通过追加增程式发电机来为增加里程,可以达到300KM左右的续航。在2015年11月,I3的非增程版当时位列全球纯电动销量第三。而16年7月时,全球I3销量已经达到了50000量,是一个非常可观的数目。  

说句题外话,I3是宝马近几年来车型中少有的比较有个性的一款(我喜欢这车的设计,哈哈,纯主观感受。)

11.jpg

——纯电动(EV)  

EV完全不依靠传统的内燃机,就靠电池+电机来驱动汽车,因此这对于汽车设计,能量供应都提出了很高的挑战。因为电池能量密度总是不够高,因此饱受里程焦虑困扰的EV都把轻量化-电池高能量密度化做为核心发展方向。

因此锂电在EV里接近一统天下就不足为奇啦,而三元最火也就很好理解了。

现代的电动汽车的真正重新兴旺始于1990年代,那时美国加州制定了很多关于排放的政策,其中比较有名的一项就是追求 ZERO EMISSION VEHICLES 零排放汽车。为了达成这个目标,以及在污染,石油等因素的影响下,几大汽车公司都开始开发纯电动汽车,主要有:Chrysler TEVan, Ford Ranger EV, GM EV1, S10 EV, Honda EV Plus , Nissan Altra EV, Toyota RAV4 EV. 当然这些车型大家现在一看都会懵——他们最后都挂了,但是相应的也积累了经验,加之后来电网、电池、电控等技术的成熟,在它们的研发基础上,逐渐诞生了实用化的纯电动汽车。

比如TESLA的第一款电动车  Tesla Roadster  于2008年问世(前面说了,名字也是为了呼应老前辈)。这款车不能算太成功,但是却为后来的MODELS 的大放异彩铺平了路。关于MODELS,使用NCA电池,相关的介绍已经很多啦,在此不展开。Tesla Motors 为什么不使用以磷酸铁锂为正极材料的锂离子电池?  

而另外一个特别要说明的则是NISSAN的LEAF,其一直是世界上最畅销的电动车型,在2015年12月累计销量达到了20万辆。该车型一直使用的是LMO体系的锂电池,而且日产还为车主提供了更换电池(要花钱)服务。此外,换下的电池还被积极的用作储能试点,可以说这是动力电池很重要的一个发展方向——梯次利用与回收。  

而在这几年中,中国的纯电动车也在快速崛起,三元VS铁锂之争好戏不断,出现了很多重要车型,比如EV200,BYD E5/E6, DENZA,吉利帝豪,江淮IEV等等。可以说技术的进步与政策的推进共同导致了中国纯电动汽车行业的繁荣,但是未来会怎样呢?拭目以待吧。

结语

关于汽车电气化的未来,我觉得很大程度还是要看核心技术——电池,电控等技术的发展速度。如果技术不能有质的突破,那真想支持纯电动汽车大规模取代燃油车应该是比较难的。对于现在的技术水平,混动相对比较实际。

相关标签:
新能源汽车
  • 车云星
  • 空间站
  • 福特星球
  • 虫洞

加料 /

人评论 | 人参与 登录
查看更多评论