Chris Palmer

Senior Technology Writer

2020年10月，中國宣布計(jì)劃在2035年之前停止生產(chǎn)和銷售非混合動(dòng)力汽車[1]。近日，美國加利福尼亞州（到2035年）[2]，印度（到2030年）[3]，以及許多歐盟國家（不同日期）[3]也提議禁止銷售所有新型汽油動(dòng)力汽車。

為遏制氣候變化而制定的這些限制措施，有可能會(huì)改善電動(dòng)汽車（EV）的發(fā)展前景，因?yàn)橛秒妱?dòng)汽車來代替汽油動(dòng)力汽車是最具可行性的。然而，阻礙電動(dòng)汽車大量應(yīng)用的主要原因之一是里程焦慮。盡管90%的電動(dòng)汽車的日常平均里程為40 mi（1 mi ≈1.609 344 km），但司機(jī)仍然擔(dān)心在到達(dá)下一個(gè)充電站之前汽車的電池會(huì)耗盡。現(xiàn)在，更大容量的電池、更高效的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及一些新型汽車的其他優(yōu)勢，使電動(dòng)汽車的行駛里程更加接近汽油動(dòng)力汽車的行駛里程。此外，現(xiàn)在無線充電技術(shù)的應(yīng)用使消費(fèi)者更容易考慮購買電動(dòng)汽車。

目前，電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車、氫燃料電池汽車和插電式混合動(dòng)力汽車是消費(fèi)者主要選擇的三種低排放汽車。近日，幾家大型汽車制造商已經(jīng)放棄了發(fā)展緩慢的氫燃料電池汽車市場[4]，因?yàn)闅淙剂想姵仄嚨某杀倦y以被降低以及無法建立廣泛的加氣站網(wǎng)絡(luò)。插電式混合動(dòng)力汽車是以電池驅(qū)動(dòng)為主的電動(dòng)汽車，當(dāng)電池耗盡或需要充電時(shí)，可以將汽油發(fā)動(dòng)機(jī)作為備用。但插電式混合動(dòng)力汽車的銷量并不高，這可能是由于消費(fèi)者不清楚它們的益處[5]。這些問題表明，電動(dòng)汽車至少在短期內(nèi)會(huì)主導(dǎo)快速發(fā)展的低排放汽車市場[4]。

加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校的插電式混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車中心主任Gil Tal說：“在過去幾年，很多汽車公司一直嘗試決定是否需要大量投資以改善電動(dòng)汽車，或者是否可以推遲投資而等待一些奇跡以挽救電動(dòng)汽車市場。歐盟、加利福尼亞州和中國的行動(dòng)表明‘電動(dòng)汽車不會(huì)消失，它正在發(fā)生變化，這種變化不會(huì)是10%或15%的轉(zhuǎn)變，而是一種重大變化?！?/p>

在政府幫助說服制造商進(jìn)行轉(zhuǎn)變的同時(shí)，也需要說服消費(fèi)者。電動(dòng)汽車已經(jīng)存在了幾十年，但仍然只占在路機(jī)動(dòng)車的一小部分——截至2019年，僅占汽車市場的3% [6]。然而，隨著幾家大型汽車制造商計(jì)劃大幅增加電動(dòng)汽車的投資，電動(dòng)汽車的占比可能會(huì)迅速上升。幾家大型汽車制造商（包括通用汽車公司）宣布，計(jì)劃在2025年之前推出30款新型電動(dòng)汽車[7]。

盡管價(jià)格問題、充電問題和里程焦慮問題仍是許多消費(fèi)者購買電動(dòng)汽車的主要考慮因素，但隨著制造商和電力供應(yīng)商的合作，充電站的數(shù)量將會(huì)增加，充電問題將得以解決[8]。然而，即使充電問題有所改進(jìn)，但里程焦慮問題仍阻礙著消費(fèi)者購買電動(dòng)汽車。世界上最暢銷的三款電動(dòng)汽車的平均續(xù)航里程要比三款最暢銷的汽油動(dòng)力汽車的短得多，它們分別為394 km和850 km [9,10]。加利福尼亞大學(xué)歐文分校的機(jī)械與航空航天工程學(xué)榮譽(yù)退休教授、先進(jìn)動(dòng)力與能源項(xiàng)目創(chuàng)始人兼主任Scott Samuelsen表示：“充電問題和里程焦慮問題仍然限制了電動(dòng)汽車的市場發(fā)展。”

少數(shù)汽車制造商正在開發(fā)續(xù)航里程在800 km以上的電動(dòng)汽車，這可能會(huì)消除人們對(duì)續(xù)航里程的擔(dān)憂。 Lucid Motors公司（位于美國加利福尼亞州紐瓦克）最近宣布，將于2021年春季開始生產(chǎn)Air車型，這款汽車充電一次可行駛800 km（圖1）[11]。相比Tesla Model 3的充電電壓（350 V）和充電功率（80 kW）[12]，Lucid Motors公司的Air車型的充電電壓超過900 V，快速充電功率達(dá)到350 kW。然而，里程的增加不僅是因?yàn)楦倪M(jìn)了汽車的電池組，也是因?yàn)橥ㄟ^改變汽車的設(shè)計(jì)以減少空氣阻力和機(jī)械摩擦，從而提高了電動(dòng)傳動(dòng)鏈的效率。與此同時(shí)，梅賽德斯公司（Mercedes）正在研發(fā)一款名為Vision EQXX的新車型，由于電動(dòng)傳動(dòng)鏈效率的提高，其續(xù)航里程可達(dá)1200 km [13]。然而這些遠(yuǎn)程電動(dòng)汽車的售價(jià)仍將阻礙消費(fèi)者的購買意愿。包括政府鼓勵(lì)政策在內(nèi)，Lucid Air車型的最低價(jià)格約為7萬美元。

圖1. 由于具有減少空氣阻力和機(jī)械摩擦的設(shè)計(jì)，Lucid Motor公司的Air車型的電動(dòng)傳動(dòng)鏈的效率得到提高，該車型的電池經(jīng)一次充電就能提供續(xù)航里程超過800 km的動(dòng)力。資料來源：Lucid Motors（公有領(lǐng)域）。

Tal說，里程改善會(huì)對(duì)市場產(chǎn)生多大的影響還有待觀察，特別是考慮到關(guān)于美國人駕駛習(xí)慣的研究，該研究表明98%的汽油動(dòng)力汽車可以被目前的電動(dòng)汽車取代，電動(dòng)汽車也可以滿足人們的日常生活所需[14]。Tal表示：“里程焦慮只對(duì)那些還沒有真正考慮過購買電動(dòng)汽車的消費(fèi)者來說很重要——這簡直是一種噩夢(mèng)?！彼a(bǔ)充說：“你需要在車?yán)镞B續(xù)坐10 h才能開1200 km。說實(shí)話，這有點(diǎn)兒過分了?！彼f：“但對(duì)市場上長續(xù)航的遠(yuǎn)程電動(dòng)汽車來說，這不是問題。它可以像1000馬力的汽車曾經(jīng)驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)汽車消費(fèi)者那樣驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的消費(fèi)者?！?/p>

電動(dòng)汽車具有通過電磁感應(yīng)進(jìn)行無線充電的能力，這可以減少電動(dòng)汽車司機(jī)的里程焦慮。電磁感應(yīng)涉及兩個(gè)由銅制成的電磁線圈，并有振蕩電流流過線圈。當(dāng)電動(dòng)汽車無線充電時(shí)，其中一個(gè)線圈嵌入汽車下面的充電板上，相當(dāng)于一個(gè)發(fā)射器，第二個(gè)線圈安裝在汽車的底盤，作為一個(gè)接收器。當(dāng)電流通過發(fā)射器線圈時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場，將能量轉(zhuǎn)移到接收器線圈，然后給汽車的電池充電（圖2）。電磁感應(yīng)技術(shù)發(fā)明于100多年前[15]，目前廣泛用于設(shè)備的無線充電，如智能手機(jī)、電動(dòng)牙刷和其他電子產(chǎn)品。

圖2. 在無線充電中，利用電磁感應(yīng)技術(shù)，電流通過放置在汽車下方的發(fā)射板到達(dá)安裝在汽車底盤上的接收板上。資料來源：WiTricity（公有領(lǐng)域）。

WiTricity公司（位于美國馬薩諸塞州沃特敦）的首席技術(shù)官M(fèi)orris Kesler表示，過去15年的重大創(chuàng)新，使電動(dòng)汽車的無線充電功能變得切實(shí)可行。WiTricity是少數(shù)開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)的公司之一。Kesler表示：“隨著路上行駛的電動(dòng)汽車數(shù)量越來越多，無線充電技術(shù)的應(yīng)用會(huì)更有吸引力?！盬iTricity公司目前提供的無線充電系統(tǒng)的功率為11 kW，足以滿足30 mi·h-1（約48.28 km·h-1）的行駛速度，等同于典型的插電式充電系統(tǒng)。WiTricity公司已與中國汽車制造商達(dá)成協(xié)議，將其系統(tǒng)安裝在部分車型中[16]。Kesler說：“無線充電是提高用戶接受度的另一種方式，他們不用每次出門都想著給汽車充電，因?yàn)槌潆娛亲詣?dòng)進(jìn)行的。”

2020年10月，總部位于美國賓夕法尼亞州匹茲堡附近沃倫代爾（Warrendale）的國際汽車工程師協(xié)會(huì)（Society of Automotive Engineers, SAE），建立了面向全球工程專業(yè)人士的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，促使該技術(shù)與市場聯(lián)系更為緊密。其全新的無線充電標(biāo)準(zhǔn)SAE J2954要求在最佳條件下，從電網(wǎng)到車輛實(shí)現(xiàn)高達(dá)94%的充電效率，在250 mm的空氣間隙下充電功率可達(dá)11 kW，并實(shí)現(xiàn)不同車輛之間的交互操作[17]。

除了家用充電系統(tǒng)外，WiTricity公司和其他無線充電器制造商正在開發(fā)另一種充電系統(tǒng)，以用在汽車經(jīng)常會(huì)停留的地方，如停車場、街邊停車位、出租車?？空竞凸财囌?。例如，位于挪威奧斯陸的Momentum Dynamics公司（位于美國賓夕法尼亞州馬爾文）將為Jaguar I-Pace出租車配備感應(yīng)充電板，這樣車輛就可以在排隊(duì)等候乘客時(shí)進(jìn)行無線充電。車輛在路面內(nèi)置的感應(yīng)線圈上每停留15 min，行駛里程就會(huì)增加80 km [18]。

Kesler表示，自動(dòng)駕駛汽車也將受益于無線充電。他說：“你真的需要為自動(dòng)駕駛汽車進(jìn)行無線充電，因?yàn)橹車鷽]有人給它們插插頭。”未來，在道路上安裝發(fā)射器線圈可以為行駛中的汽車充電——這一概念被稱為動(dòng)態(tài)充電——這可能會(huì)徹底改變電動(dòng)汽車的駕駛體驗(yàn)，讓司機(jī)再也不用擔(dān)心充電問題。這還可以讓制造商在生產(chǎn)汽車時(shí)使用更小容量的電池，從而不僅降低了汽車的售價(jià)還能減輕汽車的重量。鑒于這一前景，2019年年初WiTricity公司收購了總部位于圣地亞哥的高通公司的Halo無線充電技術(shù)，該技術(shù)在法國的一條測試道上，演示了一輛每小時(shí)行駛96 km的汽車以20 kW的功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)充電的過程[19]。

盡管動(dòng)態(tài)充電技術(shù)前景廣闊，Tal和Samuelsen仍一致認(rèn)為，建設(shè)必要基礎(chǔ)設(shè)施的成本和電池價(jià)格的下降等經(jīng)濟(jì)因素，可能會(huì)阻礙動(dòng)態(tài)充電技術(shù)廣泛應(yīng)用于私家車。不過，Tal表示，這項(xiàng)技術(shù)在公共交通領(lǐng)域應(yīng)該更可行，因?yàn)楣步煌ㄍǔＰ枰?4 h不停歇地運(yùn)營，且路線固定，同時(shí)減少了新基礎(chǔ)設(shè)施的安裝需求。以色列的ElectReon公司（位于以色列紐里姆）正瞄準(zhǔn)了這樣的公共交通市場，并正在特拉維夫市的一條公交線路與一條連接埃拉特市和拉蒙國際機(jī)場的18 km穿梭線路上建造一個(gè)動(dòng)態(tài)充電系統(tǒng)[19]。2020年5月，瑞典邀請(qǐng)?jiān)摴緸椴_的海哥特蘭島的一條機(jī)場穿梭路線建立無線充電系統(tǒng)，這將是該國為1600 km以上的高速公路配備動(dòng)態(tài)充電系統(tǒng)邁出的第一步[20]。