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無線充電15分鐘,行駛里程增加80公里。

本文選自中國工程院院刊《Engineering》2021年第2期

作者:Chris Palmer

來源:TElectric Car Market Poised to Accelerate[J].Engineering,2021,7(2):136-138.

導語

目前,電池驅動的電動汽車、氫燃料電池汽車和插電式混合動力汽車是消費者主要選擇的3種低排放汽車。爲遏制全球氣候變化,世界上諸多國家和地區陸續宣佈了禁止銷售汽油動力汽車的時間節點,這大大改善了電動汽車的發展前景,用電動汽車來代替汽油動力汽車是最具可行性的。然而,阻礙電動汽車大量應用的限制仍然存在,亟需通過技術變革來解決。

中國工程院院刊《Engineering》2021年第2期刊發《電動汽車市場加速發展》,介紹了全球範圍內電動汽車領域在續航里程、充電問題等方面的發展現狀及未來發展趨勢。文章指出,在電動汽車續航里程增加方面,可以通過改進汽車電池組、改變汽車設計以減少空氣阻力和機械摩擦等、提高電動傳動鏈效率等方式實現;在充電方面,通過無線充電技術,甚至是使用動態充電技術,從而改變電動汽車的駕駛體驗,讓司機再也不用擔心充電問題。

2020年10月,中國宣佈計劃在2035年之前停止生產和銷售非混合動力汽車。近日,美國加利福尼亞州(到2035年)、印度(到2030年),以及歐盟許多國家(不同日期)也提議禁止銷售所有新型汽油動力汽車。

爲遏制氣候變化而制定的這些限制措施,有可能會改善電動汽車(EV)的發展前景,因爲用電動汽車來代替汽油動力汽車是最具可行性的。然而,阻礙電動汽車大量應用的主要原因之一是里程焦慮。儘管90%的電動汽車的日常平均里程爲40 mi(1 mi ≈1.609 344 km),但司機仍然擔心在到達下一個充電站之前汽車的電池會耗盡。現在,更大容量的電池、更高效的驅動系統以及一些新型汽車的其他優勢,使電動汽車的行駛里程更加接近汽油動力汽車的行駛里程。此外,現在無線充電技術的應用使消費者更容易考慮購買電動汽車。

目前,電池驅動的電動汽車、氫燃料電池汽車和插電式混合動力汽車是消費者主要選擇的三種低排放汽車。近日,幾家大型汽車製造商已經放棄了發展緩慢的氫燃料電池汽車市場,因爲氫燃料電池汽車的成本難以被降低以及無法建立廣泛的加氣站網絡。插電式混合動力汽車是以電池驅動爲主的電動汽車,當電池耗盡或需要充電時,可以將汽油發動機作爲備用。但插電式混合動力汽車的銷量並不高,這可能是由於消費者不清楚它們的益處。這些問題表明,電動汽車至少在短期內會主導快速發展的低排放汽車市場。

加利福尼亞大學戴維斯分校的插電式混合動力汽車和電動汽車中心主任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汽車,或者是否可以推遲投資而等待一些奇蹟以挽救電動汽車市場。歐盟、加利福尼亞州和中國的行動表明‘電動汽車不會消失,它正在發生變化,這種變化不會是10%或15%的轉變,而是一種重大變化。’”

在政府幫助說服制造商進行轉變的同時,也需要說服消費者。電動汽車已經存在了幾十年,但仍然只佔在路機動車的一小部分——截至2019年,僅佔汽車市場的3%。然而,隨着幾家大型汽車製造商計劃大幅增加電動汽車的投資,電動汽車的佔比可能會迅速上升。幾家大型汽車製造商(包括通用汽車公司)宣佈,計劃在2025年之前推出30款新型電動汽車。

儘管價格問題、充電問題和里程焦慮問題仍是許多消費者購買電動汽車的主要考慮因素,但隨着製造商和電力供應商的合作,充電站的數量將會增加,充電問題將得以解決。然而,即使充電問題有所改進,但里程焦慮問題仍阻礙着消費者購買電動汽車。世界上最暢銷的三款電動汽車的平均續航里程要比三款最暢銷的汽油動力汽車的短得多,它們分別爲394 km和850 km。加利福尼亞大學歐文分校的機械與航空航天工程學榮譽退休教授、先進動力與能源項目創始人兼主任Scott Samuelsen表示:“充電問題和里程焦慮問題仍然限制了電動汽車的市場發展。”

少數汽車製造商正在開發續航里程在800 km以上的電動汽車,這可能會消除人們對續航里程的擔憂。Lucid Motors公司(位於美國加利福尼亞州紐瓦克)最近宣佈,將於2021年春季開始生產Air車型,這款汽車充電一次可行駛800 km(圖1)。相比Tesla Model 3的充電電壓(350 V)和充電功率(80 kW),Lucid Motors公司的Air車型的充電電壓超過900 V,快速充電功率達到350 kW。然而,里程的增加不僅是因爲改進了汽車的電池組,也是因爲通過改變汽車的設計以減少空氣阻力和機械摩擦,從而提高了電動傳動鏈的效率。與此同時,梅賽德斯公司(Mercedes)正在研發一款名爲Vision EQXX的新車型,由於電動傳動鏈效率的提高,其續航里程可達1200 km 。然而這些遠程電動汽車的售價仍將阻礙消費者的購買意願。包括政府鼓勵政策在內,Lucid Air車型的最低價格約爲7萬美元。

圖1 由於具有減少空氣阻力和機械摩擦的設計,Lucid Motor公司的Air車型的電動傳動鏈的效率得到提高,該車型的電池經一次充電就能提供續航里程超過800 km的動力

注:資料來源:Lucid Motors(公有領域)

Tal說,里程改善會對市場產生多大的影響還有待觀察,特別是考慮到關於美國人駕駛習慣的研究,該研究表明98%的汽油動力汽車可以被目前的電動汽車取代,電動汽車也可以滿足人們的日常生活所需。Tal表示:“里程焦慮只對那些還沒有真正考慮過購買電動汽車的消費者來說很重要——這簡直是一種噩夢。”他補充說:“你需要在車裏連續坐10 h才能開1200 km。說實話,這有點兒過分了。”他說:“但對市場上長續航的遠程電動汽車來說,這不是問題。它可以像1000馬力的汽車曾經驅動傳統汽車消費者那樣驅動電動汽車的消費者。”

電動汽車具有通過電磁感應進行無線充電的能力,這可以減少電動汽車司機的里程焦慮。電磁感應涉及兩個由銅製成的電磁線圈,並有振盪電流流過線圈。當電動汽車無線充電時,其中一個線圈嵌入汽車下面的充電板上,相當於一個發射器,第二個線圈安裝在汽車的底盤,作爲一個接收器。當電流通過發射器線圈時,會產生一個磁場,將能量轉移到接收器線圈,然後給汽車的電池充電(圖2)。電磁感應技術發明於100多年前,目前廣泛用於設備的無線充電,如智能手機、電動牙刷和其他電子產品。

圖2 在無線充電中,利用電磁感應技術,電流通過放置在汽車下方的發射板到達安裝在汽車底盤上的接收板上

注:資料來源:WiTricity(公有領域)

WiTricity公司(位於美國馬薩諸塞州沃特敦)的首席技術官Morris Kesler表示,過去15年的重大創新,使電動汽車的無線充電功能變得切實可行。WiTricity是少數開發這項技術的公司之一。Kesler表示:“隨着路上行駛的電動汽車數量越來越多,無線充電技術的應用會更有吸引力。”WiTricity公司目前提供的無線充電系統的功率爲11 kW,足以滿足30 mi·h−1(約48.28 km·h−1)的行駛速度,等同於典型的插電式充電系統。WiTricity公司已與中國汽車製造商達成協議,將其系統安裝在部分車型中。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着給汽車充電,因爲充電是自動進行的。”

2020年10月,總部位於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會(Society of Automotive Engineers, SAE),建立了面向全球工程專業人士的技術標準,促使該技術與市場聯繫更爲緊密。其全新的無線充電標準SAE J2954要求在最佳條件下,從電網到車輛實現高達94%的充電效率,在250 mm的空氣間隙下充電功率可達11 kW,並實現不同車輛之間的交互操作。

除了家用充電系統外,WiTricity公司和其他無線充電器製造商正在開發另一種充電系統,以用在汽車經常會停留的地方,如停車場、街邊停車位、出租車停靠站和公共汽車站。例如,在挪威奧斯陸的Momentum Dynamics公司(位於美國賓夕法尼亞州馬爾文)將爲Jaguar I-Pace出租車配備感應充電板,這樣車輛就可以在排隊等候乘客時進行無線充電。車輛在路面內置的感應線圈上每停留15 min,行駛里程就會增加80 km。

Kesler表示,自動駕駛汽車也將受益於無線充電。他說:“你真的需要爲自動駕駛汽車進行無線充電,因爲周圍沒有人給它們插插頭。”未來,在道路上安裝發射器線圈可以爲行駛中的汽車充電——這一概念被稱爲動態充電——這可能會徹底改變電動汽車的駕駛體驗,讓司機再也不用擔心充電問題。這還可以讓製造商在生產汽車時使用更小容量的電池,從而不僅降低了汽車的售價還能減輕汽車的重量。鑑於這一前景,2019年年初WiTricity公司收購了總部位於聖地亞哥的高通公司的Halo無線充電技術,該技術在法國的一條測試道上,演示了一輛每小時行駛96 km的汽車以20 kW的功率進行動態充電的過程。

儘管動態充電技術前景廣闊,Tal和Samuelsen仍一致認爲,建設必要基礎設施的成本和電池價格的下降等經濟因素,可能會阻礙動態充電技術廣泛應用於私家車。不過,Tal表示,這項技術在公共交通領域應該更可行,因爲公共交通通常需要24 h不停歇地運營,且路線固定,同時減少了新基礎設施的安裝需求。以色列的ElectReon公司(位於以色列紐裏姆)正瞄準了這樣的公共交通市場,並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場的18 km穿梭線路上建造一個動態充電系統。2020年5月,瑞典邀請該公司爲波羅的海哥特蘭島的一條機場穿梭路線建立無線充電系統,這將是該國爲1600 km以上的高速公路配備動態充電系統邁出的第一步。

注:本文內容呈現形式略有調整,若需可查看原文。

改編原文:

Chris Palmer.Electric Car Market Poised to Accelerate[J].Engineering,2021,7(2):136-138.

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