主题：【原创】电动汽车：明天的希望还是后天的梦幻？（上） -- 晨枫
一百年前发明的汽车对人类文明进程的影响是不言而喻的。汽车使快捷、方便的门到门交通和长途出行统一起来，给人类文明带来了深刻的变化。在汽车发明之初，人们就困扰于三种基本的动力装置之间：蒸汽机、电动机和内燃机。
蒸汽机是外燃机，也就是说，燃烧室和做功的部分分开，通过工质（对于蒸汽机来说就是蒸汽和冷凝水）的循环来传递和将热能转换为动能。和所有外燃机一样，蒸汽机可以用任何一种燃料，甚至不经技术改造，就可以直接使用煤、木柴、柴禾、废纸或任何可燃物，改用柴油、重油、天然气也是一个很简单的改造。理论上外燃机也可以利用核能、太阳能、地热能加热工质，而不局限于燃烧生热。理想情况下，外燃机燃烧完全，热机效率也高。但外燃机体积和重量大，系统复杂。
蒸汽机驱动的Locomobile，曾经是20世界初美国豪华汽车的中坚之一
电动机将电能转换为动能，除了电机损失外，不产生热。电动机的体积小，重量轻，噪音低，效率高。电动机有一个调速问题。直流电机调速容易，但直流电机使用电刷，摩擦损耗大，器件磨损大，耐用性和可靠性不好，大功率直流电机也比较难于实现。交流电机结构简单、可靠，可以很容易地做到大功率和高耐久性，但是需要专门的变频调速机构。电动汽车最大的问题还在于电池，铅酸蓄电池贮存不了多少电能，体积和重量都大，大功率充放电使用时寿命有限，使用也有一定的危险性。
爱迪生和他的电动汽车
相比之下，内燃机体积小，重量轻，功率大，可靠性好，容易随车贮存大量能源（燃料），使用安全。尽管内燃机挑食，一般局限于从石油中提炼的汽油和柴油，但内燃机的优点大大超过缺点，最后胜出。除了少数特例外，使用石油燃料的内燃机动力基本上是现代汽车的唯一动力，所以人们奉戈特里布•戴姆勒和卡尔•奔驰为汽车发明人，其实他们只是内燃机版（准确地说是奥托循环内燃机）的汽车的发明人。
奔驰发明的三轮汽车，用单缸汽油发动机驱动
内燃机对石油的依赖带来两个大问题。一、石油的蕴藏有限，开采已经接近或达到极限，这里面就有一个长远的能源安全问题。二、燃烧产生的二氧化碳和氮氧化物造成空气污染。
73年石油危机后，内燃机对石油的依赖问题开始得到重视。从污染和石油资源两方面出发，内燃机都是“罪不容赦”。作为替代能源，电动汽车和氢燃料成为新秀，得到广泛研究。野心较小的研究方向则包括诸如斯特林发动机的外燃机。
斯特林发动机或许可以看作热源在气缸外面“烤”而不是在气缸里面烧的内燃机，依然通过气缸内空气的热胀冷缩推动活塞，活塞-连杆-曲轴的运动将直线运动转化成旋转运动。斯特林发动机的热工循环十分接近理想的卡诺循环，燃气压力产生的活塞运动动能不浪费在进排气上，省下了动能损失，所以热效率很高，也就是说十分省油。由于燃烧是在气缸外进行，燃烧容易控制，排放容易处理，所以也比内燃机干净。理论上，斯特林发动机还可以用太阳能、核能甚至废热。斯特林发动机的运转还异常安静、平稳，瑞典的AIP（不依赖空气）常规潜艇采用的就是斯特林发动机。但用于汽车上时，斯特林发动机还是使用化石燃料或者替代燃料。在现有技术条件下，斯特林发动机在热机效率上的优势不能抵消体积和重量上的劣势，也没有从根本上解决内燃机的问题。到现在为止，斯特林发动机没有在汽车上大规模使用的先例。
斯特林发动机的基本原理，把橡皮膜用连杆代替，就可以看成热源在气缸外的内燃机
四缸斯特林发动机的设想
氢或许是理想的替代石油的燃料。太阳能发电、核电、水电、风电、潮汐电、地热电等不依赖化石燃料的发电形式都可以产生电，电解水就可以产生氢。氢用于内燃机或外燃机都很简单易行，氢的燃烧结果是水，对环境没有污染，这似乎是一个取之不尽、用之不竭而又清洁的理想能源来源。但单位体积的氢气所含的能量远远不及汽油或者柴油。增加压力可以减小同样重量氢气所占的体积，但高压容器的制造和保养都比较复杂，加注氢气的操作也比较危险，加压过程本身也要消耗大量能量。液化氢可以进一步缩小体积，但液氢的沸点是零下252摄氏度，不采用超级保温技术的话，在常温下气化的液氢本身也会使容器承受极大的压力。即使如此，液氢的体积能量密度依然只及汽油的一半左右。氢燃料贮存容器的材料也是一个大问题。除了氦原子外，氢原子是自然界里体积最小的原子，无孔不入。氢原子渗入金属晶格后，容易造成金属的氢脆，对容器的安全造成问题，增加了廉价、安全的高压氢容器的难度。研究表明，在不太高的压力和不太低的低温下，氨可以贮存大量的氢，并在催化反应中将氢释放出来。氨在内燃机燃烧室的压力下可以很好地燃烧，现代化工工业也有能力提供大量的氨。但氨的制造也需要大量能量，在常温、常压下氨有毒性，其剧烈的臭味也给在汽车上大规模使用带来很多问题。贮存氢的另一个途径是用氢化物，主要有氢化锂和氢化硼。氢化物的问题是有很强的毒性，遇水（包括空气中 的潮气）会剧烈燃烧，纯度要求很高，“充氢”需要复杂的专用设施。还有一种设想是用氢合成碳氢化合物，然后用催化反应释放氢气，但既然已经合成成为碳氢化合物了，直接用于内燃机的效率还高一点，就没有必要舍近求远了。BMW等汽车公司对氢汽车很有信心，已经试验性地推出氢汽车，但大规模应用依然遥遥无期。
BMW的7系列氢汽车
人们给予最大希望的还是要数电动汽车。电动汽车用电动机驱动，噪音极低，无污染。电动机的扭力在起步时达到最大，这对汽车的起步、加速极为有利。不过认为电动机的扭力大所以马力小一点没有关系，这是不对的。扭力大对起步、加速有利，但马力不足时最终速度上不去。为了保证一定的高速公路上的速度，电动汽车的马力也不能比相应的内燃机小多少。
电动机可以集中安装，然后用传动机构驱动轮子；或者直接装在轮子上，消除传动损失。集中电机虽然有传动损失，但传动和行驶技术成熟。直接安装在轮子上的电动机不光必须重量轻、体积小，还必须考虑同步问题，否则车子一动就可能扭秧歌。另外，要是其中一台电动机在高速行驶时故障，必须有适当的技术措施保证不至于造成车子失稳。目前的电动汽车还都是采用集中电机。驱动电机可以是直流电机，也可以是交流电机。直流电机可以调速，但电刷带来磨损和可靠性问题。交流电机简单、可靠，但需要额外的变频调速装置才能变速。直流电机采用电网交流电时，需要先对交流电进行整流；交流电机采用电池供电时，需要先对直流电进行斩波，然后才能变频。
内燃机汽车减速或刹车时，靠刹车装置将动能转化为热能，所有能量都是耗散的，没法回收。电动汽车在减速和刹车时，轮子可以反过来驱动电机而发电，这就是所谓的regenerative braking，这是电动汽车比内燃机节约能源的一个重要原因。不过regenerative braking的应用不是无条件的，只能在适用于通常可以用发动机挂档减速（engine braking）的场合下使用，如果是猛然的急刹车，轮子一下子就不转了，也就谈不上regenerative braking了。电动机发电和充电回路也有最大瞬时载荷的限制，减速快于这个限制时，还是要使用常规的刹车；速度减到一定程度，电动机反转已经无法有效发电时，也无所谓regenerative braking。所以regenerative braking不可能回收减速、刹车过程的全部能量，而只能回收其中的一部分，集中电机还要算进传动损失。这一部分占多大，取决于具体情况，一般不超过30%，实用中通常在10%左右。不过电动汽车可以瞬时启动，在红绿灯前停车时不需要空转，这在城市行驶时是一个优点。
Regenerative braking示意图，这里还是使用集中电机
电能不像化石燃料中的化学能，通常是现发现用，无法贮存，所以除了用“大辫子”从架空电缆取电，电动汽车大体可以分为用蓄电池或超级电容贮存电能的类型和在车上当场发电（如燃料电池或太阳能电池）的类型。
用“大辫子”从架空电缆取电是最简易的方法，中国城市里曾经有很多的无轨电车，还有更早的有轨电车。但无轨电车的行动范围受到架空电缆的限制，超车、换线必须在有特殊继电换线装置的地点进行，十字路口或换线时容易“掉辫子”，使用很不方便。为了在一根电缆上提供可供足够多车辆使用的电流，电车电缆必须用较高的电压，所以必须和市电系统相互独立。这是额外的建造和维修负担。受电流负载的限制，每条线路上的电车数量有限制，不能超载。由于诸多实际困难，无轨电车的应用范围很难超出公交。
无轨电车，曾经是中国城市中一道熟悉的风景线
人们曾经对燃料电池寄予厚望。典型的燃料电池用氢-氧作为燃料和氧化剂，通过电化学反应，直接将氢氧的化学能转变为电能。反应没有噪声，反应产物水对环境无害。但一个典型的氢氧燃料电池元件只能产生0.86伏电压，要达到汽车电池的24伏，至少需要28个电池元件。如果要减小电流，降低导电损耗和减小电机的体积、重量，必须达到更高的电压，那就需要更多的电池元件，否则就要用斩波变交流再通过变压器的办法升高电压。事实上，电动汽车的电压不是安全的24伏，而是更高效的300伏以上。两种途径都大大增加了系统的体积、重量和复杂性，增加了损耗。燃料电池在理论上可以超过卡诺循环的热效率，这是因为燃料电池没有热机那样的热工循环，但燃料电池的热效率随抽取的电流而下降，也随氢、氧的杂质而下降。换句话说，如果使用甲醇-空气，热效率要比氢氧要低很多。
氢氧燃料电池示意图
燃料电池在理论优越性始终和实用性脱节，即使是花钱如流水的各国军方，在投入巨资研究无数年后，也只有德国海军勉强将使用氢氧燃料电池的214级潜艇刚刚服役。各国汽车界也在燃料电池上投入很多心血，加拿大的Ballard公司一度和多个汽车公司签约，准备批量供应车用燃料电池，但雷声大，雨点小，最后不了了之。考虑到纯氢、纯氧的制备、运输、贮存和加注都有相当的难度，车用燃料电池可能最后还是用碳氢类燃料（如甲醇）和空气，但这样电池的热效率大大下降，电池组的体积、重量更大。车用燃料电池的大规模实用化不会在潜艇燃料电池的大规模实用化之前。也就是说，估计20年内不大可能成为汽车的主要动力形式。
燃料电池汽车示意图
燃料电池公共汽车也已经试验性地在一些欧洲城市运行
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用蓄电池或超级电容贮存电能，用电网充电，这是另一个非常看好的电动汽车形式。太阳能发电、核电、水电、风电、潮汐电、地热电等发电形式都不依赖化石燃料，只要世界没有毁灭，就应该是取之不尽、用之不竭的。电动汽车像加油一样在充电站充电，甚至可以免去加油站的麻烦，用家里的市电充电，然后放电驱动汽车，这是最理想的，既消除了分散、机动的污染源，又保持了机动性和方便性。然而，世上没有免费的午餐。
超级电容的充电极快，但贮存电能的能力依然不及蓄电池，而且在放电的过程中，电压逐渐下降，必须有专用的控制系统来切换和稳定电压，以保证电机正常工作。超级电容用于公交电车比较实际，站距不远，每到一站就充电，正好够到下一站用。或者作为无轨电车的紧急机动电源，用于变线、超车或断电时的短距机动。
蓄电池是电池动力汽车最实际的选择。蓄电池从铅酸电池到锂电池，已经走过很长的路，性能今非昔比，但一些基本的问题并没有得到根本的解决，这里面最大的问题就是充电。假定电池可以迅速充电，充电回路的电流最终将成为无法突破的瓶颈。对于通常尺寸的中型汽车来说，100千瓦（约130马力）的发动机并不过分。虽然电动机的低速扭力大大高于内燃机，要维持高速公路的速度，而且要留出一点余量以保证安全，还是需要足够的马力，否则汽车只能在城市中心使用，连环路和快速干道都上不了，大大限制了汽车的有用性。电动汽车也必须有一定的行程，应该不低于500公里，否则简单的出行就要被不断的充电所困扰。北美驾车上下班单程30-50公里的不在少数，除了上下班，还要开车接送孩子、购物、社交，充电一次够用一个星期的要求并不过分，否则因为忘记或别的事情而耽搁了隔夜充电，第二天就出不了门了。从环保出发要求人们从根本上改变生活习惯，出发点是好的，但是强人所难，实施起来或许要碰壁。印度制造、英国出售的Reva G-Wiz电动汽车可以享受种种优惠，包括免交拥挤税，市中心部分地点免费停车，优待停车（只要200英镑一年，通常要6000英镑），一年100%折旧，但最终还是流行不起来，原因不是车子太小（只有双座，但风行的Smart也是双座），做工欠佳，而是速度超不过60公里/小时，行程只有60公里，对住在城郊的人们根本不实用。
双座的G-Wiz电动汽车，最高速度只有60公里/小时，行程也只有60公里，对住在城郊的人们几乎毫无用处
美国通用的EV-1采用轻质材料和高度流线的外形，但核心还是其电池驱动系统
EV-1要先进得多，但也昂贵得多，单价4万美元以上
可以看见，底盘上几乎堆满了电池
以100千瓦和高速公路上耗能较低的100公里/小时计，500公里的行程也就是5个小时的用电量。用220伏的市电一小时充满的话，需要2270安培的电流；即使过夜充电10小时，也需要227安培。耗能大户的北美家庭每户的总电流峰值也不过60安培，峰值100安培已经是豪宅，200安培以上警察就要敲门了，疑心你在地下室里用大灯照明种大麻。只充一小时的用电量，电流可以降到45安培左右，低于一般家庭总线的峰值容量，但按照常规的一家两辆汽车的话，又有问题了，何况这要求家里其他所有电器统统关闭才能不超载。全面更新电网以提供这样大的电流，最终将是天文数字的投资。这么大的电流进入千家万户，其安全性也成问题。用集中的充电站，问题要小一些，也可以采用更高的电压。但如此大功率的充电站，好比插头暴露在外的变电站，安全问题多多。
用市电对电池动力汽车的充电问题，人们可能会感到惊讶，其实不必。家用灯泡100瓦以上就是很亮的了，典型家用冰箱的耗电500瓦，中心空调3500瓦，电灶5000瓦，洗衣机500瓦，烘干机5000瓦，所有电器一起大开，也顶不上一辆电动汽车的耗电量的一小半。相对来说，内燃机汽车100-200马力的很普通，相当于77-155千瓦，两辆汽车则加倍。所以家庭用电中加上汽车用电，注定会给电网增加不可承受的负担。对于加州这样用电已经紧张的地方，电网负载翻几番是不可思议的。
事实上，电池充电需要的电流比上述理论值还要大。充电回路本身的导电损失不算，充电过程产生大量热量，造成损失。要补足这些损失，就要加大电流。不光充电要生热，放电也要生热，前些日子Sony生产的笔记本电脑发热爆炸，就是放电生热不能及时散发所导致，所以电池组必须有冷却系统以保证安全，这也消耗能量。电池动力汽车的电能损耗还不局限于充放电。市电是交流电，必须整流成直流电后才能充电，这里面有整流损失。电池贮存的是直流电，为了使用大功率交流电机，要将直流电斩波成交流电，然后通过变压器升压，这里面又有斩波和变压损失。尽管电动机转换电能的效率可以达到90%，从充电到轮子的整个系统效率远远达不到这个水平。
EV-1需要从家庭用电的总线上拉出专用的充电回路
电池动力汽车的最大的优越性是环保。但发电需要一次能源，就北美来说，大头依然是煤和天然气，污染排放依然是一个问题。虽然集中发电可以更有效地处理污染排放，但输配电损失增大。电池的寿命有限，丰田Prius的电池号称有25万公里的寿命，但那是在试车场连续使用的理想情况下，在实际使用条件下，要是每年只开1万公里，电池寿命有3-5万公里都不错了。电池的制造需要耗费大量的能源和材料，报废电池的处置也是一个大问题。电池动力汽车的“全系统环保能力”现在还是一个争论很大的话题。
现代电池动力汽车的量产型不多，美国通用的EV-1和前述印度的G-Wiz算是例子。EV-1生产了1100辆就停产了，只供租赁，不供购买。租期过后，大多销毁，有人出大价钱购买都不让，所以现在阴谋论盛行，Sony还拍了一个《谁谋杀了电动汽车》的电影，电动汽车的大粉丝Mel Gibson在电影里出镜。但是按照通用的说法，5000多提出购买EV-1的人，最后只有50人是真正认真的。单价4万美元的EV-1只有双座，只有80-250公里（不同工况和电池型号）的行程，只有腰缠万贯的好莱坞明星才买得起这样的玩具，和平民百姓需要的交通工具相距甚远。
电影广告《谁谋杀了电动汽车？》
电动汽车在业余人士中依然流行，自己动手改装的电动汽车很多，但离工业化和实用化尚有相当距离。然而，电动汽车在近年受到一个来自意想不到的方向的青睐：硅谷。一些硅谷大亨在IT领域里掏足了金之后，希望将硅谷所象征的技术革命推广到IT以外的更广泛的领域，其中之一就是电池动力汽车。南非出生的Elon Musk在硅谷创立了Alta Vista和PayPal，出手之后钱多得发愁，他的汽车爱好者的种子在肾脏里发芽，受手机和笔记本电脑的锂电池技术在过去10年中突飞猛进的启发，投资研制250马力的Tesla赛车。这是以Lotus Elan的骨架为基础的电动赛车，性能超群，0-100公里/小时只有4秒，最高时速210公里/小时，行程400公里，开价10万美元。Musk预言Tesla将为量产型电动汽车开路，车用锂电池将和手机、笔记本电脑锂电池一样，价格直线下跌，性能直线上升，最终成就汽车公司一直声称不可能的事：实用而又为大众所买得起的电动汽车。但Musk不是圣贤，如果Tesla成功，他并没有兴趣扩大研制和生产，而是将技术出手给有意购买的买家，就像当年的Alta Vista和PayPal一样。这是典型的风险投资，而不是技术上的远见。说得刻薄一点，这是投机。
年轻有为、野心勃勃的Elon Musk
Musk投资6千万美元，研制Tesla电动跑车，0-100公里/小时只有4秒
对节油和环保最大的贡献还是来自对对传统内燃机的挖潜改造，以及混合动力。先进的燃烧控制技术使今天的内燃机的耗油比30年前大大降低，使用生物汽油/生物柴油既缓解了对石油资源的要求，也减少了温室效应废气的净排放（生物成长过程消耗二氧化碳，所以在理论上燃烧生物燃油在生成二氧化碳上是进出平衡的）。混合动力结合内燃机和电动机的优点，成为现实的节能和环保汽车的首选。混合动力的电动部分还为电动汽车技术探路，最终可以转移到电动汽车上去。现在的混合动力基本上属于“电力助动”（electric assisted），内燃机提供巡航动力和缓慢充电能力，用电动机辅助加速，并且通过regenerative braking回收一点刹车能量。这样，通过打时间差，就可以用较小的内燃机就可以达到相当于大马力内燃机的动力性能。思路倒转一下，也可以将混合动力变成“内燃机助动”(ICE assisted，ICE指Internal Combustion Engine，内燃机)，用电网充电，电池动力作为短程或市内交通的基本动力，内燃机只有在长途或郊外行驶或没有条件充电时才用。这应该是混合动力的下一个阶段。丰田Prius的下一代据说就是这样设计的。
丰田Prius是第一个成功的混合动力汽车，代表了现今混合动力的最高水平
丰田之后，各厂家纷纷推出自己的混合动力汽车，这是本田的Civic Hybrid
但最现实的环保和节油的选择是公交和小尺寸汽车。公交的优越性不言而喻，对于拥挤的大城市，大力发展公交，限制私车，这是必由之路。在必须使用私人汽车的场合，小尺寸汽车的节油和环保也是不言而喻的。北美的通勤交通（commuting）中，一人车占大多数，很多一人车还是大型的SUV或轻卡（其实一点也不轻）。可以拉几吨货的6升V8发动机只拉一个人和他/她的午餐，浪费惊人。很多家庭为了“有时拉建材/拖游艇/拖野营拖车……”的原因而购置这些巨无霸的大车，其实一年里有多少个这样的“有时”呢？不超过3-5次？何不平时用小车，到需要这些“有时”的时候去租一个巨无霸呢？关键是两个：1、买得起巨无霸，2、烧得起油。那么解决的办法也只有通过税收将社会的真正成本加到汽车和燃油里，并且用法律鼓励节油和环保的交通方式。
像三菱iCar这样设计精巧的小车，耗油接近Civic Hybrid，技术上成熟很多，售价也低得多，对于将节能和环保技术推广到大众有更实际的作用
使用柴油机的Smart是另一个采用传统技术的节能典型。在高企的有价面前，大而哈之的加拿大人也全心拥抱Smart，Smart在加拿大市场得到意想不到的成功，或许下一步会进军美国市场
电动汽车或许像能源领域的冷聚变一样，是一个可望而不可及的“终极目标”，但节油而环保的内燃机小车是眼下现实可行的。目光远大是好事，但好高骛远而一事无成的例子比坚持远大理想而终成正果的例子多得多。
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在贴出生物柴油的帖子后，和河友讨论了一些电动汽车的问题，觉得意犹未尽，扩充了一点讨论，写成这个帖子，希望抛砖引玉，继续讨论。
现在也不少呢……
上面就是说500KM用了2270度电，按单价0.5元计算
2270*0.5=1135元
按普通美式大轿车百公里耗油16升
国内97号汽油5.35元/升
16*5*5.35=428元
丰田Prius百公里耗油不到6升
6*5*5.35=160.5元
这也太高了吧，一点经济性都没有。
好像是澳大利亚的，号称体积小重量轻功率大还省油，授权给了像honda这样的大公司，怎么后来没声息了？
《加里森敢死队》呵呵，里面有一集是这几个人被困在敌后，可以弄到坦克，可惜没汽油。结果那个擅长开保险柜的叫什么的说用酒精也行。他们就开始用土豆造酒，酒造好了以后，就抢了一辆坦克，跑了。
那个时候以为酒精可以当汽油使，很向往了一番。不过酒精燃烧所产生的能量和汽油还是
差很远。这个短期内也很难看到解决的办法。目前最好的办法就是混合使用。这个办法比较遥远。
氢气这个可能性不大，生产贮藏都不方便。做汽车能源很不现实，如果真的要利用氢气的话，还不如用它取代煤气来的现实一些。
电力汽车，也不看好。电的贮藏一直都是个问题。还有充电时间，目前也没什么好办法解决。
我看过一个报道说美国有一个政府资助的研究小组，他们的目标是要搞出可以用于汽车的小型的核反应装置。他们也知道这个过程要多少代人才行，不过他们到是一直在努力。
个人觉得这个可能是未来能源的方向。不知道国内有没有这方面的研究。
我是外行，就是一说罢了。
100千瓦用5小时的电就是500度，应该是250元才对呀？电动汽车应该比用汽油便宜。
丰田Prius的百公路耗油是EPA理论数值，实际中达不到。我的数字是极限数值，这5小时里不会一直全马力开。两者平衡一下，应该在一个数量级上。
对那个上尉印象深刻，会打仗，会武功，能摆平一伙痞子，又是一个大帅哥。
临时用土豆做酒开坦克，那得等多久？没有个把月不行吧？
在核电站尚且受到绿色组织强力反对的时候，汽车核动力恐怕比电动汽车更遥远。
二冲程体积小，重量轻，扭力大，省油，但二冲程的死结在于润滑油和燃油一起注入气缸燃烧，污染很大。很多人想了很多办法，最后还是不能根本解决这个问题。
以前听说老毛子开展过这方面的研究，为了更好的往远东输电
充电时间的问题，能不能通过更换统一标准的电池来实现。也就是每次到类似加油站的充电站，用已经用完的电池，换上充好电的电池，收取差价。 充电站的电池统一收集后，在工厂里集中充电。
中国也干了些工作。。怎么不也一起写进来呢？
SMART现在和中国一家公司打官司呢。。。就是这家公司生产了一宽和SMART相似的车，不过，是电动的，卖到了不少国家。。。SMART急了。。。虽然它不是电动的。。。