互动科普

开发电动汽车的理由

Daniei Speriing

新技术的发展已使得实用的电动汽车可以面世，然而政策却有可能延误由内燃发动机到电动机的变迁。

汽车在美国的石油消费总量中占了一半，约有一半的城市污染根源在汽车，并且温室气体的1/4也是汽车排放的。在其它工业国和发展中国家的城市地区，汽车造成了类似的资源损失。随着在未来十年内汽车的使用持续上升，美国和其它国家将必须解决这些问题，否则将会面临难以接受的经济损失、政治损失和与人类健康有关的损失石油价格未必会继续保持在目前的低水平，而其它国家也未必会允许美国对全球气候变化产生日益严重的巨大影响。

美国的政策制定者和工业界可以作四种选择：减少汽车使用量，提高能源效率并减少常规燃油驱动汽车的废气排放量，转而采用为害较小的燃料，或寻找污染较小的动力系统。这些选择当中的最后一招，尤其是电动汽车的推广采用，终究是唯一的可持续的选择。而其它那些选择虽说在理论上具有吸引力，但在实践上却不是不切实际，就是只能做到微小的改进。例如减少汽车使用量虽说有可能解决交通阻塞问题以及许多社会同题和环境同题。但全世界的证据表明，要使人们明显减少汽车使用量是很难做到的。在美国，自第二次世界大战以来公共交通工具的乘客数量和汽车的合伙使用已减少和衰落。即使是在西欧，在燃油价格平均达每公升1美元以上(约合4美元1加仑)，公共交通非常普遍，人口又非常密集的情况下，汽车仍然要占所有客运量的80%。

提高能源效率这一选择虽说也很吸引人，但在过去的10年里，汽车的节油效率几乎没有任何提高。而选择诸如甲醇和天然气一类在内燃机中燃烧的燃料虽说可以使成本相对较低，但却只能使污染和温室气体排放量略有减少(尤其是在各大石油公司每年花费亿万美金努力开发污染较轻的汽油配方的情况下)。

在未来的10年内，电动汽车(指靠电动机驱动轮子的汽车，而不是靠燃油驱动机械传动轮系的汽车)有可能显著减少城市污染和温室气体排放量。并且它们可以为一种最终几乎无污染的运输系统打下基础。尽管电动汽车的历史和内燃机汽车一样悠久，但最近的许多技术

发展(其中包括计算机革命和80年代的战略防御计划的副产物)却有可能使这种运输工具的效率和价格达到可以同燃油汽车竞争的水平。然而，要消除燃油驱动汽车牢固的优势，却还需要工业界和政府协调一致的努力，这样才能确保电动汽车的环保益处化为消费者具体实在

的电动汽车购买动机。

提高能源效率

“电动汽车”一词不仅包括靠家用电源充电的蓄电池驱动的汽车，而且还包括能在汽车上发电或能在除蓄电池以外的其它装置中蓄电的汽车。这类汽车的共同特点是一套高效的驱动轮子并在汽车减速时从汽车的运动中获取能量的电动机。相反，内燃机汽车所利用的则是一台持续转动的发动机，发动机的动力通过一系列的齿轮和离合器转化成动能，以驱动轮子和带动一台发电机，发电机为车内各种辅助电气设备提供电源。

由于各种原因与内燃机汽车相比，电动汽车效率更高，因而一般说来污染也较少。首先由于电动机直接与轮子相连，汽车处于静止状态或滑行时，电动汽车不耗费任何能源，这样就使能源效率提高了大约1/5。汽车减速时，再生制动系统便把电动机用作发电机，这样该系统就能使多达电动汽车动能的一半回归蓄电池，使之在“停停走走”的都市交通状况下具有很大优势。

此外，电动汽车的电动机能将90%以上的蓄电池的电能转化成动力，而内燃驱动汽车所利用的能量则不足一升汽油所含能量的25%。尽管电动汽车的蓄电池一般都是靠发电机充电(其能源效率平均仅为33%），但与内热驱动汽车相比，电动汽车仍然拥有5%的显著净优势。

诸如联合循环发电技术(该技术能从传统发电厂的废汽余热中提取额外的能量)一类技术发明不久以后将有可能使为电动汽车蓄电池充电的公用发电厂的能源效率提高到50%之多。这一提高将使得最终传递给电动汽车轮子的能量成比例地增加。靠“燃烧”氢来直接在电动汽

车上发电的燃料电池的能源效率则比上述公用发电厂还要高。

由于电动汽车改变了排放污染物的地点，它们还可以进一步带来减轻空气污染的好处，传统的燃油驱动汽车无论开到哪里，其排气尾管都会排出一氧化碳和其它污染物，而发电产生的污染一般都是产生在远离城市中心的一些燃煤发电厂或燃油发电厂。

由电池提供动力的电动汽车实质上可以消除一氧化碳和挥发性未燃尽碳氧化合物的排放，并且可以大大减少氧化氮的排放。在由肮脏的燃煤发电厂供电的一些地区，电动汽车只会略微增加氧化硫和颗粒物质的排放。而与现代电池和电动机制造有关的污染则可以忽略不计。

混合型汽车(将小型内燃发动机与电动机和蓄电池相结合的汽车)几乎可以将废气排放量减少到与电池驱动汽车一致的水平，事实上，在大部分靠煤发电的一些地区，混合型汽车有可能证明是更可取的。电动汽车对空气污染的影响将是非常有益的，当然，这是指在靠非

污染的太阳能发电、核能发电、风力发电或水力发电的地区。依靠上述发电的主要受益地区将包括加利福尼亚州(其大部分电力来自受到严格控制的天然气发电厂、零排放水力发电厂和核电厂)和法国(其大部分电力来自核能发电)。

这些环境上的益处有可能非常重要。美国的许多城市地区的空气污染比基于人类健康的空气质量控制标准所允许的要严重得多，并且在2000年时，大部分城市地区将继续处于违犯上述法规的状态。洛杉矶的空气污染极其严重，即使其所有汽车都从该市街头消失，该市也毫无可能达到上述环境污染控制标准。美国的其它许多地区几乎没有希望达到其环境污染法定标准，即使采用燃烧洁净得多的汽油和经过改进的内燃发动机。而在世界上的其它地区，在诸如曼谷加德满都和墨西哥城等大城市，空气污染则比洛杉矶还要严重。

蓄能是关键

当今市场上的电动汽车所依靠的都是铅-酸蓄电池，而这种蓄电池则都是通过标准的墙装插头充电。这类电动汽车不大可能独占市场。铅-酸蓄电池不仅价格昂贵，体积庞大，而且每充一次电仅够汽车行驶150余公里。然而，这一问题时常被夸大了。首先，短程汽车似乎有较大市场；其次，新型蓄电池现在也才在由试验阶段过渡到实际生产阶段。

笔者及其在加利福尼亚大学(戴维斯)的同事所进行的一项地区性调查表明，所有拥有一辆以上汽车的美国家庭(占美国家庭的大多数，其新车的购买量占新车购买总量的70%以上)中，约有一半很容易改变用车习惯而使用第2辆行驶里程在180公里以内的汽车。许多回答者还表示，愿意接受行驶里程比上述还要短得多的汽车。环境上的益处和在家充电的优势许多人很不喜欢到加油站加油)抵消了行驶里程短的弱点。

蓄电池在电动汽车上的作用很有可能日益缩小：目前正在开发一些取代蓄电池的技术装置，包括超级电容器(ultracapacitor)，它能蓄存大量电力，并能迅速充电和放电；飞轮，它能将能源蓄存在一个旋转的轮子中；以及燃料电池，它能将化学燃料转化成电力，同时排出水蒸汽。

超级电容器的早期研制多半应归功于战略防御计划的弹道导弹防御计划。普通电容器绝缘薄膜上的微小缺陷会使电荷漏泄，而先进的加工技术则可以消除这类缺陷。新材料可以使电容器的碳精电极和电解液的交插比过去精细得多。结果，超级电容器可以在I升的容积内蓄存约15瓦特小时的电能(足以驱动一台1马力电动机约1分钟)，而容量为一升的超级电容器可以3千瓦的速率放电。超级电容器目前己以小元件的形式问世，可用于电子计算器、手表和电动剃刀。

飞轮最初是在50年代开始用于交通运输工具。用飞轮驱动的公共汽车在瑞士伊韦尔东的街道上穿行，每停一站便补充其飞轮的能量。从那时起飞轮的设计有了重大改变，如今复合式飞轮的转速已高达每秒10万转，只是山于轮圈的抗拉强度才使转速受到了限制。磁浮轴承减少了摩擦，这样飞轮便能使其能量的90%维持4天。首批高功率超级电容器和飞轮很可能将在2000年前后出现在商品汽车上。由于它们能够非常迅速地提供动力。它们将会和蓄电池配合使用——蓄电池将满足基本的行车需求，而超级电容器或飞轮则将应付汽车加速时或爬坡时的负荷高峰。这种配合使用将使较小电池组件的应用成为可能，并将延长其使用寿命。

即使是对先进的能源蓄存技术的最乐观的估计也仍然达不到在一个38升（10加仑）的油箱这样大的空间蓄存2100千焦耳能量的水平，由于这一点，许多研究，人员预测，最流

行，最受欢迎的电动汽车将是混合型的，这种汽车虽是由电动机推动，但归根结底却是由给蓄电池、超级电容器或其它电源充电的小型内燃发动机提供动力。对于一般的小客车来说，公路行车的平均能量需求仅约为10千瓦，因此其发动机可以做得很小。在最低输出功率期间，对蓄电池进行充电，而在汽车加速期间，蓄电池则迅速放电。若以恒速行驶，则内燃发动机的能源效率可高达40%，这样混合型汽车总的能源效率甚至可以高于纯粹的电动汽车。

或许最有希望的选择将是燃料电池。许多研究人员都把它们看作内燃发动机最有可能的替代者，并且它们还是正在运作的“新一代汽车合作组织”（the Partnership for a New Generation of Vehicles)——美国联邦政府和三大汽车制造商之间的协作组织——关注的焦点。燃料电池燃烧氢而产生水蒸汽和二氧化碳，在产生电能时基本上不排放其它废物。(燃料电池的改进型也可以使用其它燃料，包括天然气、甲烷或汽油，只是废物排放量将因此而增加，而能源效率则会降低。)尽管燃料电池如今是作为宇宙飞船的能源而广为人知，但一种早期的燃料电池却是在1959年就开始应用在一台试验农用拖拉机上。90年代中期制成的实验性燃料电池公共汽车己经证明，这种技术是切实可行的，但成本仍然是最为关键的问题，质子交换薄膜(PEM）燃料电池是目前可用于装备汽车的最具吸引力的一种，仅仅几年以前其成本仍在每1千瓦10万美元以上。而据现在预计，其成本在世纪之交以后将仅为每1千瓦数千美元。在大批量生产的情况下。其成本或许将降到1千瓦100美元或以下，这样与内燃发动机的成本就差不多相等了。去年7月，戴姆勒-奔驰公司宣布该公司有可能早在2006年开始销售配有燃料电池的梅塞德斯牌汽车。

可持续发展的运输工具

就所有为汽车产生动力的方法而言，燃料电池大概是污染最小的。此外，从技术或环境的角度看，燃料电池最理想的燃料是氢。氢可以由多种不同的来源制取，而在矿物燃料变得更为稀有昂贵之时，氢则最有可能是利用太阳电池由水制取。若是太阳电池制氢法得到广泛采用，那么整个能源输送系统就会对环境近于无害并且能源还可以完全再生。相当于一升汽油的这类可再生氢燃料的价格想必不会超过1美元的水平。

除了动力源以外，在最近几年时间内，电动汽车技术各个方面的进展也已加快。蓄电装置和能源转换装置、电子控制、软件与村料等领域的一场技术革命正在开辟许多新的机会。例如，动力电子技术的发展己使得传动轮系的重量和成本仅为10年以前的同类产品的40%。直到90年代初期，实际上所有的电动汽车都还在依靠直流电动机，因为这种电动机用蓄电池驱动最为简便。然而，小而轻的变流器(能把蓄电池的直流电转换成驱动电动机的能源率最高的交流电的装置)的开发已使得抛弃直流电成为可能。与直流电动机相比。交流电动机更为安全可靠，更容易保养，能源效率更高，并且更容易适应再生制动。事实上，电动汽车的电动机连同动力电子设备如今可以制作得比类似的内燃发动机更小、更轻、价格更便宜。

    世界各大汽车制造商如今都在投资于电动汽车开发以及诸如汽车暖气设备制造技术和轮胎制造技术等非关键技术的改进。由此而产生的先进部件将成为未来占净高效的汽车的结构单元。而与此同时，其中许多正在开始应用于内燃驱动汽车。

    尽管90年代期间全世界的汽车制造商或许已投资10亿美元于电动汽车开发。但在汽车工业作为一个整体的背景下，这一投资数额还是比较小的。在美国，汽车工业单是一年内花在广告上的费用就在50亿美元以上，而花在研究与开发上的费用则比这还要多。而石油公司仅是为了改造炼油厂以生产配方改进的低排放汽油，这10年内在美国花的钱就达100亿美元左右。

迄今为止，上述投资的大部分都是在政府的压力下投人的。1990年加利福尼亚州正式通过了一项零排放汽车(ZEV)法规，要求各大汽车制造商在1998年以前至少使其所产汽车的2%做到零排放，2001年5%做到零排放，2003年10%做到零排放。(上述百分比相当于1998年以前一年约2万辆汽车的产量。)若是未能达到这一限额，每向市场少供应一辆零排放汽车，就要处以5千美元的罚款。此后不久，纽约州和马萨诸塞州也通过了与之类似的法规。

各大汽车制造商虽说强烈反对零排放汽车法规，但却迅速扩展了其电动汽车研究与开发计划，以免其向上述规定发动的反击可能失败，并防止在美国国内或国外可能真正出现电动汽车的市场。他们最大的抱怨是，这些法规迫使汽车工业提供一种昂贵的产品，却没有同

时向消费者提供购买这种产品的刺激，纵然地方政府、州政府和联邦政府正在颁布这类刺激。

去年3月，加利福尼亚州当局屈从了汽车工业和石油工业的压力，取消了为1998年和2001年规定的限额，只保留了开始销售电动汽车的承诺以及为2003年规定的最终目标。工业界分析家预计，不到世纪之交之后，美国的电动汽车总销量不会超过5千辆。

一个关键的因素决定着电动汽车会不会成功，那就是它们的价格。然而，其价格至今还是难以确定的。通用汽车公司新推出的EV1标价为3.3万美元；而Solectria公司则将其小批量生产的电动汽车的销售价定在3万-7.5万美元之间，具体价格取决于蓄电池配置。(能使汽车行驶320公里以上的氢化镍蓄电池使价格比铅蓄电池汽车高近4万美元。)管理过程的对立的实质已促使电动汽车的支持者和反对者作出的估计高或低得与事实不符。因此，不到大批量生产的时候，根本无法确知电动汽车的实际价格。然而，与其它产品(包括传统汽车)的价格史的比较表明，大批量生产有可能使电动汽车的价格降低到大大低于现价一半的水平。

一条不明的道路

面对着电动汽车生产不可避免的趋势，汽车制造商正在设计新的战略，以生产出廉价的电动汽车。许多汽车制造商(包括欧洲的标致汽车公司)只是把发动机、油箱和传动装置从现有的燃油驱动汽车车体上除去，再加上只作了最少改进的蓄电池、控制调节器和电动机；而其它一些汽车制造商(包括福特汽车公司)则正在向规模较小的汽车改装公司出售“滑行汽车”(未安装驱动部件的汽车车体)，后者买下后再给它装上电动机。第三种战略则是瞄准正在出现的短程城市汽车的市场，把汽车造得非常小巧，如梅塞德斯汽车公司的“灵巧”牌汽车(人们普遍称之为“样板汽车”)。在所有各大汽车制造商中，只有通用汽车公司至今还在倾力于完全是为电力驱动设计的普通汽车的大批量生产。

蓄电池(以及燃料电池)的成本或许永远将使电动汽车的省价高于类似的燃油驱动汽车。然而，按每一公里计，电动汽车的成本最终将与内燃汽车大致相等。电动汽车的燃料便宜，保养费用最低，并且似乎电动机的寿命比燃油发动机长得多。而把空气污染、温室气体和其它市场以外的要素的代价(即社会如今普遍必须付出代价的因素)考虑进去，则在许多情况下电动汽车都将胜过燃油驱动汽车。

政策制定者和参与市场买卖者所面临的难题是要确保消费者把这些代价全都考虑进去，这一目标至今尚难达到：在加利福尼亚州，强有力的空气质量执法机构已将潮流引向电动汽车，然而由于汽车制造商和石油公司的强烈反对，这一进程已经放慢。在全国范围内，对“新一代汽车合作组织”的早期希望已因资金不足、政治混战和过分谨慎而归于破灭。作为这场内在冲突的结果，准备在2004年制成的电动汽车显然其设计将在1997年确定，使得这种合伙关系很可能只接受最小的点滴改进，而不是带头推广燃料电池和其它一些全新的技术。

然而，看来可以肯定的是，电力驱动技术终将取代内燃发动机，这一取代或许既不会很快，很一致，也不会完全彻底，但却是不可避免的。问题在于什么时候开始，以何种形式进行或如何控制这一过渡。或许从当今形势得出的一条最为重要的教训是，政府应在她所最擅长的事务上有所作为­——提供广泛的市场刺激，使诸如污染等未计入的成本代价回到消费者和企业的经济核算中去，把资金投注在创新技术和前沿技术的开发上，而不是去资助那些私营企业反正都会去干的工作。

电动汽车的出现有着重大的经济意义。谁率先实现成本上有竞争力的电动汽车技术的商品化，谁就能抓住全世界的出口市场。在污染严重而难以控制的地方，在人们更看重安全可靠性和低保养费用而不是汽车的峰值性能的地方，在非用电高峰期可以获得廉价电力的地

方，在石油配给投资不大的地方，电动汽车将具有吸引力。事实上，若是美国和其它主要工业国不采取行动，那么下一代自立的汽车巨人就很有可能崛起于发展中国家，尽管那里的汽车如今为数不多。

〔郑小石/译；郭凯声/校〕