新能源汽車經(jīng)歷了怎樣的三生三世？

本文轉自 知乎

汽車電氣化其實主要分為四階段：蒸汽機汽車-電動汽車階段（1881-1885）、蒸汽機汽車-電動汽車-燃油汽車并行階段（1885-1925）、燃油汽車獨霸階段（1925-1960）、電動汽車再次復興-其它新能源技術涌現(xiàn)-影響燃油汽車階段（1960-現(xiàn)在）  ，這篇文章就全面回顧一下汽車電氣化的四段發(fā)展歷程。

1）蒸汽機汽車-電動汽車階段（1881-1885）

——在這一階段，燒汽油柴油的內(nèi)燃機汽車，還沒誕生呢！

其實說來說去，汽車里的元老應該是用蒸汽機汽車，第一輛實用的原型車是Richard Trevithick在1800年左右發(fā)明的，還算是具有一定的實用性。該類汽車在后來曾經(jīng)與電動汽車一起繁榮過，在下一部分會說。  

另外一句題外活，漢語“汽車”中的“汽”字，就是從蒸汽機來的喲~

Sylvester_Roper_steam_carriage_of_1870 

其實還是電動汽車可能大家更感興趣一些：

19世紀里，在電池-電學領域的幾大重要發(fā)展標志性事件為：

• 伏打在1800發(fā)明了銅鋅電池（可以讓青蛙腿發(fā)生反應）

• 法拉第在1831發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象

• 1835年Francis Watkins在倫敦展出了一個小的馬達?！?strong>到這里，電池，電機都有了。不過電池還不能充電。   

• 第一輛能在路上跑的車是愛丁堡的R.Davidson杰作，發(fā)明于1873年，其使用的是一次的鐵鋅電池。注意啦，這樣的電動汽車不能充電。

• 重要事件?。。。?strong>Gaston Plante在1859年發(fā)明了鉛酸電池，對，就是大家現(xiàn)在電動自行車，汽車里用的啟動電瓶，最常見的那種。鉛酸電池的出現(xiàn)可以說對人類文明的進步起到了至關重要的推動作用——它是二次電池，即可充可放電，因此人類使用能源，尤其是電能的方式有了質(zhì)的突破。  

后來我們使用的各種充電電池技術，都或多或少的參考了鉛酸電池這個儲能電池里的“祖宗級技術”。

不僅如此，鉛酸電池從誕生到現(xiàn)在，其結構與原理一直沒有什么實質(zhì)性變化，當然這是因為電化學學科的特殊性決定的。  

伴隨著鉛酸電池的使用，使用鉛酸電池的可以充電的電動汽車就誕生了。 

1881年，法國的G。 Trouve就用Plante發(fā)明的鉛酸電池發(fā)明了第一輛可充電的電動汽車，這個車型是三輪車，用了兩人個西門子的馬達，車重是160kg，時速可以達到12km/h（嗯，速度挺慢的）。而在1882年，英國的William Ayrton發(fā)明了性能更優(yōu)的鉛酸電池驅(qū)動的電動汽車，大概是裝了1.5度電的電池，可以有最大40km的續(xù)航里程。

而且，鉛酸電池一直伴隨著汽車的發(fā)展，使用到了現(xiàn)在，當然可能不一定是做為主要動力源——更多的是用在燃油汽車啟停電源上，為什么用鉛酸，鋰電目前還用的少。而鉛酸其實也一直在純電動汽車領域里占有重要的位置，尤其是低速電動車領域，原因無它，便宜。

扯了一堆鉛酸電池，回到汽車正題：注意了：這會兒比Carl Benz發(fā)明燃油汽車（1885）還早好多年呢。在接下來的幾年里，比利時，美國等國都 開始開發(fā)電動汽車，但是性能也都差不多，時速20km/h左右，續(xù)航也遠不了（幾十公里），比現(xiàn)在的電動汽車性能要差的多。但是這些電動車有照明能力，而且逐漸車型也有了現(xiàn)代汽車的雛形，比如四座，各種其它功能等。而且電動汽車也開始在實際市場中有了應用，比如出租車（市內(nèi)通勤，短距運輸，頻繁停/啟，還有機會充電）。  

其實說來說去，這些特點與現(xiàn)代電動汽車的應用風格很像。    

2）蒸汽機汽車-電動汽車-燃油汽車并行階段（1885-1925）   

——三足鼎立的時代  

蒸汽機汽車在1880-1920年間改進也很大，這與電動汽車的進步，燃油汽車的進步其本是同時的。因此這個階段是三種汽車并行階段。  

大家知道，燃油汽車是卡爾·本茨于1885年發(fā)明的，第一輛是以汽油內(nèi)燃機為引擎三輪汽車。但是當時的燃油汽車技術簡陋，燃油汽車性能很差——本茨的汽車總是拋錨，被別人冷嘲熱諷為“散發(fā)著臭氣的怪物”，直到后來他老婆開著車去了一百多公里外的探望親戚，才逐漸讓大家開始認可。

一開始內(nèi)燃機相關技術還很不成熟，燃油汽車的平順性很差，噪聲，排放，顛簸都是大問題。而電池驅(qū)動的電動汽車則要好的多——電動汽車先天平順性好，噪聲?。ìF(xiàn)在也是，開過你身邊聲音有點像幽靈，哈哈）。而電動汽車技術也在不斷發(fā)展，隨著技術的提升——比如1899年， Jenatzy讓自己的電動車時速提升到了98km/h。在1900年，美國汽車市場上，電動汽車數(shù)目比燃油汽車、蒸汽機驅(qū)動的機車都要多。  

在接下來的時間里，雖然燃油汽車也在不斷發(fā)展，但是電動汽車的底子好，技術舒適性好，因此電動汽車一直是市場的主流。1912年，美國電動汽車達到峰值30000輛。  

但是在這個過程中，燃油汽車技術也在不斷進步，競爭也在不斷繼續(xù)。燃油汽車在這幾年中發(fā)展出了自動啟動器，消音器等設備，這些發(fā)明極大的提高了燃油汽車的舒適度。在接下來的幾年中，燃油汽車技術進步很快，成本下降也快——1912年時，MODEL T（燃油）賣550刀，而電動汽車CENTURY ELECTRIC ROADSTER（嗯，現(xiàn)在的特斯拉的初款車也是這個名字）要賣1750刀。而且就在這個階段，也已經(jīng)有了油-電的混合車型（WOODS GASOLINE ELECTRIC，1916）。而在一次世界大戰(zhàn)中，燃油汽車開始了大規(guī)模使用，而且在戰(zhàn)場中表明了其性能的穩(wěn)定性。   

當然了，一大關鍵原因仍然是燃油汽車因為化石燃料先天的高能量密度帶來的續(xù)航上的競爭力，這也是現(xiàn)在電動汽車一直被詬病的核心原因。    

而在此過程中，電動汽車并沒有多少技術進展，成本還要高，因此市場規(guī)模不斷萎縮。在1920年代，電動汽車生產(chǎn)廠商要么破產(chǎn)，要么開始轉過頭來做燃油汽車。電動汽車行業(yè)開始了凋零……蒸汽機汽車也是一樣的慘淡，因此進入了下一個階段——    

3）燃油汽車獨霸階段（1925-1960）   

——沒啥太要解釋的，蒸汽機汽車和電動汽車都幾乎要淡出舞臺了  

在這個階段，就是燃油汽車大發(fā)展，全世界廣泛應用，電動汽車，蒸汽機汽車也逐漸淡出了舞臺。  但是也有幾個有趣的例外：A）日本——戰(zhàn)時油料管制，所以二戰(zhàn)期間電動汽車用的比較多。B）在一些地區(qū)局部應用領域，電動汽車仍然用于一些近距運輸用途。  

在這個階段，燃油汽車技術不斷發(fā)展完善，世界石油供應充足，大家還不關心環(huán)保，電池等新能源技術也沒有明顯進步；而蒸汽機汽車因為使用的是外燃機技術，效率先天殘疾……打不過內(nèi)燃機，自然汽車幾乎完全是以燃油汽車為主了。  

比如二戰(zhàn)中美帝的各種吉普車：

——多因素下，電氣化、新能源化、甚至智能化等新趨勢，影響汽車行業(yè)發(fā)展  

二戰(zhàn)后，從60年代開始，電動汽車開始重新受到注意，汽車電氣化逐漸重新受到重視。大型汽車公司很多都開展了對于電動汽車的研發(fā)（GM，F(xiàn)ORD等），當然大都是基于燃油汽車改裝成電動汽車的。  

實際上在60 年代，電動汽車的重受關注，一大原因就在于很多城市已經(jīng)飽受汽車尾氣造成的霧霾的困擾。 比如在1940年代，美國加州尤其是洛杉磯地區(qū)就受到了嚴重的霧霾影響； 1959年，加州公共健康部（Department of Public Health）出臺首部州立空氣質(zhì)量標準。立法機關也同時成立了加州機動車污染管理委員會（California Motor Vehicle Pollution Control Board，簡稱CMVPCB） 。那個時候的汽車排量大（美式肌肉車），排放標準也只是開始逐漸開始嚴格起來?！恢钡浆F(xiàn)在，加州也是新能源政策和實際舉措方面最為激進的地方，不管怎樣，對于志在發(fā)展新能源事業(yè)的中國來說還是很有參考價值的。  

從加州的跑題回來——1973年的第一次石油尾機讓大家深切感受到了石油可能會不夠燒的恐懼，因此低排量化、輕量化、電氣化等方向開始影響汽車領域，而相關的材料、電力電子（各種半導體技術）、二次電池、燃料電池的發(fā)展也得到了更多的支持和重視。（并且一直到現(xiàn)在，這些行業(yè)也受到了很大的重視，被認為是能源領域的關鍵發(fā)展技術，有學子想深造可以考慮：））這些技術的發(fā)展不斷積累，后來產(chǎn)生了很多成果，逐漸影響了汽車領域的發(fā)展格局。   

因為筆者是材料-能源背景，介紹幾個自己比較熟悉的成果。  

1、燃料電池汽車-燃料電池的誕生可以追溯到1801年，但是第一輛燃料電池現(xiàn)代汽車是一量Allis-Chalmers農(nóng)場拖拉機，其由15KW的燃料電池驅(qū)動。1966年GM則推出了第一輛上路的燃料電池汽車Chevrolet Electrovan，用的是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），續(xù)航里程有120英里。 

到了1970-1990年代，很多車企雖然對燃料電池技術有興趣，也一直在開發(fā)相關技術。但是燃料電池汽車想用好，涉及到了很多技術，比如電解制氫、高壓儲氫、燃料電池貴金屬用量控制等，因此一直實用化進展不大。而實際上即使到現(xiàn)在，燃料電池的這些技術雖然有了不少進展，技術壁壘仍然很大，需要攻克的東西很多，因此燃料電池汽車的推廣還是受制于技術，并不容易。  回到時間發(fā)展線：經(jīng)過不斷的研究，進入21世紀后，儲氫技術取得明顯進步；燃料電池的技術也不斷提升，貴金屬用量方面有了下降。在這樣的背景下，燃料電池汽車開始取得了商用化的進展。比如 本田的FCX Clarity 概念車（ 2008），GM（GM HydroGen4），現(xiàn)代（Hyundai ix35 FCEV  ），戴姆勒（ Mercedes-Benz F-Cell ）也都推出了自己的燃料電池車。

當然在燃料電池車里必須要說到日本豐田的MIRAI（2014）以及本田的CLARITY（2016），兩款車可以說性能有些接近。當然了燃料電池相關技術日本人做的幾乎是頂尖水平，汽車工業(yè)實力雄厚，因此燃料電池汽車在日本先有突破也不值得奇怪。   

燃料電池的相關技術具有很高的技術含量以及很重要的綜合意義，燃料電池技術對于未來的能源愿景將是非常重要的組成部分。當然了能有多大的份額占比還是要看技術進步的速度，這是筆者作為技術人員的一貫觀點。    

2、電池技術—混動汽車/純電動汽車 其實就是電氣化，讓油電靈活配合，甚至是完全把油取代只用電，而在此環(huán)節(jié)中，核心技術之一就是電池  

A）首先第一個重要的角色是鎳氫電池（ Nickel–metal hydride battery）  

這種電池的研發(fā)始于1967年，然后在70年代受到的重視增多，1989年第一款消費者用的鎳氫電池問世。  

鎳氫電池的主要優(yōu)點是功率、能量、壽命、安全等性能比較均衡。在20世紀末，鎳氫電池用在了很多企業(yè)的純電動車型。當然了，讓鎳氫電池真正大放異彩的，必需要提豐田的明星混動PRIUS。

這款車在2017年全球銷量已經(jīng)破千萬?。。?！其厲害之處當然就在于混動車帶來的極佳的燃油經(jīng)濟性。電池負責回收制動回收能量，并且可以在起步階段介入，盡可能減少發(fā)動機在低速區(qū)的工作占比。在這個過程中，鎳氫電池優(yōu)秀的綜合性能自然功不可沒。  但是隨著電池技術的發(fā)展，人們發(fā)展純電動車需要追求能量密度與續(xù)航，后起之秀鋰電池開始崛起受到更多的重視。因此鎳氫電池目前主要局限于混動車型，在純電動領域其本已經(jīng)讓位于鋰電。  

B）第二個要介紹的自然是鋰電了  

鋰電誕生必須要提到兩位大神：  

1、吉野彰先生。 1985年發(fā)明了C/鈷酸鋰電池體系。 

所以這么算來，鋰電其實在電化學領域是個年輕人，屬于“80后“，但是實際上，鋰電工作的原理仍然沒有擺脫電化學最為經(jīng)典的理論體系。雖然近來似乎有些新技術，但是總體來說現(xiàn)在電化學學科其本的原理一直沒有變過，這可能也是電池技術進步速度不是那么快的一個原因吧。

鋰電池始于LICO2-C的體系——對的，大家現(xiàn)在手機里用的仍是這種電池，只不過是經(jīng)過優(yōu)化綜合性能更好了。然后經(jīng)過努力，磷酸鐵鋰正極、錳酸鋰正極、三元材料正極、鈦酸鋰負極，以及其它更偏科研導向的材料（此處略）陸續(xù)被推出，鋰電池的性能也不斷走高。  

鋰電池受到重視的一個關鍵原因就在于其工作電壓高（3.7V上下），相應的也就帶來了較高的能量密度，以及相比于低電壓電池更少的用量以及成組上的簡便性。（其它電池各種1~2V電壓，心累……）而且其有多個反應體系，有反應速率快的，也有能量密度高的……反正可以搭配出幾條技術路線，各有優(yōu)劣（當然也各有扯皮……）而鋰電池近年來快速發(fā)展，尤其是在純電動汽車領域里獨霸的主要原因自然還是在于能量密度高，高于其它大多種類的二次電池。  

當然了，我們對于鋰電池寄予厚望，尤其是在能量密度提升方面——追求續(xù)航，此時三元材料可能是現(xiàn)階段比較好的出路。而功率方面鋰電池經(jīng)過材料選擇與優(yōu)化，結構設計，也是可以達到不錯性能的，但是注意：盲目追求快充是不可取的。  

參考：光說幾分鐘充滿，其它性能都不說的快充技術，都是耍流氓 - 知乎專欄  但是目前鋰電池也有幾個問題：能量密度提升速度落后于預期，成本下降速度落后于預期，安全方面也不能讓我們滿意，MODEL X 還剛剛燒了一輛。不過話說回來——鋰電不行，其它電池綜合性能更差——所以還是加大研發(fā)投入力度，多一點理性來發(fā)展電動汽車行業(yè)吧。   

C）說說鋰電技術支撐的幾種車型   

主要是插電混動（PHEV），增程式（ EREV ），純電動（EV）。  

——插電混動（PHEV）  插電混動就是帶上電池，還可以給電池充電，油電可以混動的車型啦。比起普通混動HEV，它電池帶的更多，比純電動EV，它可以燒油。  

剛才我自己搜了一下都下了一跳：雖然之前很多企業(yè)都有過對于插混汽車的研發(fā)，有過不少原型車（比如裝了一堆鉛酸的PRIUS+），但是世界上第一款大量生產(chǎn)的插電混動是BYD在2008年推出的F3DM（純電里程60KM，總里程480KM），而GM的大名鼎鼎的BOLT是在2010開始生產(chǎn)的，看來這方面中國人還是走在了世界的前面呢…………

在接下來的幾年里，各種PHEV車型都涌現(xiàn)，主要有三菱的PHEV歐藍德，PHEV版普銳斯（普通版多加電池……），當然了還有BYD的秦，唐。在之前幾年，全球范圍PHEV的銷量一直是高于純電動EV的。截止到2016年低，全球PHEV保有量已經(jīng)達到了80萬量。但是這幾年純電動EV的增勢也很猛，大有超越之勢。  

至于未來的發(fā)展，我覺得一要看電池技術的進步，二要看政策支持的情況咯（北京不上插混牌，上海上牌，造 成的區(qū)別就可見一斑啦）

——增程式（ EREV ）  

增程式電動車也要燒油，但是它燒燃料是用來帶動發(fā)電機來給電池充電的，而不是利用其直接帶動內(nèi)燃機來驅(qū)動汽車，因此“增程”也就是利用“燒油”來為電池電動機補充電量。增程式電動車的電池裝載量一般也不少，與PHEV差不太多（有幾十KM的純電續(xù)航）——相應的，也需要能夠給這些電池直接從電網(wǎng)充電，因此這些能充電的EREV也是PHEV。 此外還要補充一點，就是用燃料電池來提供增程電力的車，實際上也可以算作EREV。   

EREV需要電池能夠支持足夠的功率和續(xù)航里程，因此對其性能要求也比較高，這一點上仍然和PHEV很像。因此目前也只有鋰電技術相對更為適合。而對于磷酸鐵鋰和三元來說，其實在這個場合，能量密度要求不算特別高，磷酸鐵鋰劣勢并不大，不像純電動里面我們必須努力追求最高的續(xù)航。  

EREV主要有兩款有影響力的車： 通用的VOLT以及BMW的I3。VOLT的概念車于2007年北美國際汽車展上推出，在2011年開始在美國出售，并在15年已經(jīng)有了第一次升級改款，燃油經(jīng)濟性非常不錯。  而BMW的I3名氣就更大，在中國也比較多一些（我們學校里就能看見）。I3來自于BMW的 I 計劃（始于2011年）， 主要是為了建造一條新的插電混動的產(chǎn)品線。I3本來是純 電動（有60AH/90AH的鋰電），續(xù)航大概是160KM，但是可以通過追加增程式發(fā)電機來為增加里程，可以達到300KM左右的續(xù)航。在2015年11月，I3的非增程版當時位列全球純電動銷量第三。而16年7月時，全球I3銷量已經(jīng)達到了50000量，是一個非?？捎^的數(shù)目。  

說句題外話，I3是寶馬近幾年來車型中少有的比較有個性的一款（我喜歡這車的設計，哈哈，純主觀感受。）

EV完全不依靠傳統(tǒng)的內(nèi)燃機，就靠電池+電機來驅(qū)動汽車，因此這對于汽車設計，能量供應都提出了很高的挑戰(zhàn)。因為電池能量密度總是不夠高，因此飽受里程焦慮困擾的EV都把輕量化-電池高能量密度化做為核心發(fā)展方向。

因此鋰電在EV里接近一統(tǒng)天下就不足為奇啦，而三元最火也就很好理解了。

現(xiàn)代的電動汽車的真正重新興旺始于1990年代，那時美國加州制定了很多關于排放的政策，其中比較有名的一項就是追求 ZERO EMISSION VEHICLES 零排放汽車。為了達成這個目標，以及在污染，石油等因素的影響下，幾大汽車公司都開始開發(fā)純電動汽車，主要有：Chrysler TEVan， Ford Ranger EV， GM EV1， S10 EV， Honda EV Plus ， Nissan Altra EV， Toyota RAV4 EV。 當然這些車型大家現(xiàn)在一看都會懵——他們最后都掛了，但是相應的也積累了經(jīng)驗，加之后來電網(wǎng)、電池、電控等技術的成熟，在它們的研發(fā)基礎上，逐漸誕生了實用化的純電動汽車。

比如TESLA的第一款電動車  Tesla Roadster  于2008年問世（前面說了，名字也是為了呼應老前輩）。這款車不能算太成功，但是卻為后來的MODELS 的大放異彩鋪平了路。關于MODELS，使用NCA電池，相關的介紹已經(jīng)很多啦，在此不展開。Tesla Motors 為什么不使用以磷酸鐵鋰為正極材料的鋰離子電池？  

而另外一個特別要說明的則是NISSAN的LEAF，其一直是世界上最暢銷的電動車型，在2015年12月累計銷量達到了20萬輛。該車型一直使用的是LMO體系的鋰電池，而且日產(chǎn)還為車主提供了更換電池（要花錢）服務。此外，換下的電池還被積極的用作儲能試點，可以說這是動力電池很重要的一個發(fā)展方向——梯次利用與回收。  

而在這幾年中，中國的純電動車也在快速崛起，三元VS鐵鋰之爭好戲不斷，出現(xiàn)了很多重要車型，比如EV200，BYD E5/E6， DENZA，吉利帝豪，江淮IEV等等。可以說技術的進步與政策的推進共同導致了中國純電動汽車行業(yè)的繁榮，但是未來會怎樣呢？拭目以待吧。

結語

關于汽車電氣化的未來，我覺得很大程度還是要看核心技術——電池，電控等技術的發(fā)展速度。如果技術不能有質(zhì)的突破，那真想支持純電動汽車大規(guī)模取代燃油車應該是比較難的。對于現(xiàn)在的技術水平，混動相對比較實際。

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