电动汽车的未来
发布于2022-08-25
电动汽车应该是未来的潮流——但未来是否已经到来？ 过去两年汽车整体销量因疫情和随之而来的芯片短缺而下滑，但电动汽车销量一直在上涨。2020年全球在电动汽车上的支出为1200亿美元，是2019年支出的两倍多。2021年全球售出超过600万辆BEV（电池电动汽车）和PHEV（插电式混动汽车），几乎是前一年的两倍。在汽车市场整体低迷的情况下，中国的电动汽车销量比上一年增加了一倍多。环境保护、消费者需求以及政府法规共同刺激了电动汽车的繁荣。
某些预测表示，全球电动汽车销量仅下一个十年就可能会增长10倍之多。几乎所有主流电动汽车制造商都宣布了未来几个月和几年内提高产量的计划。接下来，摆在电动汽车面前的问题很简单：其销量需要多长时间才能超过标准内燃机汽车销量，哪些因素会支持或抵制这种转变？ 本文将探讨电动汽车技术快速发展的一些方式，以及电动汽车技术在汽车行业完成向全电动过渡之前需要克服的一些困难。
电池/智能充电
自2015年以来，锂离子电池一直是电动汽车的标配，但该技术也在不断发展。一些电动汽车开发商正在对电动汽车电池的内部化学物质开展试验，以期减少依赖锂电池所必需的一些稀有材料（如镍和钴）。其中磷酸铁锂电池表现出了巨大的潜力，一些电动汽车制造商巨头已将其标榜为下一代电动汽车电池技术。
正在开发的锂钠电池能够在低温条件下提供可靠的性能，而锂电池则不耐受低温环境。此外，固态电池也在开发之中。尽管能量密度不足仍是固态电解质技术需要克服的障碍，但固态电池可提高稳定性。
正在开发的碳基电池尚处于早期阶段，尚未跳出小型车辆和电动自行车市场，目前还无法满足电动汽车的需求。虽然目前大多数电动汽车电池组为追求重量轻且具延展性的特征而采用铝封装，但一些制造商正在对复合材料制成的外壳开展试验，以期进一步减轻重量并提高整体安全性（在某些电动汽车型号中起火的损坏锂电池也记录在案）。
随着电动汽车的普及，必须提高它们的充电能力才能满足需求。虽然电动汽车目前仅占全球汽车不足1%，但当这个数字攀升至两位数时会发生什么？ 我们的电网能否支持如此巨大的资源需求？ 智能充电站可根据一天中的不同时段来改变充电负载，从而帮助缓解这种资源消耗。
在主要大都市地区之外很难找到智能充电站。但是，它们能够通过用户管理的充电 (UMC) 或供应商管理的充电 (SMC) 实现非高峰时段汽车充电。SMC充电根据以下几个因素确定何时为电池充电：当地电能消耗和电网的相对压力。当电网上的耗电量较低时，即夜间，SMC充电器会增加充电负载，然后在次日早晨再降低充电负载。
对于UMC，充电器将根据当时的相对电价，以分时电价为电池充电。如选择此选项，用户可以在高峰时段支付更多费用来为他们的电动汽车充电，而不是等到非高峰时段。SMC充电还将考虑电价和在同一电网上充电的其他电动汽车的SoC（充电状态），以优化电能分配。有人估计，到2030年，电动汽车充电市场将超过2000亿美元。
电动汽车普及的阻碍
尽管电动汽车销售和预测势头强劲，但全球从燃油汽车过渡到电动汽车仍然困难重重。电池充电时间仍然是电动汽车普及的一个重要因素 - 使用2级（240伏）充电站为60kWh电池充电可能需要长达8小时，这是私家充电桩最常见的充电器类型。直流快速充电站可以在30-45分钟内将电动车充电到大约80%，但可能不容易找到，而且鉴于成本或市政法规等原因大多数人无法在家中安装这样的充电站。在更广阔的欠发达地区，需要建立更多的充电基础设施，才能让电动汽车与燃油动力汽车开展竞争。道路上的电动汽车数量要超过内燃机汽车，电池充电时间和便利性可能是最重要的决定因素。
电池组技术的持续发展（图1）面临着另一个重大阻碍：制造电动汽车电池的原材料可用性。尤其是钴，在全球范围内都是供不应求。如果电动汽车销量在未来十年达到很高的预期，那么电动汽车的电池组技术很可能需要转变，不再依赖上述稀有材料。
图1：电动汽车电池和传动系统。（图源：chesky/Adobe Stock）
电池与改进的电池技术并不是电动汽车销售的唯一关键因素；为支持更多电动车上路，还需要建立电能分配基础设施，从而需要众多的电能储存站。与加油站一样，需要在建筑群、停车场、社区以及购物或餐饮场所附近提供电动汽车所需的大型储能电池组。结合太阳能发电，这些设施将不会依赖传统电网。这些设施可部署为模块化自给设施，或许可将现有的众多加油站替换为电力设施。
如此大规模的新电池技术建设还将提出不同于电动汽车电池的其他要求。重量、充电时间和能量密度等属性可能不再如此重要——成本、可靠性和电池寿命将成为更重要的因素。使用电动汽车电池所需的相同关键材料可能是建设必要基础设施的重大阻碍。镍和钴等电动汽车关键材料的替代品必须满足限制更少的要求。我们需要克服这一重大困难。碳基电池加上太阳能效率的提高或许能克服广泛部署电动汽车的阻碍，以及有助于建立让太阳能全天候发挥作用的必要基础设施。
投资与激励
世界各地的地方、州（省）和联邦政府（中央政府）制定了各种法规和激励措施来加速电动汽车的推广。最流行的激励措施之一是抵税——购买电动汽车的消费者有资格获得金额不等的抵税（通常为四位数），以抵免他们在该财政年度的税金。抵税金的大小因地而异，但美国、欧洲和亚洲的部分地区已实施电动汽车抵税措施，尽管其中一些措施已于2020年底到期。
在中国，电动汽车不像燃油车那样有基于污染控制的驾驶限制；与内燃机汽车不同，ZEV（零排放汽车）可以随时出行。一些欧洲国家已免征电动汽车的本地进口税和增值税，允许电动汽车进入专用公交车和拼车/通勤车道，并提供公共场所停车与渡轮费用折扣。考虑到这些激励措施，在某些欧洲国家拥有一辆电动汽车的成本可能与拥有一辆类似尺寸的内燃机汽车不相上下。
新西兰同时采取电动汽车返利与碳排放费措施，也称为“节能补助”，以激励其民众购买电动汽车。汽油价格上涨可能会进一步刺激购车者转向电动汽车。
世界范围内还出台了诸多法规以支持增加对充电基础设施的投资。英国于2019年通过了一项法律，规定到2025年所有加油站都必须配备智能充电站（图2）。在美国，立法者通过了一项价值75亿美元的充电基础设施法案，旨在缩小全国充电能力方面的显著地域差距，使得驾驶电动汽车长途旅行更加可行。另一些国家也通过了要求所有新建商业和办公楼建筑开发项目都必须包括充电站的法规。
图2：快速充电站（图源：Sundry Photography/Adobe Stock）
结语
尽管很难确定，但据估计，目前全球上路的电动汽车（包括BEV和PHEV）总量在300至400万辆之间。国际能源署 (IEA) 预计，到2030年，这一数字将激增至1.25亿，这主要是由于全球有更多有利于电动汽车的政策和监管环境。在中国和欧洲，随着抵税与补贴、限制性排放标准和化石燃料税等措施的实施，预计到2030年，电动汽车将占整体汽车销售市场的25%左右。只有电动汽车的电池充电时长更短，充电频次更低，上述预估才有望成为现实，此外，还需进一步发展充电基础设施。电动汽车制造商必须意识到与地理位置相关的不同类型电动汽车的优缺点——在人口更密集、城市化程度更高的环境，纯电动汽车的销量往往更大，因为在这些地区更容易找到充电站。与此同时，插电式混动汽车在更偏远、人口更稀少的地区更为普遍。
区分BEV和PHEV购买者的不同需求将意味着要根据特定要求定制电动车电池技术，即，对PHEV而言，可牺牲尺寸和重量来提高能量密度与延长电池寿命。尽管电动汽车的电池技术目前在各种车型和制造商之间相对同质化，但未来将更加分散。不同的环境将需要不同的电池和充电技术形式，开发者之间为提供更短充电时间和更长电池寿命而展开竞争对消费者来说是件好事。