混合动力汽车为何消失80年?

混合动力汽车消失了80年,因为问题不在技术,而在经济:20世纪初,费迪南德·保时捷的 Lohner-Porsche 驱动系统功能完善且成熟,但电池的重量、电网的缺失以及尤其廉价的汽油,使混合驱动在几十年内商业上先天夭折.直到1997年,石油危机、排放法规和镍氢电池的成熟在同一时刻交汇,这一理念才重获新生.

首款混合动力汽车并非丰田普锐斯:追溯至1900年的脉络

混合驱动的故事,与大多数人的想象恰恰相反,并非始于20世纪初,而是19世纪末.费迪南德·保时捷 于1893年18岁时 进入维也纳的Béla Egger & Co.电气公司时,手里还没有正式的工程学位;他是维也纳技术大学的兼职学生.但正是在这家公司内,他开发了第一个电动轮毂电机——而这款电机将成为整个故事的基石.

1898年,23岁的他在Jacob Lohner的工厂生产出首批车辆:前两轮装有轮毂电机的纯电动原型车.每个电机 输出2.5–3.5马力 ,短时间内 可提升至7马力.这套被称为"System Lohner–Porsche"的装置在欧洲引起了媒体的高度关注, 1900年巴黎世博会上展出了第一辆Lohner-Porsche Electromobile: 功率为2 x 2.5 PS , 最高时速可达37 km/s .

有趣的是,Lohner选择电力驱动的理由与今天完全吻合:城市的空气"正被使用中的大量汽油发动机无情地污染".一百二十年前,对排放的担忧就已位列混合动力诞生的原因之中.

Semper Vivus与Mixte:串联混动原理如何诞生

纯电动汽车最大的弱点是续航里程,而保时捷为了解决这个问题,构建了今天我们所说的"串联混动"结构. 1900年 他设计的 Semper Vivus (拉丁语意为"永生")是世界上第一辆功能完善的混合动力汽车:它不依赖电池,而是用一台内燃机驱动发电机,产生的电力直接输送给轮毂中的电机.汽油发动机从不与车轮机械连接;其唯一的任务就是发电.

可量产的版本 于1901年问世,名为Lohner-Porsche "Mixte" 以此之名诞生.Porsche凭借Mixte 赢得了1902年Exelberg拉力赛的冠军; 1905年, 电池驱动赛车 以2 x 30 PS 达到了 超过130 km/h 的速度.这一表现并非空洞的工程展示:Porsche 于1905年凭借奥地利最成功的汽车工程师身份获得了Pötting奖.技术局面很清晰——系统是有效的.

为了证明串联混动的强大潜力,历史后来又提供了两个证据.波音和NASA曾研究过Lohner-Porsche设计,用于阿波罗计划的 Lunar Roving Vehicle月球车;而串联混动概念如今仍是许多现代轨道机车的基础.也就是说,原理并没有错——只是时机错了.

接近四吨的汽车:重量的代价

让早期混动车的技术成就黯然失色的,是一个可以用数字呈现的非常实际的代价:重量.应英国客户E.W. Hart的订单生产的、同时使用汽油和电力的 La Toujours Contente 是这一代价最极端的例子.数字自己会说话:

以铅酸化学的能量密度携带的 1.8吨重的电池,从一开始就彻底毁掉了混动的经济性方程.Lohner-Porsche本身尽管功率不大,也重达近 两吨 .每一公斤多余的重量都意味着更多的结构强度、更多的轮胎、更多的燃料——而这一切都反映在价格标签上.

混动车为何消失了80年?

采用Mixte技术生产的混动车 一直生产到 1910年代.也就是说,这个想法并没有消亡,也没有被突然禁止.它被生产、销售,然后悄然在市场竞争中败下阵来.这有三个可衡量的原因,而且都与技术无关.

廉价汽油打破了方程

在得克萨斯州发现廉价原油后,20世纪初的几十年里,燃料成本在秒级排行榜上大幅下降.汽油车在更长距离上变得更便宜也更有用.而Mixte混动车则比汽油同类车更贵且动力更弱——结果,大多数车型的销售都很糟糕.对于要投资的公司来说,这笔账算不过来;用Smithsonian的历史评估中的话说,20世纪初倒闭的一些公司只是在燃料类型上投资了"错误的马".蒸汽、电动和汽油选项在竞争,而汽油凭借其廉价赢得了这场竞争.

电力基础设施从未存在

电动驱动的未来,无论电池如何,都依赖于电网.然而20世纪初,家庭和街道上根本不存在所谓的充电基础设施.这种基础设施的缺失,加上电池续航里程短,多年来阻碍了电动出行的发展.一辆无法充电的电动车,实际上只是一个车库里的实验品.

规模化生产的经济性偏向了汽油车

技术、普及和规模化生产是共同发展的,成本也随之降低.那些年,电动车辆约占道路上车辆的 三分之一 ,市场份额并不小.但随着规模化生产经济的势头转向汽油发动机,汽油车迅速变得廉价和成熟.电驱动则被排除在这一发展周期之外,直到 1935年 几乎完全从道路上消失.即便是手摇曲柄的麻烦和尾气污染这类日常优势,也无法改变这一经济现实.

总结就是:混合动力的构想在技术上已经成熟,但在商业上却是胎死腹中. 扼杀它的不是工程失误,而是廉价石油、基础设施缺失和规模经济构成的三重经济壁垒.

近80年的沉寂

混合动力汽车,正如丰田自己的历史记述中所表达的,在大约 80年 之后才重新成为汽车工业的一部分.其间也发生过一些有趣的中间尝试: 1976年 ,一款配备燃气轮机发电机和电动机的小型跑车展示了混合动力构想的一次预演;奥迪也推出了Duo概念车.但这些只是孤立的尝试,并未转化为产品.时机尚未成熟:石油廉价,排放压力薄弱,而电池仍停留在铅酸时代.

突破始于1980年代中期.石油危机之后,混合动力研究重新燃起,这一次,等式中的三个变量开始同时变化:燃料安全担忧、环境法规和电池化学技术.

为什么恰恰是1997年?石油危机、排放法规与NiMH

问题应该是:混合动力构想为什么不是在1900年,而是恰恰在 1997年 重新复活?答案在于三项独立的发展在同一年交汇.

石油危机引发了战略担忧

丰田的混合动力战略,是在应对第二次石油危机的背景下形成的.当廉价石油带来的80年舒适被打破时,燃油效率不再只是营销加分项,而是转变为关乎企业存亡的问题. 1997年12月 在日本上市的 Prius,作为世界上首款量产混合动力车,既提高了燃油效率,又净化了尾气排放.数字结果很明确:综合燃油经济性为 57.6 mpg,CO2排放为 104 g/km.在工程方面,阿特金森循环设计提高了热效率;电动机弥补了汽油发动机的低功率输出.从IEEE的角度来看,这款车也作为减少CO2排放和缓解石油枯竭的里程碑被载入史册.

NiMH电池走向成熟

1900年的致命问题是重量;到1997年,这个问题已基本解决. Honda Insight的第一代(1999–2006)作为三门双人座掀背车,采用了 144伏镍氢电池(NiMH) 电池包和电子动力控制单元一同发布.与Prius的发布处于同一时期,Insight同样基于成熟的NiMH技术.取代铅酸电池1.8吨的遗产,出现了一种能够以合理重量满足汽车能源需求的化学体系.与1900年代相同的理念,如今终于拥有了它可以承载的能量储存装置.

排放法规推动市场

日益严格的排放法规使燃油效率从一种选择变成了强制要求.混合动力是这三种力量交汇处唯一的技术答案——与80年前不同的是,这一次经济上的障碍已经被打破.

下一步:锂离子电池与插电式混合动力时代

第一波混合动力浪潮奠定的基础加速发展.在电池领域 1998年 Nissan Altra EV成为首款采用锂离子电池的商用汽车.锂离子电池在汽车应用上的成熟以及不断加强的排放法规,使人们对电动驱动系统的兴趣得以持久复兴. 2010年 Chevy Volt作为首款具备商业化销售条件的插电式混合动力车推出,其电池部分受益于能源部开发的技术.同年,Porsche凭借 Cayenne S Hybrid 开启了向电动出行的转型; 而2015 Panamera S E-Hybrid 则作为其细分市场中全球首款插电式混合动力车型,提供了 36公里 的纯电续航里程.

这一进化的对称性令人瞩目.费迪南德·保时捷于1900年建立的串联混动原理,如今在插电混动车型以及铁路机车上仍以同样的逻辑运行.这个想法从未过时;只是有一次经济上不合适,又有一次恰恰合适.

赢的不是技术,而是方程式

混动车80年的沉寂,是汽车史上最清晰的控制实验之一.同一个想法,以类似的工程质量在两个不同时期被尝试:1900年那套如珠宝般精密运转的系统,因廉价汽油、电力网的匮乏以及规模经济的压力而被市场淘汰.1997年,同一个想法,借助石油危机引发的战略焦虑、日益严格的排放法规以及镍氢电池的成熟,转变为商业上的成功.改变的并非技术本身;改变的是围绕这个想法的经济方程式.汽车工程中很少被人记起的这一课不可遗忘:好的解决方案不仅要解决问题,还必须为解决问题付出代价.

参考资料

• Lohner-Porsche
• 保时捷的历史始于电动
• 普锐斯如何追溯其1900年汽车的渊源
• Lohner保时捷电动车
• 第一辆保时捷:1898年的电动车?认识一下
• 普锐斯的开发与混动战略 - 丰田全球
• 里程碑:丰田普锐斯 - ETHW
• 丰田普锐斯的历史 - 丰田英国杂志
• 普锐斯诞生背后的故事(第二部分) - 丰田全球
• 本田Insight - 引言 - 本田新闻
• 本田Insight
• 电动汽车的历史 - energy.gov
• 如何理解"失败的"技术
• 事实核查:20世纪初的电动车 - 今日美国
• 100年前电动车销量曾超过燃油车
• 混合动力汽车简史
• 混合动力汽车的历史是什么?
• 电池技术的演进
• 费迪南德·保时捷