浅谈电动车的若干基本问题

余晟2021-04-30
梳理与展望

编者按:本文来自微信公众号“余晟以为”(ID:yurii-says),作者:余晟,36氪经授权发布。

当下的互联网,号称“信息爆炸”,其实是“专家爆炸”。无论出现了什么新闻,都会发现如同过江之鲫的专家。不信的话,你留意最近的新闻,除了常年存在的国际政经专家,也浩浩荡荡地涌现出纺织专家、航运专家、教育专家……

最新的一批大概是电动车专家,特斯拉事件的真相到底如何,至今还没有一个经得住考验的结论,但专家们已经迫不及待要发表各种意见了。

关于电动车,我绝对不敢说自己是专家,充其量读了一点资料,了解了一些入门知识。但就是这点基本知识,也足够让我得到一个经得起考验的结论:大部分专家都是伪专家,别说对特斯拉,就是对电动车也缺乏基本的了解。

下面我根据自己的理解,谈谈电动车的几个基本问题。看完之后,你大概能知道,我的结论对不对。

油车的问题

电动车是新事物,取代的对象是如今大量存在的油车。油车已经存在了一百多年,也在不断更新换代,为何油车的道路今天看来走到了尽头?

没错,油车的技术一直在进步,但是在可见的未来,天花板也非常明显。

第一是热效率,也就是在燃料燃烧产生的能量中,有多少真正用来做工了。

油车普遍采用内燃机(汽油机、柴油机)作为引擎,一般热效率在35%,少数发动机能超过40%已经属于鹤立鸡群了。这些能量再传递到车轮上,用来驱动汽车,又会有一定的损失,“轮上功率”(传动效率)一般可以达到80%到90%。也就是说,燃料燃烧产生的能量里,只有差不多30%用来驱动车辆。

不要以为这就完了。一般的汽车重量按1.5吨计算,大多数情况下载1-2人,平均1.5人,按成年人体重70公斤计算,1.5人的重量大概是100公斤。大多数情况下,发动机需要驱动1.60吨的质量,真正的有效载荷只有0.1吨。

所以综合起来,30%的热效率里,真正用来移动乘客的只有1/16,也就是不到2%。那么,油车每消耗1升汽油,只有20毫升用来“干正事”。打个比方,买一瓶五粮液(500毫升),真正喝到嘴里的只有一口(10毫升),买一瓶指甲油(5毫升),真正能滴到指甲上的只有2滴(0.1毫升)。这种效率,不但对车主是严重的浪费,对环境的污染也不可忽略。

这个方面有提升空间吗?有,但是不大。马自达和丰田之类的日本厂商一直致力于提升汽油机的热效率,但如今提升1个点都已经难能可贵了。

第二是使用效率,也就你拥有一辆油车,你真正用到了多少。

除去出租车等营运车辆,大量的汽车是被私人拥有的。假设一天开车90分钟,则汽车一天的利用率只有6%左右。在这6%的时间里,你必须全神贯注(开车时可以听音乐,但没法看书写邮件),而且为了这6%,还需要寻找停车场、支付停车费、购买保险、忍受拥堵……

这个方面有提升空间吗?有,比如打车、共享汽车等等,它们确实提高了车辆的利用效率,也减少了寻找停车场、支付停车费、购买保险等等开销。但是无论哪种方式,汽车还是无法脱离司机,所以总有一份与车辆绑死的人力成本存在。

电动车的优势

如今油车确实遇到了许多问题,因此也涌现了若干“油车替代者”,比如电动车、氢燃料汽车等等。但是目前来看,电动车是广泛看好的选择,为什么呢?我认为主要有这么几个理由:

第一,电动车几乎没有污染。

电动车因为没有燃烧过程,所以工作过程中不会产生污染。有人说电动车的制造,尤其是电池制造,以及发电都会产生污染,确实是如此。不过我的看法是,与油车这种“紧耦合”的设计不同,电动车至少新增了“电”这个中间层。随着制造工艺的进步,电池的污染问题应当可以解决。

至于发电的污染,可以看一份数据:从终极意义上来讲,今天人类使用的各种能源,煤、石油、天然气、风、太阳能,绝大多数能源的终极根源都是太阳,只是太阳能量的各种不同表现方式而已。太阳的能量有多大呢?2014年全球的发电总量,相当于太阳10分钟内向地球输送的能量。所以如果直接用电能作为汽车的能源,即便目前清洁发电的比例还不高,但至少给将来留好了接口——把更多太阳能转换为电能再来驱动车辆,总比把它转换为汽油再灌到油箱里更靠谱吧。

第二,电动车极大简化了车辆制造。

虽然今天的汽车工业已经非常成熟了,但是只要采用燃油作为动力,车辆行进都离不开进气、点火、燃烧、排气等等环节,所以都需要对应的子系统,此外还有润滑、温度控制、变速传动等等辅助支持系统也非常重要,总的来说,燃油车的动力是一套很成熟但也很复杂的系统。

电动车则不然,简单来说只分为几大部分:电池、电动机,外加动力控制,总体相当简单。想一想儿童玩具车就知道,电动的玩具车遍地都是,烧油的玩具车却相当罕见。电力驱动和燃油驱动在复杂度上的差别,由此可见一斑。

有人会担心电池技术,确实,电池的能量密度目前仍然不能达到让人完全满意的水平。但是有赖于过去一二十年里的持续投入,如今电池的能量密度已经有了很大提升,续航能力达到五六百公里的电动车也已经批量上市。未来,电池的能量密度还会不断提升。

除此之外,电动机已经是相当成熟的技术,能量转换效率也很高,一般电动机的工作效率在85%以上,好的电动机甚至可以达到95%,远超内燃引擎40%的水平,所以装车时已经不再有大的技术难题需要攻克。电池的能量密度低,但电动机的工作效率高,对电动车而言,是“堤内损失堤外补”。

至于动力控制,除去基本的零配件,它更多由软件和算法构成,也就意味着可以通过软件不断调校升级,持续改进,不需要更换车上的零件。

尽管电动车有这么多优势,但仍然需要保留汽车的一些基本功能,比如底盘、座椅、空调、刹车等等,在这些方面传统车厂有大量的经验。那么,为什么在造电动车方面,传统车厂看起来是雷声大雨点小,IT公司作为“造车新势力”,反而愿意投入呢?

电动车与智能汽车,重叠但不重合

电动车与智能汽车,大概是目前最热门,也最容易混淆的概念了。许多人甚至搞不清楚这两者到底有什么区别。不清楚这一点,就很难理解当前电动车市场的格局。

先回顾一段历史。

如果你看过“自动驾驶”早期的报道就会知道,早期的自动驾驶是举步维艰的,其中的一个重要难题是车辆的操控。大概二十年之前,主流的车辆都还采用模拟控制的方式,所以自动驾驶装置也需要有对应的机电结构——要让车转向,必须有一套装置“真刀真枪”地去转动方向盘,要加油,也必须有一套装置“真刀真枪”地给油门踏板施加力量……这些装置的操控必须足够精密,响应必须足够迅速,运转起来还必须足够可靠。在这种情况下研发自动驾驶,难度可想而知。

然后,随着科技的进步,越来越多的汽车抛弃了模拟控制方式,全面拥抱数字控制。油门踏板不再有一根拉线连着化油器控制风门,而是直接把踩踏深度转换为电子信号,节气门控制装置根据信号控制节气门的开合;方向盘也不再是硬连接到转向机,同样是把方向盘的转动幅度转换为电子信号,转向控制机构根据电子信号进行动作……换句话说,司机和汽车之间由一个数字化的中间层隔离,汽车已经完全运行在数字化的世界里。

虽然这种变化主要发生在燃油车上,但它无疑大大简化了自动驾驶的操控难度。从此自动驾驶装置不需要配合机电结构,只需要探测环境、做出决策、输出对应电子信号即可,绝大部分工作都由软件完成,不再需要物理动作。

所以自动驾驶并非和电动车直接绑定,即便在电动车没有大规模流行之前,大家已经在“自动驾驶+油车”的组合上探索了多年。实际上,从“引擎来源”和“有无自动驾驶”两个维度出发,可以粗略把市面上的车分为四类:

  • 燃油驱动,无自动驾驶功能:传统车厂大量生产的汽车

  • 燃油驱动,有自动驾驶功能:曾经的尝试,如今没人“刻舟求剑”了

  • 电力驱动,无自动驾驶功能:狭义的“新能源”汽车,但前景有限

  • 电力驱动,有自动驾驶功能:未来的大方向

可以看到,只要选择了电力驱动,价值点和想象空间就不再是是汽车本身,而是自动驾驶系统,IT公司在这方面当然享有明显优势。

退一步说,哪怕如今的自动驾驶还不够完善,只要软件系统足够强大,也能在汽车上玩出许多花样,这是传统车厂望尘莫及的。

比如,未来的汽车也许都是同样的底盘,同样的悬挂系统,至于驾驶感到底是“德国味”还是“日本味”,可能只是系统设定了不同的参数而已,而且可以动态调整,随时切换。再比如,有些人选车时总夏欢说“这辆车别的我都喜欢,就是油门太轻(或者方向盘太重)我受不了”,以后这也不会是问题,油门的轻重、方向盘的轻重,最后无非都只是软件系统里的几个参数设定而已,甚至可以根据车主个人的习惯即时定制。

除此之外,我以为智能汽车兴起的另一大背景是2007年iPhone发布引发的数字设备革命。iPhone不只是让人随时随地接入互联网,更因为装备了大量的传感器,引起了数字传感器产业的大跃进。如今,经纬度、温度、湿度、速度、海拔高度、设备姿态等等信息,都可以由传感器获得,软件系统读取到这些信息,就可以与真实世界进行广泛而深入的交互——无人机产业的爆发,某种程度上也受益于此。

虽然今天传感器看起来这么普遍,这么理所当然,但是在很长的时间里,传统车厂对它并不够重视。如果从零开始为汽车研发对应的传感器,成本高、周期长。但是,乘着数字设备革命的东风,数字传感器已经成为了成熟的产业,有五花八门的现成产品可供选择。通过它们,车辆可以很方便地感知汽车当前的状态和周围的环境。于是问题又退回了原地:汽车控制系统的电子化,让车辆操控成了软件游戏;大量传感器输入更多的信息,让驾驶决策也成了软件游戏。在这个游戏中,以IT厂商为代表的造车新势力,当仁不让地成了享尽优势的弄潮儿。

所以,对任何智能汽车的玩家来说,电动车都是比油车更好的选择:车辆机械部分越简单,可靠性就越高;车辆电子化程度越高,系统掌握的信息和控制的深度也就越高。不过尽管如此,众多“新能源汽车”玩家还是会选择不同的方向,有的更侧重驾驶,有的更强调智能……总之,是在电动车的大平台上做出不同的菜式。

但是我也觉得,未来大家仍然会殊途同归,都走到“自动驾驶”这个终极目标上来,对IT公司来说,尤其如此。自动驾驶一旦成立,价值就不仅仅是“解放司机、提高车辆使用效率”那么简单,而是会释放出巨大的想象空间。

对乘客,自动驾驶汽车提供了旅途中持续密切接触(而且是独处)的机会,这蕴含着巨大的商业价值,想想遍布电梯轿厢的恼人广告就可以知道。除此之外,自动驾驶的汽车也完全可以成为更大的商业版图上的棋子,这简直完美契合了互联网“羊毛狗出”的商业模式。想象一下,无数自动驾驶汽车像永不停歇的工蜂一样穿行在城市里,上午送货、下午拉人、中间夹杂送外卖,间或还可以快闪拼个造型吸引注意力,更不用说在行驶过程中源源不断地提供车辆行驶数据,永不停歇地为数字地图更新道路信息和街景……

展望自动驾驶

虽然已经有大量的资源投入到自动驾驶上,但目前它的进展仍然不令人满意。留意新闻就可以看到,各家厂商,无论宣传自己的自动驾驶有多么先进,一旦发生意外事故,都要忙不迭地给“自动驾驶”撇清责任。那么,自动驾驶为什么这么难?

不妨想想另一个问题:开汽车和开飞机,哪个更难?

看起来开飞机明显更难。但是,为什么飞机早已标配了自动驾驶仪,而汽车的自动驾驶仍然步履蹒跚?

我觉得,技术水平上,二者并没有太大的差别。但是开飞机和开汽车的行为模型完全不一样,所以自动驾驶汽车的挑战远远大于飞机。

开飞机虽然复杂,但空中的交通情况相对简单,只有飞机(和一些气象条件)而已,另外飞机的操控早已数字化,飞行规则非常明确细致,飞机与飞机,飞机与地面之间的交互也相当标准化,通过数字系统交互的难度相对较低。

汽车则不然,开汽车虽然简单,但地面道路的交通异常复杂,机动车、自行车、电瓶车、行人、各种障碍物层出不穷,而且行为规则很难预测,“马路杀手横行”的场面随处可见,再加上车辆间交互、交通标识也没有标准协议,大量依靠人类的临场反应,并没有标准化的算法可言。所以自动驾驶要想成功,需要具备摩西分开红海那样的神力,在混沌之中辟出一条路来。

一个典型的具体例子是自动驾驶汽车的识别系统。众所周知,目前自动驾驶的识别技术主要分为两大流派,以特斯拉为代表的流派主要依赖摄像头,以Waymo、华为为代表的流派主要依赖激光雷达。摄像头可以方便识别红绿灯、限速标识等,但三维建模可能会出差错(特斯拉有好几次事故都是把白色卡车识别成了天空,直接撞了上去);激光雷达很擅长三维建模,但识别红绿灯、限速标识等平面信号会有问题。

看起来这个问题并没有完美的解决方案,但是深入想想,之所以会产生这些问题,不恰恰是因为传统的驾驶行为依赖的是混杂规则吗?看到红灯要停车,看到限速要减速,看到障碍要躲避……这些行为和决策的背后,恰恰是人类的观察、理解、思考能力,而人类的这些能力,从诞生的那一天起就不存在泾渭分明的类别。

所以我斗胆猜测,也许自动驾驶的未来不完全取决于汽车本身,还取决于道路设施和其它道路。如果“限速50”不再是牌子上的一个符号,还有对应的无线电信号;如果“我要右转”不只是点亮右转灯,还会向后车传递数字信号;如果“压白线变道”的操作不再是司机的恣意妄为,而是被车辆直接拒绝……

也许,所有这一切实现的那天,才是自动驾驶真正的到来。

最后,如果你对电动车、智能驾驶有兴趣,推荐你阅读一本书。这本书的英文版我之前推荐过(Autonomy by Lawrence D Burns and Christopher Shulgan),2020年6月由湖南科学技术出版社出版了中文版《自动时代》,作者以亲历者的身份,讲述了智能驾驶技术在过去十余年间的发展历程,非常好看。

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