血祭的冷护法之恋Electrovair是通用汽车1963年启动的研究项目，其中采用的多项技术为后来更著名的通用EV1和当今大多数电动车奠定了基础。（

　　大多数行业专家把通用汽车的EV1视为第一辆现代电动车，但其线推出的几十年前就出现了。

　　通用汽车公司在20世纪90年代生产的EV1被认为是首辆技术上可行的电动车，其主要“缺点”包括使用了笨重的铅酸电池的同时，续航里程还很短。然而，鲜为人知的是，在整整25年前的1963年，通用汽车就研发了第一款电动车，由其率先采用的先进动力系统仍是当今所有电动车的基础。本文将详细介绍这款重要车型。

　　电动车自汽车问世以来就已存在。在汽车发展的早期年代（1900-1920年），即所有动力形式的车刚刚起步时，电力一度成为可与内燃机竞争的替代动力，在城市日常低速交通应用中表现出色。当时的大多数电动车无需像燃油车那样费力地手摇启动。甚至亨利·福特的妻子克拉拉在20世纪10年代也曾驾驶一辆底特律的电动车，消息轰动一时。

　　但是，竞争并未持续太久。随着内燃机的功率和性能迅速提升，以及内燃机电启动装置于1912年问世，燃油车产量大增，T型车等汽车的价格也随之暴跌。相比之下，电动车的性能没有得到显著提升，在当时看来未来无疑是内燃机的天下。到了1920年，除极少数车型仍维持小批量生产外，电动车已基本消失。在接下来的40年里，电动车基本上丧失了商业竞争力。

　　到了上世纪50年代，洛杉矶盆地的雾霾引发严重的健康问题，致使市民强烈要求采取减少空气污染的措施。研究发现，雾霾是由阳光引起的碳氢化合物和氮氧化物排放的反应导致的，而洛杉矶的盆地地形容易使空气滞留，为形成雾霾提供了有力的条件。

　　时任加州州长的罗纳德·里根签署了加利福尼亚空气资源委员会（California Air Resources Board）的空气质量控制法案。由于燃油车是雾霾形成的主要原因之一，因此汽车行业开始研究排放控制措施。最初采取的措施是加装曲轴箱强制通风装置（PCV），结果降低了50%的排放。其它污染控制技术随后一一出现。

　　到了1960年，通过立法控制汽车空气污染已成为必然趋势。汽车制造商开始考虑其他替代动力方案，电力显然是不二之选。此时恰逢一些新兴固态电子技术推出，为新一代电动车动力系统的研发提供了支持。

　　了解电机有助于我们理解现代电动车及其工作原理。电机分为两种基本类型：直流（DC）与交流（AC）。

　　1900年的初代电动车都采用直流电机，这是当时的电池技术和简单的转速控制器可以实现的。直流电机的电池具有恒定电压，电子的运动方向始终是从电池流入电路。直流电机通常同时使用电磁铁和永磁铁。电磁铁在转动时会机械地切换磁力，磁铁就会有序地相互吸引和排斥，从而推动电机旋转并做工。

　　直流电机易操控，转速取决于施加的电压。可使用变阻器对直流电机进行控制，其作用类似于节流阀，在1900年及此前都是采用这种结构。其缺点是，满足一般汽车动力系统要求的直流电机必然庞大且笨重。其中有些机械组件也很容易损坏（称为“碳刷”的滑动电气触点）。此外，直流电机的转速受制于磁力的机械式切换，而且其生产工艺也很复杂。

　　1888年，尼古拉·特斯拉发明了交流电机（初代交流电机都是异步电机）。自那时起，交流电机成为了汽车制造工厂和整个工业革命中最重要的机械动力。顾名思义，交流电会改变电路中电子的方向，使电流按电源频率持续往复运动。事实上，美国电网的设计具有60HZ交流频率、适用于工业环境的三相交流电，以及每相120V的特点，这种设计直接受到特斯拉和乔治·威斯汀豪斯改良交流异步电机的影响。

　　异步电机在外观上看似简单，仿佛靠魔法运行。它是特斯拉的天才杰作，因为他能够以画面的形式想象出交流电如何在电机中产生磁场，引起旋转并产生有用工。当然，今天的许多电动车已不再使用最初的异步电机，而是使用永磁同步电机。

　　交流电机的优点包括无需庞大笨重的电机就能够满足汽车的动力需求、制造工艺相对简单、转速极高和效率高等。然而，其最大的缺点在于传统机型都是恒速电机，其转速通常与制造业电网电源的交流频率挂钩。一些简单的交流电机，包括一些现代的家用电机，都以60的倍数作为固定转速——60即电网频率，其中3600 RPM是很常见的转速。

　　若要在汽车上搭载交流电机，连续可变的速度和功率无疑是必要条件。但这些技术直到20世纪50年代末才真正实现。最开始提到的Electrovair正是诞生于这个时期。

　　通用汽车于1963年开始在整车层面上研发新一代电动车，目标是制造一款能够适应当时汽车市场环境的电动车，而彼时的市场环境与今天的非常相似。他们的设计要求包括提高加速、极速性能，以及频繁启停的城市交通所要求的精确速度控制。此外，电气化下的零件必须匹配常规尺寸的汽车，并具备正常的载客量。通用汽车的工程师将重点放在动力系统的研发上，并通过硬件台架测试得出了三相异步电机是最佳方案的结论。当然，当时尚未出现任何能够满足商用车对续航里程和耐用性要求的电池技术。

　　工程师希望将一辆现有汽车的动力系统改装为三相异步电机，而Corvair在当时通用的所有车型中脱颖而出。小体积和单片式车身设计使Corvair成为通用汽车最轻盈的车型，仿佛专为成为电动车而诞生。Corvair的后置六缸发动机和变速器与后轮驱动桥处于一条中心线上，因此很容易替换成电机和齿轮传动系统。现代的电动车以类似的方式将电机与驱动轮排列在一条直线上。而无论是过去还是现在，交流电机的结构都比相同动力的内燃机/变速器组合更紧凑。

　　最终开发出来的电动车命名为Electrovair，以致敬其前身Corvair。

　　Electrovair 与今天所有电动车的成功主要归功于变频器（VFD）的发明。VFD可将电池中的直流电转换为任何频率的交流电。这种逆变器的实现得益于20世纪50年代半导体固态元件的发明。如晶体管等半导体固态元件可能是自汽车发明以来对我们的生活产生最深远影响的事物了。

　　变频器最终消除了将交流电机应用于汽车动力系统的主要限制，因为在变频器出现之前，电机的转速还无法调节。彼时交流电机已经稳定发展了70年，以电网规定的频率为全世界提供了巨大动力。此后，电动车就能在街上自由驰骋了。

　　Electrovair使用的半导体固态元件的原理相当简单。我们说的可不是智能手机的微处理器芯片，而是1958年发明的可控硅整流器（SCR），其本质上是一种电子开关，能够根据逻辑电路产生的极低电压信号的指令控制大量电流的流动。这些开关能够组合在一起，将电池的直流电转化为交流电，交流电再向电机的电磁铁反馈，从而达到控制电机转速和扭矩的目的。可控硅整流器的转换速度非常快，能够支持高频信号转换成电机的高转速。尽管现代电动车采用更先进的半导体开关，但仍遵循相同的基本原理，即将直流电分解为交流电以驱动电机。

　　工程师们的计算表明，里程焦虑早在20世纪60年代可能就存在了。（GM Heritage Center/通用汽车博物馆）

　　在20世纪60年代初，变频器技术仍处于发展的早期阶段，而Electrovair无疑走在探索其实际应用的前沿。Electrovair提供了高效动力系统的基础，但仍缺乏可行的车载能源。汽车行业足足等了40年才能迎来下一个电动车领域的突破：汽车级锂电池。

　　交流异步电机：异步电机及其齿轮箱的结构十分紧凑。电机的峰值功率为115 hp，最大转速为13,000 rpm。高转速性能意味着电机不需要多档传动装置，仅凭差动式齿轮减速器就能够驱动车轮。整个系统的重量仅为130磅（59 kg）。电机本身的单位峰值马力仅需承载为1.1磅（0.5 kg）的重量。增加控制系统的重量后，其单位峰值马力承载重量为1.7磅（0.8 kg）。相比之下，功率相当的直流电机该数值为8-15磅（3.6-6.8 kg），是其五倍之多。Electrovair的交流电机转子和定子都采用油冷却方式。该电机由通用汽车旗下的德科（Delco）产品部门制造。

　　直流-交流逆变器：逆变器是一种使用可控硅整流器（SCR）开关将电池的恒定直流电转换为交流电的设备，是变频器的关键组成部分。SCR的高电容特点对于Electrovair达到汽车级的功率水平至关重要。当时最好的SCR能够支持400 A的电流和1200 V的电压，足以驱动Electrovair。该逆变器可产生三个不同且独立的交流电波形，其切换点之间互呈120度角。这三个交流电波形并非同时出现，而是“按相位”或以互相关联的时间差依次出现。这就是电动车电机的基本工程描述，即使是今天最先进、最杰出的电机结构也是如此。将这三个交流电相位施加于电机内部精心排列的电磁铁上，便可形成旋转的磁场，最终驱动电机旋转。通过控制相位频率便能改变电机的转速。除了产生基本的三相位及其频率外，逆变器还能够通过脉冲宽度调制（PWM）技术“调制”交流电的电压，从而改变峰值电压，并控制电机输出，这种技术与Electrovair同期研发，目前已成为现代电动车的关键技术之一。

　　逻辑和逆变器控制：逆变器中SCR开关（共18个，每相位6个）的连接方式使其能够控制电池直流电的开关，并改变其方向以产生交流电。这些开关需要进行精确的控制和协调，根据每个产生的相位、电机的转速及期望转速，以互相关联的方式对各开关定时。为此，需要逻辑控制器和逆变器控制器提供低压控制信号。接着将这些低压信号发送至SCR的“门”端子上。这个“门”就像一个天花板灯的墙壁开关，而你和你的手指就像带控制输入的逻辑电路。开关电路中的高压部分就像墙内的线路，而点亮灯泡就类似于电流流向电机的过程。想象一下每秒切换开关60次的情景。此外，这些控制器还用于调整输入电机的电压，进而控制其输出扭矩。当电动车行驶时，电机产生的转速、扭矩和功率通常是变化的。电机控制器与一个油门踏板相连，能够将脚踏板的信号转化为对电机控制器的请求。Electrovair就采用了这样的设计，因此其驾驶体验与驾驶传统燃油车的感觉和响应相似。

　　动力总成冷却系统：燃油车有许多冷却需求，因此需要散热器、风扇等其他热管理组件。电动车的某些组件也必须通过冷却将温度控制在最佳范围内，一旦温度超出限制材料就会损坏。Electrovair以极高的电压和电流运行，从而产生足够的电机功率，使车辆性能达到与传统车辆相当的水平。这些都是物理规律。电路中的所有组件都会对电流产生一定电阻，而电阻会消耗能量并将其转化为热量。即使电阻很低，但在电机电流较高的情况下也会产生大量热量。Electrovair通过在电子元件周围循环冷却油来吸收热量。冷却油随后进入散热器以将热量散发到大气中，之后重新进入循环。现代电动车也面临着类似的挑战，即需要管理由高电流和电压产生的热量。此外，锂离子电池在充放电时也会发热，而且充放电的速度越快，温度就升得越高。如果不加以控制，电池的寿命将会缩短，甚至引发更糟糕的情况。

　　Electrovair的银锌电池组位于前部和后部，源自一项航天计划。（GM Heritage Center/通用汽车博物馆）

　　电池：Electrovair的电池组采用了当时最先进的航天工程技术，即银锌材料。从体积和重量与储存能量的比值来看，这种电池是当时最好的选择。由于这种电池成本高昂且仅充电60-100次就需要更换电池，因此难以实现商业化。Electrovair的电池组由286个银锌电芯串联组成。每个电芯产生约2V（锂电池电芯仅略低于4V）的电压，并组装在13个底盘中，每个底盘中有22个电芯。整个电池组的开路电压为530V。基础电芯的额定容量为60 AH（按1小时放电率测定），因此电池组的总储能容量为25.4 kWh。相比之下，现代电动车电池的储能容量范围为30-200 kWh。Electrovair的电池组和底盘的总重量为680磅（308kg）。该电池组的规格与现代电动车存在相似之处。如今的许多电动车采用的是400V或800V的电池组。电压确定了电机能够产生的最大功率，而Electrovair的电压能够达到较高的530V。

　　Electrovair与量产的6缸燃油车Corvair相比表现如何？以下是Electrovair研发团队发布的通用汽车报告摘要中的一些关键指标。

　　性能：Electrovair II具有与1966款高性能Corvair（配备自动变速器）相同的加速性能。刚启动时，量产Corvair的加速度比Electrovair II更快，因为当时采用的控制系统限制了后者电机的启动扭矩。但当速度升至20 mph时，Electrovair II开始迎头赶上，其加速度甚至超过了量产Corvair。

　　Electrovair的惊艳之处在于，在当时的历史背景下竟能实现如此先进的技术。Electrovair使用的组件基本都是该领域中的开创性产品，来自于美国最先进的研究实验室的最新成果。

　　Electrovair的基础运作原理基本上与现代电动车相同。一直到2019年前后，特斯拉还在一些车型中使用异步电机。现在，大多数电动车都已更换成永磁同步电机。这种电机效率更高，可提供更长的续航里程，当然，增加续航里程仍是电动车最严峻的挑战之一。但即便是这些新型电机，使用的依然是三相逆变器控制。

　　我们今天仍需要面对Electrovair的研发团队在1965年遇到的挑战：电池成本、重量和充电时间、在不可避免的碰撞事件中保护组件、车厢的供冷与采暖、电气组件的温度管理等。

　　随着电动车革命的不断推进，这些挑战正逐步得到解决。而Electrovair早在当时就预先展现了当今电动车的模样。

　　致谢：本文的部分信息来源于编号为670175和670178的SAE技术论文，由通用汽车相关项目人员编写。此外，照片和新闻稿由通用汽车博物馆（GM Heritage Center）提供。在此特向Larry Kinsel致以诚挚的感谢。

　　Larry Mihalko在通用汽车任职42年，在米尔福德试验场（Milford Proving Ground）中担任了多个汽车研发职位。在过去的15年中，他担任跨界车型的全球汽车性能经理，并在跨界车型市场迅速扩张的时期指导了雪佛兰Blazer、Traverse和Equinox，别克的Enclave和Envision，GMC的Acadia和Terrain，凯迪拉克的XT5和XT6，以及Saturn的Vue等车型的开发工作。他还在公司向电动车转型的过程中担任重要工作，并于近期助力公司开发了“主流”大体积跨界电动车，也就是即将推出的Equinox EV和Blazer EV。

　　Mihalko目前参与密歇根州庞蒂克市的庞蒂克交通博物馆的建设工作。该博物馆将保存该地区150多年来的交通运输制造业的遗产，从马车到卡车、公共汽车，再到大排量跑车（GTO）等各种交通工具。他还同时在通用汽车博物馆从事历史研究工作。

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