全電動汽車已經(jīng)大量使用，下一個會是全電動飛機(jī)和火車嗎？

毫無疑問，電動汽車的各個方面在過去幾年中都得到了顯著改善，從基本組件到系統(tǒng)級架構(gòu)。既然全電動汽車 (EV) 如果沒有被廣泛用作標(biāo)準(zhǔn)消費(fèi)者選擇，那么它們的一些技術(shù)如何適用于其他交通方式是一個合乎邏輯的考慮。飛機(jī)，火車和汽車，有可能嗎？

電動汽車驅(qū)動的進(jìn)步為重新思考其他交通方式開辟了道路，因為這些進(jìn)步可以被利用和調(diào)整。這是技術(shù)進(jìn)步的正常連鎖反應(yīng)，它在相關(guān)領(lǐng)域，有時甚至是不相關(guān)領(lǐng)域開辟了新的機(jī)會。電動汽車在電池以及電池管理、電機(jī)和電機(jī)控制等領(lǐng)域的研發(fā)、評估、量產(chǎn)和道路測試，是其他交通方式電氣化的技術(shù)推動力。

例如，人們對電動空中出租車重新產(chǎn)生了興趣，這是一種用于短途旅行的垂直起降 (VTOL) 飛機(jī)。與通常具有單個主旋翼和尾旋翼以抵消主旋翼扭矩的傳統(tǒng)直升機(jī)不同，現(xiàn)在可以使用類似于具有分布式推進(jìn)系統(tǒng)的小型無人機(jī)的布置。在這個方案中，有四個、六個或更多的小型獨立電機(jī)和螺旋槳安裝在延伸臂上。電力允許傳統(tǒng)直升機(jī)無法提供的電機(jī)布置、設(shè)計和控制自由。

當(dāng)然，從來沒有那么容易。如果發(fā)動機(jī)發(fā)生故障，傳統(tǒng)的固定翼飛機(jī)可以在一定程度上滑翔，而傳統(tǒng)的直升機(jī)可以自動旋轉(zhuǎn)其葉片（一段時間）并產(chǎn)生足夠的升力以在許多情況下進(jìn)行可接受的著陸。然而，這些空中出租車沒有這樣的升降面，如果失去動力，它們會“像石頭一樣”滑行。因此，額外的可靠性和冗余尤其重要，因為斷電很快就會造成災(zāi)難性的后果。

其中一些空中出租車使用傾轉(zhuǎn)旋翼方法來融合固定翼和旋翼屬性的優(yōu)點。Joby Aviation的六電機(jī) eVTOL采用了這種布置方式，它也用于軍方的非電動 VTOL 波音 Bell V-22 Osprey。雖然魚鷹的出生很困難，但主要是由于液體通過旋轉(zhuǎn)接頭泄漏；相比之下，將電力輸送到轉(zhuǎn)子電機(jī)的電纜更容易“扭轉(zhuǎn)”，特別是因為它們只需旋轉(zhuǎn) 90 度。

但為什么將電動飛機(jī)限制在空中出租車上呢？還有一些小型飛機(jī)的工作正在進(jìn)行。兩者都是為相對較短的距離和適度的容量而設(shè)計的。

當(dāng)然，NASA 和其他人的想法更大。如果你能擁有一架全電動的小飛機(jī)，也許你可以朝著更大的方向努力？這就是事情變得非常困難的地方。雖然一些技術(shù)進(jìn)步很好地擴(kuò)大了規(guī)模，但飛機(jī)卻沒有。大型飛機(jī)（想想波音 787 夢幻客機(jī)）所需的電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電池所能提供的電量。

有一些基本數(shù)據(jù)需要承認(rèn)：787 的大型煤油燃料渦扇發(fā)動機(jī)每公斤可提供約 12,000 瓦時，而頂級鋰離子電池的功率約為 300 Wh/kg，相差 40 倍。即使電動飛機(jī)的電動機(jī)比噴氣發(fā)動機(jī)效率更高，但仍有很長的路要走。此外，液體燃料飛機(jī)還有一個次要優(yōu)勢，因為它們在燃燒燃料時重量會減輕，這與電池驅(qū)動車輛的情況不同。

鐵路呢？

空中的士和小型飛機(jī)可能會因其“酷”的因素而受到關(guān)注，但還有一個更平凡的地方，電力實際上可能更有意義并且更早這樣做。美國的鐵路承載了大量的貨物——多少和多少百分比取決于你所看到的指標(biāo)——它們比卡車更有效率。由于美國的距離和其他因素，這些貨運(yùn)列車不像某些國家那樣采用懸鏈線驅(qū)動的全電動發(fā)動機(jī)。相反，它們由柴油電力機(jī)車提供動力，機(jī)載柴油發(fā)動機(jī)（通常為 5K 至 12K 馬力）驅(qū)動交流發(fā)電機(jī)，交流發(fā)電機(jī)輸出驅(qū)動軸裝牽引電機(jī)。

與飛機(jī)相比，與鐵路相關(guān)的技術(shù)問題更具有界限、更標(biāo)準(zhǔn)化、更明確，這是一件好事。由勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL/加利福尼亞州）的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊最近在Nature Energy 上發(fā)表了一篇論文“將柴油列車轉(zhuǎn)換為電池電力的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和電網(wǎng)彈性效益”，提供了詳細(xì)的建議和分析，以充分利用使這些柴油電力機(jī)車通電。

該安排將在機(jī)車后面安裝一輛裝有電池的動力車，并連接到牽引電機(jī)動力子系統(tǒng)，以代替柴油發(fā)動機(jī)和交流發(fā)電機(jī)（可以保留在原位作為備用）。這種動力車可以是定制設(shè)計的小車，也可以是帶有大型電池模塊的平板車，可以根據(jù)需要打開/關(guān)閉，或在其他地方用作電池備份單元。

該論文從多個技術(shù)、成本和實用性的角度審視了該提案，并為節(jié)約成本和環(huán)境效益提供了強(qiáng)有力的理由。我當(dāng)然無法找到他們的假設(shè)——而且有很多——可能過于樂觀的領(lǐng)域。我確實喜歡他們甚至有一張圖表，顯示他們的結(jié)論對原始假設(shè)中的增量的敏感性。

他們的提議中有幾個諷刺之處。當(dāng)然，第一臺機(jī)車是蒸汽動力的，而且?guī)缀蹩偸抢惠v裝滿木材或煤炭作為燃料的招標(biāo)車。因此，他們提出的安排有一些“回到未來”的方面。

此外，為機(jī)車提供電力的問題不僅適用于全尺寸、真實的火車——即使是模型鐵路車也有這個問題。這些模型的動力，無論規(guī)模如何，都通過軌道（軌道）傳遞到車輪，并由微小的刷子拾取，這些刷子將電流輸送到模型中的電動機(jī)。

雖然將鐵軌用于雙重目的似乎是一個很好的方案，而且?guī)缀鯖]有什么用處，但它存在一些與拾取刷、間歇連接、鐵軌間隙和軌道循環(huán)的“反向循環(huán)”相關(guān)的實際問題回到自身，從而產(chǎn)生短路。為避免這種情況，模型的列車員必須在列車在環(huán)路中時手動切換軌道極性或添加自動極性反轉(zhuǎn)模塊。

現(xiàn)在，一些模型鐵路產(chǎn)品供應(yīng)商，例如 CVP USA 的AirWire900 電池供電的無線 DCC 控制系統(tǒng)，提供帶有車載電池的系統(tǒng)，可在機(jī)車后面的招標(biāo)中攜帶，運(yùn)行時間為 20-30 分鐘。通過車載電池組提供電機(jī)動力消除了使用軌道作為電力軌道的所有相關(guān)問題，除了它們最初作為鐵路車輛軌道的作用。在某些方面，LBNL 論文中的提議和分析是對建模者試圖做的事情的大規(guī)模再現(xiàn)。

您如何看待全電動空中出租車、小型飛機(jī)甚至中大型飛機(jī)的可行性？可取但不切實際？也許在十年左右？或者，在可預(yù)見的未來，電池能量密度數(shù)字和相關(guān)技術(shù)問題是否難以克服？那么電池供電的貨運(yùn)列車呢：它們會在飛機(jī)之前被采用嗎？