去年夏天，当我驾车在旧金山半岛时，我看到了美国汽车文化发生的巨变。满眼望去，插电式电动汽车和充电站似乎无处不在。在斯坦福大学入口处，我看到了三辆车发生了小型刮蹭，但是三辆车都是电动汽车！也许最明显的是：Tesla 旗下电动车 Model S 成为了新的身份象征，尤其是对于那些深谙行业技术的人来说更是如此。迄今为止，Model S 已经销售了超过 9 万台，因此在湾区的道路上到处都是它的身影。
特斯拉的 Model S 和新款 Model X SUV 无疑是工程史上的奇迹。在特斯拉 CEO 伊隆马斯克的眼中，它们都是汽车行业的变革者。和当今世界最好的内燃机汽车相比，这些环保型超级汽车具有良好的舒适性、功能性和便捷性，且非常环保，正如目前 Model S 所打出的口号一样：零排放，零妥协。
高端汽车 Model S 和 X 系列（在美售价超过 10 万美元）的销售收入可用于生产为普通大众量身打造的 Model 3，该车型有望在今年三月亮相，2017 年正式进入量产。最终，当这些电动汽车和其他电动汽车与光伏系统和能源存储系统紧密联系在一起时，他们将会彻底扰乱现在的汽车行业以及化石燃料领域，并且在该过程中积累一定的环境效益。正如马斯克所言，特斯拉 Model 绝非单纯的汽车制造商，这是一家「能源创新公司」，这也是该公司在更高追求——零排放发电方面的关键要素。
财政界和环境界对此持怀疑态度的人对于海湾的这家初创公司的能力提出了质疑，以及对于整个汽车市场可以实现「绿色化」也充满了疑问。对于这种论调，在这里我并不会讨论太多。我是科技领域的历史学家，我相信特斯拉正在创造历史。
CARB 助力电动汽车诞生
去年夏天，我和电动汽车用户们一起讨论了汽车以及相关政策法规。通过讨论，我意识到纯电动汽车（BEV）对于现有市场秩序的冲击或许将会比马斯克所承认的还要更加猛烈。实际上，当以汽油为动力的汽车出现之时，电动汽车就已经存在，但是其发展一直不愠不火，直到最近数十年，由于加州的空气质量相关法规的出台，使得制造零排放车辆（ZEV）的任务变得愈发迫切。
该任务由加州空气资源委员会（CARB）率先提出，也是全世界第一个发出此类倡议的地区，其具有非常大的国际影响力。该项法规使得当时加州的七家主要汽车制造商（包括克莱斯勒、福特、通用、本田、马自达、日产和丰田）开始生产不排放污染空气的尾气的汽车。谁占有的市场份额大，谁需要生产的零排放汽车就越多。具体来说，加州空气质量委员会规定加州的汽车制造商需要在每种型号中生产一定份额的零排放汽车（ZEV），其比例分别为：从 1998 年到 2000 年为 2%；2001 年到 2002 年为 5%；2003 年为 10%。
经过综合比较，符合 ZEV 标准的技术就只剩下了纯电动汽车这一种选择方案。对于汽车行业来说，没有人愿意去改动已经存在的生产线，因此他们采取了不同的回应方式：消费者希望获得这样的汽车——清洁环保，且速度超快；可以长期使用；非常有个性，且和汽油型汽车一样方便快捷。很显然，当下的这种电动汽车是无法满足这样的要求的，因此我们需要开发新型零排放技术，但是这一切都需要更多的时间。可以说，这就是当时汽车行业的救命稻草。最终，这项提议生效了：1996 年 CARB 有意弱化了之前的指标，即取消了在 1998 年到 2002 年之间的推出电动汽车的任务。反过来，汽车行业也承诺会在原计划之前推出纯电动汽车，但前提是数量非常有限，且仅提供租赁服务。
甚至当汽车行业在故意拖延开发纯电动汽车的步伐时，他们也从不间断地在推出更多的选择，以满足零排放汽车的要求，例如混合动力汽车（1998 年获得承认）。混合型动力汽车的问世部分地满足了汽车制造商对于零排放汽车的要求，只是其行驶过程中也可以使用汽油。最终，CARB 不得不推出了一个 ZEV 的子类别 PZEV（即部分零排放汽车），即混合型动力科技。
相反，氢燃料电池汽车将不会排放污染物。自 19 世纪中期燃料电池发明以来，它就以一种神奇引擎的姿态吸引了技术专家的青睐，这是由于燃料电池结合了电池和内燃机的特色。通过将电氧化气态和液态燃料储存在传统的储罐中，燃料电池使得电动汽车可以最大限度地利用目前的化石燃料基础设施，其发展的速度要远快于纯电动汽车。至少从理论上看是这样。事实上，研究人员仍然在努力让这项技术变得更加现实。然而，燃料电池超级电动车的明朗前景对于 CARB 来说已经足够了。通过一系列复杂的计算公式，董事会允许汽车制造商通过使用电池、燃料电池和混合动力汽车来增加其在 ZEV 方面的评级，同时也允许汽车制造商对 ZEV 信用进行交易，获得贷款等。
ZEV 的研制任务为通用汽车公司的 EV-1 提供了很好的舞台。在 1990 年一月的洛杉矶汽车展上，该公司推出了一款全电动概念车 Impact。但是该型号汽车的投产却不是基于市场需求来进行的。Michael Shnayerson 在其 1996 年发行的经典书《本来可能的车：通用公司电动车革命的内幕》（The Car That Could: The Inside Story of GM』s Revolutionary Electric Vehicle）中揭露，这款车之所以被 CEO Roger Smith 推出，主要是基于内部政治原因。Smith 很快意识到他打破了束缚精灵的魔法瓶，且走向了无法控制的边沿，公开指出了现有充电电池的局限性。但是为了配合完成 ZEV 的配额任务，通用公司在 1996 年面向市场推出了 EV-1，且在加利福尼亚州和亚利桑那州提供租赁服务。
现在，CARB 不再要求通用公司或者任何其他汽车制造商保持其像第一代那样符合规定的租赁汽车。因此汽车制造商也没有再继续坚持，相反，他们选择了收回或者让这些汽车退役。通用公司将大多数 EV-1 汽车进行了销毁，这在当时也是一个非常流行的热点事件，甚至被记载于电影《谁杀死了电动汽车》（Who Killed the Electric Car?）中。
Tesla（特斯拉汽车公司）横空出世
2003 年，硅谷工程师 Martin Eberhard 和 Marc Tarpenning 成立特斯拉汽车公司就是对这一惨败的直接回应。在起草自己的商业模式时，他们偏偏选择了当时被汽车行业普遍放弃的道路：生产纯电动汽车。汽车行业认为，当时的电池并不适合用于电动车，并且消费者也并不会购买电动汽车，因为其无法通过脉冲来提高汽车的性能。根据实际情况，他们选择了开发一款配备了锂离子电池的高端跑车，因为锂离子电池是可获得的最强劲的化学能，且也最有前途。绿色超级跑车的神话尽管是汽车制造商们为了维持现状发明出来的，但是却通过这种方式成为了动摇当前汽车产业的商业计划的基础。
2004 年马斯克在加入了特斯拉汽车公司以后，他就努力让这种超级汽车的概念进行延续。从商业模式的角度来讲，这确实非常有意义。对于这样一家刚刚成立的公司，想要努力推翻现状、越过巨大的行业准入壁垒，采用与超级汽车相关的宣传有助于特斯拉吸引投资人的目光。然而，更重要的是，超级汽车掩盖了电池驱动电动汽车的技术和工业意义。观察家倾向于将每千瓦小时的电池成本作为商业化电动汽车的一个非常重要的指标。事实上，特斯拉一直致力于将汽车驱动成本从每千瓦小时的 400 美元降低到 200 美元。在内华达州的大力帮助下，并且在与松下达成了合作意向之后，该公司目前正在里诺附近建造一个巨大的 50 亿美元量级的电池组组装厂（即所谓的 Gigafactory 1）。大型电池组确实象征着电动汽车成本的下降。在最高性能版本的 Model S 中，这些电池组占到了汽车零售价格（从 95000 美元到 138000 美元）的 30%。
但是这种以单位能量成本来衡量的方式掩盖了电动汽车的一个真正的挑战，那就是电池的老化问题。增加电池的容量和功率是一件比较直接的进步，而要想将电池的寿命延长则是一个更加艰难的过程。智能手机、平板和其他便携式消费电子产品的电池寿命的问题就没有这么突出，因为便携式消费电子产品的设计寿命一般只有几年；然而，这对于电动汽车来说确是非常重要的。
电池使用年限的评估并不是一个发展很完善的科学，其中最基本的衡量指标包括充放电次数。最现代的电动汽车的设计人员一般都青睐于锂离子化学，尤其是能量和功率经过优化的电池。这样的电池通常都有一个相对较短的使用寿命，当暴露在高温和高电压下时会迅速老化。一些类型的锂离子电池非常易燃，需要相对较贵的控制系统才能安全使用。当然，电动汽车使用的电池是在实验室经过严格测试的。但是真实的使用环境相对更加复杂，因此从实验室获得的预期使用寿命通常不够准确。例如，一些日产聆风的车主发现，其电池的下降速度要远远快于理论预期。
可以肯定的是，即便是最好的电池，当用在汽车上时，也会早于汽车而失效，这意味着电池驱动的电动汽车需要频繁更换电池，这一点或许消费者并没有意识到，更不用说愿意为这一部分买单。实际上，汽车制造商很少有自己生产电池的（也有一些汽车公司会选择自己组装电池组，例如特斯拉和宝马公司），因此汽车高管一般都对建造电动汽车没有太多好感，相反，主要是那些电池制造商比较感兴趣，例如 LG 化学和松下。
电动汽车的电池难题
那么为什么汽车制造商们不自己建造电动汽车电池呢？一个原因是，市面上已经存在的电池制造商已经具备了一定的经济规模，想要赶上这些公司需要花费很大的努力。目前只有日产采取了这样的策略，并且只与日本电子产品巨头 NEC 合作。当日产聆风的需求衰退时，汽车制造商甚至考虑使用韩国 LG 化学的电池（LG 化学主要为雪佛兰 Volt 插电式混合动力车生产电池组）。
事实上，大多数新的电动汽车使用者都会选择租赁电动车，而不是购买，部分原因是汽车制造商通常都会承诺将会推出更加便宜和电池更加强劲的新版汽车。但是这种策略可能会适得其反：电池补贴这种方式可能会使得消费者对于成本下降感到高兴，但是这也无疑会侵蚀汽车制造商的电动汽车的盈利能力。毫无疑问，大多数主流的汽车制造商都不愿意开发纯电动汽车。一个风险稍小的策略是开发混合动力型电动汽车，这种技术将内燃机和小型电池组结合在了一起。
迄今为止，唯一在混合动力汽车方面投入较大精力的汽车制造商是丰田。它选择了一种相对较小的镍氢电池，这种电池由美国发明家 Stanford R. Ovshinsky 发明，可靠、安全、且功率强大。在第一代混合动力汽车中，这种电池还只是扮演协助的角色。通常情况下，混合动力汽车的电池的寿命都要小于汽车本身的寿命，但是更换电池的成本一般都低于 3500 美元。因此，丰田公司在 1997 年推出的普锐斯（Prius）的生命周期可以和传统的汽油型汽车相媲美。
但是这种情况并不适合于纯电动汽车。Model S 的电源组现在已经达到了 70-、85 和 90 千瓦时，堪称科技奇迹。这种电池的设计寿命是 8 年，或许 8 年之后其还可以正常工作，但是其储存电量的能力或许会大打折扣。对于大多数司机来说，电池电量折损 25% 并不是一件好事。实际上，关于电池寿命的这种保证仍然是一个开放性的问题，这使得特斯拉可以依赖慷慨、但是短暂的国家补贴，这些补贴包括 7500 美元的联邦税收抵免、来自州的补贴、以及可以通过向竞争对手出售 ZEV 信用来获得收入。
所有这些关于电池寿命的不确定因素对于过去的电动汽车市场有一个非常有趣的影响。低端系列电动汽车的折旧率比汽油型汽车的折旧率更快，现在其售价已经非常亲民了。例如，2012 年日产聆风的零售价大约是 36000 美元，而到了 2015 年只需要 8000 多美元就可以购买。
另一方面，得益于特斯拉的转售保证（这一措施鼓励消费者在三年之后进行交易），Model S 可以最大限度地保障其价值。这种方法的成功意外地催生了大量的非常昂贵的二手电动汽车。当我在去年六月拜访位于加州 Fremont 的特斯拉工厂时，我被严重过剩的超级汽车所震撼了。这也使我开始思考：为什么有消费者愿意支付 65000 美元到 100000 美元的代价来购买一辆二手的、且保修非常有限的 Model S？因为他们或许只需要再多花数千美元就可以购买一台全新的、全面保修的 Model S。
充电基础设施之殇
正当电动汽车的电池寿命经济学快要在公共讨论中销声匿迹的时候，关于充电的基础设施的问题又提了出来。由于关于超级汽车的意识形态不同，从而使得混乱和矛盾比比皆是。就电动汽车本身而言，有人认为使用者希望能够获得跟加油站一样的体验，因此需要尽可能多的建造充电站，使得充电过程尽可能地方便。因此充电也意味着快充——在低于 30 分钟的时间内充满电池的 80%。这也是特斯拉采取的方法，该公司已经建立了属于自己的专有网络，半个小时内为汽车的充电量可以让汽车跑 270 公里，且充电免费。
由于大容量电池的 Model S 和 Model X 的足迹非常广，因此其基础设施网络遍布美国（也有部分延伸到了加拿大）。由于其只能用于特斯拉的汽车，因此电动汽车的建造商抱怨说它实际上已经阻碍了电动车的发展。事实上，特斯拉快充是美国三种互不相容的快充标准之一（其他两种分别是 CHAdeMO 和 SAE）。一些批评人士指出，联邦政府不仅未能支持快速充电技术的发展，同时也没有补贴电动汽车的生产。
然而事实上，所有的电动汽车充电标准随着消费者不同也会发生变化。电动汽车的司机需要在家里为汽车充电一整晚，或者白天在其他充电点充电；他们可能还需要聘请电工来配置自己的车库插座；甚至高电流充电要求用户等待 30 分钟或更长时间来完成「加油」过程。
目前加利福尼亚拥有全美最多的非住宅式充电站：截止 2014 年 8 月，该州总共有超过 5700 个充电站。但是，很多充电站都安置在一些高知名度的工作场所，而在用户聚集的公寓楼和商业停车场则几乎是空白，而这也是电动汽车用户抱怨最多的方面。太平洋天然气和电气公司（Pacific Gas & Electric Co.，美国加州北部的主要电力公司）计划花费 2.22 亿美元修建 7500 个二级充电站（249 伏交流电）。
但是事实上在很多地方，充电基础设施都隐藏在众目之下。回溯到直接点火和燃料喷射装置提高汽油发动机的发动能力之前，在寒冷地区的司机通常需要对汽车的引擎区域进行预热。因此，120 伏交流插座在很多公共停车领域很常见，例如阿拉斯加、加拿大和斯堪的纳维亚地区。这些基础设施很多目前也都仍然存在，而且与其类似的插入式充电站可以非常迅速地建造起来，且价格低廉。
特斯拉的革命之路任重道远
我们都知道汽车行业的竞争非常大，那么为什么特斯拉可以得到其他汽车制造商的大力帮助呢？例如，戴姆勒和丰田公司分别在 2009 年和 2010 年向特斯拉投资了 5000 万美元。2010 年，特斯拉终于可以买下位于 Fremont 的工厂。答案是：各大汽车公司主要是为了利用湾区的这家初创公司来对冲强制进行技术变革的风险。对于他们来说，从短期来看，生产少量的、无法获得经济利益的、符合政府对零排放汽车规定的汽车是一种苦恼，同时这样做也可能带来一种让人不安的后果，那就是这些纯电动汽车或许最终会受到欢迎。但是在特斯拉身上，他们找到了解决方案：这些汽车公司可以从特斯拉公司购买 ZEV 信用，从而可以减少其必须生产的电动汽车的数量。这也帮助特斯拉在 2015 年第一季度获得了 5100 万美元的营收。
戴姆勒和丰田公司也和特斯拉公司达成了合作，为他们的电动汽车提供电池组，特别是梅赛德斯 - 奔驰 B 级两厢车和 RAV4 的 SUV。除了将自己的 ZEV 任务外包以外，这些汽车巨头也从这家初创公司身上学到了很多，正如 NUMMI 的合作伙伴关系使得通用公司可以学习丰田的精益制造一样。由于获得了来自行业和政府的鼎力帮助，特斯拉公司的股票一路上扬，股价从 2010 年的 26 美元涨到了 2015 年的 250 美元。2014 年 10 月，由于全球油价暴跌，戴勒姆和丰田公司将股票变现，获得了客观的收益。分析人员从不同角度进行了分析，但是我认为很可能是因为在那个时候由于油价暴跌，从而使得零排放汽车的优势不再明显。
对于丰田公司来说，混合动力汽车才是电动汽车的未来。在 2013 年的一次演讲中，瑞普斯项目的团队负责人兼丰田公司现主席 Takeshi Uchiyamada 曾经驳斥了这种观点，提出混合动力只是一种过渡方案，并且强调该公司将混合动力技术视为「两者之间的桥梁。」
没有人能够抹杀特斯拉，让特斯拉成长的客观条件依然存在。得益于丰富的工程和得天独厚的资本资源，加州建立了一种生态友好的创业文化。这是一个培养 Eberhard、Tarpenning 和马斯克的电动汽车意识形态的理想场所，没有任何一个地方可以像加州一样让这种先进技术可以发展得这么快，这么深入。特斯拉汽车，或者现代纯电动汽车在这种独特的环境下孕育，现在已经开始走向世界。但是当这种技术进入到另外一个环境中时，很多事情的进展或许并没有那么顺利。例如纽约时报记者 John M. Broder 曾尝试驾驶 Model S 从特拉华州到康涅狄格州，但是最后由于在寒冷条件下汽车电池的电量耗尽而使得计划最终搁浅。
因此，一些不方便的方面迅速成为了焦点。撇去特斯拉的口号不谈，电动车的工作方式显然不同于内燃车。更重要的是，电池老化的方式还并没有完全被弄清楚，而且这也和制造商有关。另一个比较重要的问题是，电动汽车的用户体验会随着用户所处的环境、气候和文化不同而有很大的差别。很多人对于汽油型汽车的认同感更强；对于他们来说，一台无声、清洁、高效的超级电动车其实并不是汽车。
在接下来将要推出的 Model 3 上，马斯克将会成为很多人的目标，这些人不是他的忠实粉丝，而是一些持怀疑态度的人：更加认同具有非常高水平的成本效益、便利性和复杂程度的现代汽油发动机技术的司机。马斯克希望 Model 3 能够和宝马公司的 3 系列相媲美，但是那些青睐宝马系列的客户未必会对超级电动车感兴趣。更现实一点，如何才能实现 Model 3 的大规模生产和销售，尤其是在加州以外的地区。最近摩根士丹利分析预测平均成本将会是 Model 3 计划零售价（35000 美元）的两倍。
特斯拉寄托在 Model 3 的梦想还面临着来自雪佛兰的博尔特的的挑战，该公司计划在 2016 年末实现量产。通用公司对于这款定位在 30000 美元、行程在 320 公里的纯电动汽车可谓寄予厚望，一些人甚至宣称在纯电动汽车的大众市场领域，通用公司已经远远超过了特斯拉。但是事实上日产聆风才更配得上这样的称号，迄今为止该公司已经销售了 20 万辆汽车。因此到最后，博尔特（Bolt）或许也只能复制雪佛兰伏特（Volt）混合动力电动汽车的悲惨境遇。事实上，在丰田推出瑞普斯十年之后，雪佛兰才推出了伏特（Volt）系列，这也预示了美国汽车制造商在该领域的命运。而通过博尔特，雪佛兰正进入了一个竞争对手都还没有开始盈利的技术领域。
事实上，混合动力汽车是大众能够负担得起的一种电动汽车。迄今为止，丰田公司已经售出了超过 800 万部这种汽车，尤其是瑞普斯，其销量高出其他纯电动汽车一个数量级。混合动力汽车是一个强大的市场，短期内很难被挑战，尤其是当关于大型电动汽车电池的经济成本公诸于世的时候，将更加不容易被撼动。
毫无疑问，就纯电动汽车技术而言，特斯拉已经达到了很高的成就。但是我们也不能忽视该技术的发展需要汽车领域发生巨大的变革，包括制造、使用和维护等方面。目前的问题不是纯电动汽车是否可以适应社会的需求，而是社会是否想要采用这种技术。特斯拉的革命之路还任重道远。
文章来源：IEEE Spectrum. 由 TECH2IPO / 创见 林云箫 编译，首发于创见科技（http://tech2ipo.com/），转载请注明出处。
