清洁能源,阳光助跑

全球首款太阳能汽车,一次充电可续航 450 英里


A Lightyear One solar-powered car parked in a driveway in front of a house.

Lightyear One 太阳能汽车于 2019 年首次亮相。图片所有权:Lightyear

在加州硅谷,荷兰 Lightyear 公司的联合创始人兼首席技术官 Arjo van der Ham 正坐在一辆 SUV 汽车里。旧金山阳光明媚,正是 van der Ham 喜欢的天气。他正在进行一场为期三周的巡展,展出该公司开发的第一辆太阳能汽车 Lightyear One 的原型。

“我们非常希望制造一辆太阳能汽车,让汽车充电不再成为问题。”

Lex Hoefsloot,Lightyear 首席执行官

他的车窗外是一辆线条优美的银色轿车,这辆车自 2019 年 6 月首度公开以来便一直占据着新闻头条。汽车的引擎盖和车顶覆盖着 54 平方英尺的纤薄黑色太阳能电池板,只要有阳光,它就会一直为汽车的电池充电。Lightyear One 的行驶里程因气候和驾驶频率而异,但如果把它放在永远有阳光并且阳光不会被遮挡的地方,那么光靠太阳能,它每年就可以行驶 12,000 英里。在有树荫的地方或停放在车库内,这辆车每年可行驶约 8,300 英里,而在荷兰等多云的地区,它每年可以行驶约 4,375 英里。但这还不是全部。与传统的全电动汽车一样,超高效的 Lightyear One 可以插入 240 伏的插座(美国标准)或直流快速充电站中为电池充电,充满后其续航里程可达到 450 英里。

Lightyear 是一群工科大学生创立的创业公司,自 2016 年成立以来已逐步发展壮大。如今,公司有 130 名员工,其中既有青年人才,也有资深业内人士。Lightyear 被 LinkedIn 评为 2019 年荷兰最佳创业公司;而不久前,国际会计公司德勤也与 Lightyear 签订了一项租赁协议,其中包括向 Lightyear 购买 100 万公里的可持续汽车里程。

根据这一的发展势头,van der Ham 和他的团队认为,到 2035 年,他们可以实现一光年太阳里程(相当于 5.88 万亿英里)的目标。这也是该公司名称的由来。支撑这个目标的,是公司怀揣的一项使命:将人们从电源线中解放出来,不再依赖充电站,并为每个人提供清洁的出行方式。该公司的首席执行官 Lex Hoefsloot 在汽车发布会上对观众说:“我们非常希望制造一辆太阳能汽车,让汽车充电不再成为问题。”要完成这项使命,他们需要将电动汽车技术的效率提升到前所未有的高度。

Lightyear 的起源

Lightyear 的发展之路始于普利司通世界太阳能车挑战赛。这项比赛始于 1987 年,每两年举办一次,要求工程师制造出仅靠太阳能就能行驶 1,875 英里的汽车。比赛路线横跨澳洲大陆,起跑线位于北部海岸的达尔文市,终点位于南部的阿德莱德。每个团队必须设计出一个系统,利用不超过 64 平方英尺的太阳能电池板,有效地平衡电力资源和能源消耗。如果汽车行驶太快,它会从电池中吸取过多的电能,然后熄火。而如果速度太慢,则会输掉比赛。

这辆为 2013 年世界太阳能车挑战赛设计的汽车在 40 小时 14 分钟内行驶了 1,875 英里,最高时速达到了 74.6 英里。

A group of students from Solar Team Eindhoven, including the three Lightyear cofounders, are standing beside the Stella solar car at the 2013 Bridgestone World Solar Challenge.

2013 年世界太阳能车挑战赛中的 Stella 太阳能汽车与 Solar Team Eindhoven 团队。联合创始人:首席财务官 Qurein Biewenga(左),首席技术官 Arjo van der Ham(左二)和首席执行官 Lex Hoefsloot(汽车右侧)。图片所有权:Bart van Overbeeke,TU/e

Van der Ham 听说过这场比赛,但当时没什么想法。在埃因霍温大学 (Eindhoven University) 学习电气工程的第三年,他开始计划继续攻读硕士学位,然后在一家公司找到一份工作。但突然有一天,他的同学 Lex Hoefsloot 提出见一面。Hoefsloot 说他正在组建一支队伍参加 2013 年世界太阳能车挑战赛,希望 van der Ham 能加入。Van der Ham 有些举棋不定,但当这两位工程师开始在黑板上绘制电气图时,他开始对这个想法产生兴趣。一小时后,van der Ham 告诉 Hoefsloot,他要回家考虑一下。van der Ham 说:“当我回到家时,我想,‘我还考虑什么呢?’我给他回了电话,说,‘是的,我要参加。’”

那一年,有 20 名学生加入并成立了 Solar Team Eindhoven 团队。在将近一年的时间里,该团队在埃因霍温大学电子工程和机械工程系几位老师的指导下,不分昼夜、不计周末地工作,以完善其参赛汽车 Stella 的设计。他们参加了世界太阳能车挑战赛的“巡洋舰组”(Cruiser Class) 比赛,这组比赛注重汽车的实用性设计。(“巡洋舰组”的参赛汽车都是为实现持久耐力而制造的单座空气动力学汽车。)

Stella 以首辆四座“家庭轿车”为卖点,它由轻质材料制成,并将电机装在车轮上,以使其重量保持在 840 磅。该团队利用 MathWorks 的 MATLAB® 和 Simulink® 设计出高效的能源管理系统,既有助于高效利用太阳能,同时也减轻了电池的重量。该赛车搭载三名乘客完成了整个赛程,平均时速为 41.6 英里,最高时速为 74.6 英里。它在 40 小时 14 分钟内完成了比赛。另一个团队用时稍短一些,但 Solar Team Eindhoven 团队的设计因能够容纳多人而获得了额外的加分。团队最终以 97.5 分的成绩获得了“巡洋舰组”第一名。

The second-generation solar car from Eindhoven University, the Stella Lux.

联合创始人就 Stella Lux 的设计为 2015 届参赛队伍提供建议,Stella Lux 在 2015 年再次赢得了世界太阳能车挑战赛“巡洋舰组”比赛。图片所有权:Bart van Overbeeke,TU/e

他们的成功方案再次获得了回报。两年后,2013 届参赛队员为埃因霍温大学的新工程师团队提供建议,新团队的 Stella Lux 汽车再次获得“巡洋舰组”比赛的冠军。van der Ham 谈到:“人们开始说,‘这很酷,但它什么时候才能上市呢?’”于是这些工程师开始意识到,他们可以将这项技术商业化。Hoefsloot、van der Ham 和另外两名参赛队员 Qurein Biewenga 与 Koen van Ham 从他们的朋友和家人那里筹集了启动资金,而当埃因霍温大学的工程系学生参加 2017 年世界太阳能车挑战赛时,Lightyear 已经制造完成了。

当 Solar Team Eindhoven 在 2017 年第三次参加世界太阳能车挑战赛时,van der Ham 和其他 2013 届参赛工程师只做了很少的参与,但该团队依然凭借 Stella Vie 赢得了比赛。与此同时,Lightyear 已经举办了一次投资人交流会,开始向更大的投资人推销产品。到 2019 年春季,他们已经获得了 2,000 多万美元的资金,并准备在当年 6 月推出第一款原型车。

Static charging the solar car Stella on day six of the 2013 Bridgestone World Solar Challenge. Image Credit: Bart van Overbeeke, TU/e

在 2013 年普利司通世界太阳能车挑战赛的第 6 天,静止充电的太阳能汽车 Stella。图片所有权:Bart van Overbeeke,TU/e

性能化思维

van der Ham 表示,赢得 2013 年世界太阳能车挑战赛的关键是采用了“性能化思维”。设计一辆能够平衡发电与电力需求的汽车涉及多方面的问题,而他们将其简化成了一个简单的问题:行驶一英里需要多少能量?然后,他们使用 MATLAB 和 Simulink 优化了太阳能电池板、电池和空气动力学性能。例如,在搭建汽车的车顶时,他们需要在完全展平且较宽的形状(可以最大程度地接触到阳光)与可以减少风阻的曲面之间找到适当的平衡。通过在 Simulink 中运行仿真,他们能够斟酌这类设计微调,并找到提高效率的最佳折衷方案。

这种思维方式以及对 MATLAB 和 Simulink 的运用延续到了他们的商业化阶段。作为一家初创公司,Lightyear 最初通过 MathWorks 初创企业计划获得了产品和支持。Van der Ham 表示,这些产品和支持是他们平稳过渡的关键。他们早期聘请的所有工程师都来自埃因霍温大学,而 MATLAB 和 Simulink 在该校十分普及。作为一家初创公司,能够使用熟悉的技术无疑保障了平稳过渡。

他谈到:“你肯定希望自己的团队能够高效地工作,如果他们所用的工具不仅是最好的,而且也是他们所熟悉的,那么他们的工作效率就能最大化。”

Lightyear One 是他们工程知识与能力的结晶,这是一款极为轻盈、节能且空气动力学性能出众的电动汽车。他们使用轻质材料和小型电池组,并在每个车轮中安装轮式电机,而不是依靠单个大型发动机和传动系统,从而成功将汽车的重量限制在 2,870 磅。

汽车的电子器件能够高效地将阳光转化为电能,同时优化了汽车从电池中获取的电量。这些使得 Lightyear One 每英里仅耗电 160 瓦时。

The Stella solar car on the racetrack at the 2013 Bridgestone World Solar Challenge.

Stella 参加 2013 年普利司通世界太阳能车挑战赛“巡洋舰组”比赛。图片所有权:Bart van Overbeeke,TU/e

“你肯定希望自己的团队能够高效地工作,如果他们所用的工具不仅是最好的,而且也是他们所熟悉的,那么他们的工作效率就能最大化。”

Arjo van der Ham,Lightyear 联合创始人兼首席技术官
The Lightyear One car driving on a road

Lightyear One。图片所有权:Lightyear

Lightyear One 的空气动力学外形进一步提升了汽车的效率。它拥有修长的外形,以及类似于飞机机翼横截面的坡度。其他一些设计,例如在后轮上增加车轮罩、用摄像头代替左右后视镜等,都进一步提高了效率。风洞测试显示,Lightyear One 打破记录,成为迄今为止空气动力学性能最佳的五座电动车

Van der Ham 表示,随着公司的发展,他们将继续利用自己的工程专业知识和最先进的工具来提高性能。van der Ham 谈到:“我们并不止步于‘好’,而将不断致力于更上一层楼。”