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


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。

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。

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。

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。

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

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。”