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2017-11-18 | 星期六

【专栏】新能源汽车漫谈

发表: 2017年04月20日

直到將近100年後的1997年,日本豐田公司才向市場推出了普銳斯(Prius),世界上第一個大規模生產的混合動力乘用車。(Getty images)
直到將近100年後的1997年,日本豐田公司才向市場推出了普銳斯(Prius),世界上第一個大規模生產的混合動力乘用車。(Getty images)

 文/黄海默 汽车工程师

自从19世纪末,汽车工业开始形成规模以来,这个现在被定义为「传统制造业」的行业已经走过了一百多年。随着制造业科技水平的不断发展,各大汽车厂商不断推出新的车型。一项统计显示,在美国销售的汽车型号,从1970的140多种,发展到1998年的260多种,而到2012年,这个数字已经达到了684种。然而一直到本世纪初期,这些不同的车型,仍然都是「汽」车:他们靠燃烧汽油或柴油来驱动。

尽管现在石油价格持续低迷,如果我们看一看石油价格的歷史数据的话,不难发现,1970年代开始油价节节攀升,在1980年曾经达到过110美元每桶,此后的油价开始下跌和震盪,在1998年出现了16美元每桶的低点,自那以后又开始快速升高,直至2008年150美元以上的高价。70年代的那次油价高昇(石油危机),对美国汽车工业是一次巨大的震动,传统美国式的大排量高能耗「肌肉车」开始逐渐退出舞,多数美国人开始购买小型,节能的车型。而21世纪初的这次油价高昇,让汽车工业不得不开始思考石油的替代品。而近年来愈加严重的环境保护,气候变化问题,使得各国政府对汽车制造商提出了更加严格的排放要求。新能源汽车的开始逐渐变得重要起来。

根据维基百科的定义,新能源汽车「是指採用非常规的车用燃料作为动力来源或使用常规的车用燃料、採用新型车载动力装置),综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术,形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。」 通常来说,新能源汽车被分为四个大类:混合动力电动汽车,纯电动汽车,燃料电池电动汽车,和其他新能源汽车。而这里所说的非常规车用燃料,则指除汽油,柴油,天然气,液化石油气,乙醇汽油,甲醇,二甲醚之外的燃料。「其他新能源汽车」这个分类下目前并没有实际的商业产品问世,多数仍然停留在实验室或概念车阶段。

混合动力电动汽车的商业化已经有相当的时日,许多常规车型现在都有「混动(hybrid)」的版本以供选择。有趣的是,混合动力汽车的概念和技术其实有很悠久的歷史,悠久到几乎和汽车工业一样悠久:早在1899年,保时捷汽车的创始人斐迪南·保时捷就造出了一辆油电混合动力的汽车,名叫罗纳-保时捷(Lohner-Porsche)。该车由电动机驱动,而电机由电池和汽油发电机来供电。当然,这个跨时代的设计在当时来说太过超前,只能成为一个科技传奇。直到将近100年后的1997年,日本丰田公司才向市场推出了普锐斯(Prius),世界上第一个大规模生产的混合动力乘用车。

既然提到了普锐斯这个代表性车型,就需要介绍一下油电混合动力车的分类:如果根据混合动力的程度来分类,可以将混合动力车分为轻度,中度和重度混合动力,以及插电式混合动力系统。

轻度混合动力,虽然同时拥有内燃机和电动机两种能量来源,然而驱动汽车行进的仅仅是内燃机,电动机的作用主要是帮助内燃机启动及在内燃机停止工作时提供电力供应车内电器。这种系统又被称为怠速熄火系统(Start-Stop System)。虽然电动机在帮助内燃机启动,以及在减速,剎车时自动关闭引擎而维持其他系统运行的过程中减少的油耗,提高能源利用效率。但电动机并没有对汽车行驶本身提供动力。目前市场上的许多车型都已经配备了这样的系统,但是它们并不会被标注为「混动(hybrid)」车型。

中度混合动力,同时拥有内燃机和电动机,且两种动力来源可以同时驱动汽车行进。但是其中一种动力来源为主,可以独立驱动车辆,而另一种则是次要动力来源,辅助主要动力来强化性能,减轻负担。在一些设计中,用输出较低的主要动力配以辅助动力后,变成标准输出功率,提高能源利用效率。而在另一些设计中,以标准输出功率的主要动力配上辅助动力后,提高整体输出,即提高能源利用效率,又增强车的性能表现。目前市场上的多数「混动(hybrid)」 车型,都属于这个类型。值得一提的是,丰田推出的第一代普锐斯(Prius)由于技术的限制,採用的正是中度混合动力系统,即电动机作为辅助动力。到了第二代产品,才改用了更先进的重度混合动力设计。

重度混合动力,内燃机和电动机均可作为单一动力驱动汽车行驶,也可以两者同步驱动产生更大的动力。在重度混合动力系统中,车内控制电脑起着相当重要的作用,负责决定内燃机和电动机在何时单独驱动,何时同时提供动力。一般来说,在起步或低速时,内燃机效率较低,由电动机完全驱动车辆行驶,而与此同时,视电池状况,内燃机可能会驱动发电机向电池充电。当车速提高到内燃机的高效运转范围内时,汽车将交由内燃机驱动。而在加速,爬坡等状况下,内燃机和电机可能同时运作启动车辆,提供额外的动力。

插电式混合动力汽车与后要说到的全电动汽车其实非常类似,主要靠外来电源为车辆充电,以电机驱动汽车行驶。而上讲到的轻,重,中度混合动力车型,都不能通过外接电源充电。不过对于插电式混合动力汽车来说,在缺乏电源的情况下,可以靠内燃机引擎来驱动车辆行驶(直接驱动汽车或间接驱动发电机为电动机供电)。这里仍然要提到丰田的普锐斯(Prius)。丰田于2011年正式发表了插电式混合动力版的普锐斯(Prius Plug-in Hybrid)。目前2017年款的插电版普锐斯可以在全电模式下行驶25英里,而在内燃机的辅助下,可以行驶640英里。目前在北美市场上另一种常见的插电式混合动力车型是通用汽车公司的雪佛兰Volt。通用汽车公司将该车的动力系统归为 「增程型电动系统」 ,避开 「混动」 这个名字,因为该车型的驱动全部由电机完成,内燃机只起到驱动发电机的作用,因此整车的动力系统更接近于纯电动车或燃料电池汽车。需要指出的是,当驱动汽车的动力全部来源于电动机时,由于可以实现或近乎实现无级变速,驾驶感受将会有明显的区别。

与混合动力汽车相比,家用纯电动汽车在市场上出现的更晚,目前的商业化车型也比混合动力车型要少。其实电动汽车的歷史甚至比内燃机驱动的汽车更久远。早在1834年,美国人托马斯·达文波特就制造出了第一辆直流电机驱动的电车。而内燃机汽车一般认为是由德国人卡尔·本茨(奔驰品牌的创始人)于1885年制造出来的。而在19世纪末到20世纪初,由于蓄电池技术的发展,电动汽车甚至于内燃机汽车一样活跃于汽车市场。但随着石油工业的崛起,内燃机技术的进步,以及电池技术的限制,电动车逐渐失去了竞争力。直到1990年以后,随着能源环境问题的日益严峻,电动车才重新回到大众的视野。

传统内燃机汽车及混合动力汽车,内燃机及变速箱往往是最关键的技术。而对于纯电动车来说,决定了最大行程,充电时间的电池则是最重要的关键技术。另外,建造成本对于家用汽车市场来说,也是一个不可忽视的重要因素。在纯电动车与内燃机汽车的比较中,重要的性能参数包括了行驶距离,加速性能,充电时间等。目前来说,行驶距离上电动车目前并不理想。目前特斯拉公司生产的Tesla Model S车型在高配型号下一次充电可以行驶265英里,仍然低于一般内燃机汽车,而且Model S接近7万美元的起步价,定位在豪华车级别,不能普及。特斯拉公司即将推出的Model 3车型,和通用汽车公司即将推出的雪佛兰(Chevrolet)Bolt EV车型,均可达到单次充电行驶200英里以上,并且把价位控制在4万美元以下。而在加速性能方面,纯电动汽车已经与内燃机汽车没有差别,甚至有一定的优势: 特斯拉的Model S可以在3秒内加速至100km/h,这已经能够跻身性能最好的跑车之列。而充电时间也是纯电动汽车与内燃机车相比的一个劣势。相比几分钟的加油时间,几十分钟甚至几个小时的充电时间显得太长。为此,一些公司也在考虑直接更换电池的技术路线。但是成本及安全性始终是需要考虑的问题。

纯电汽车由于动力系统相对传统汽车简单,而电机的能量利用效率又大大高于内燃机,加上纯电动汽车本身在行驶过程中的零排放(但是在制造过程及电力生产过程中仍然有排放和污染,但是相对集中,更容易控制管理)特性,纯电汽车有朝一日成为主流似乎是一种必然。实现的早晚主要就看电池技术的发展速度了。目前一提到电动汽车就会提到的特斯拉公司,成立于2003年,在短短10几年时间里就能在汽车行业中打出自己的响亮品牌,从一个反映了纯电汽车在设计制造,尤其是动力系统的设计制造方面的难度大大降低。内燃机汽车的动力总成(Powertrain)设计需要大量的技术积累,众多的专利与技术秘密将行业门槛抬的很高。而纯电动车却直接绕过了内燃机与变速箱的技术难点。有趣的是,今年通用汽车公司将其动力总成部门(GM Powertrain)更名为全球推进系统部门(GM Global Propulsion Systems),这是否预示着各大传统汽车厂商也将大力投入新的战场呢?

http://i2.mirror.co.uk/incoming/article6233145.ece/ALTERNATES/s615/Electric-Car.jpg

(Getty images)

最后聊一聊燃料电池汽车。简单来说,燃料电池汽车就是将纯电动汽车的电池组,换为燃料电池。电池组靠外接电源充电,而燃料电池则靠加註燃料,通过化学反应转化为电能。目前的汽车用燃料电池多採用氢气作为燃料,反应后的产物为水,被认为在行驶过程中没有污染。燃料电池汽车与纯电汽车相比,最大的优势在于充能时间:加註氢气的时间和内燃机汽车加油时间几乎一样段,几分钟内即可完成。而燃料电池汽车的最大挑战,就是燃料电池技术。

虽然燃料电池也是一个发展了多年的科技,但是应用在汽车,尤其是家用汽车上,则需要对成本,尺寸,效率等等诸多问题。虽然诸多汽车厂商都在研发燃料电池汽车技术,目前真正商业化生产的氢气燃料电池汽车只有丰田的Mirai(取自日语 未来 的发音)。该车型一次加氢后可以行驶312英里,于2014年12月在日本销售,2015年则开始在美国加利福尼亚州销售。燃料电池汽车与纯电汽车有着所谓技术路线之争(充电还是加氢?),在几年以前,特斯拉公司名声鹊起的时候,纯电汽车路线曾经佔到上风。不过随着丰田Mirai的商业化,以及其他厂商对燃料电池的不断投入和开发,目前鹿死谁手还很难判断。

通用汽车公司总裁Mary Barra女士说:「我相信汽车工业在未来5-10年将发生的改变会比过去50来的还要大。」 的确,新能源,自动驾驶技术,这些近在眼前的技术革新也许会彻底改变人们的出行方式与习惯。让我们拭目以待,汽车工业将给我们带来怎样的未来。

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