從很早開始，發(fā)明家們就期望能發(fā)明永動(dòng)機(jī)。在可預(yù)見的未來，石油消耗殆盡已經(jīng)迫在眉睫，別說發(fā)明，至少能向永動(dòng)機(jī)靠近一點(diǎn)的希望也就越發(fā)強(qiáng)烈。在充滿機(jī)動(dòng)車的世界里，這希望正在以混合電動(dòng)車的形式體現(xiàn)。混合動(dòng)力汽車的技術(shù)和市場前景怎么樣呢？

　　有位朋友帶著一個(gè)“可以申請專利的發(fā)明”來找我。他說這能賺個(gè)幾百萬，只是還需要一些幫助。

　　他將一個(gè)小號(hào)的電動(dòng)馬達(dá)粘在一塊板子的末端，沖著外面。馬達(dá)的軸上裝著一塊條形磁鐵——到處可以買到的便宜貨。馬達(dá)側(cè)面粘著另一個(gè)馬達(dá)，同樣裝著一塊條形磁鐵。兩個(gè)馬達(dá)靠的很近，但磁鐵不會(huì)直接接觸。板子上裝著六個(gè)這樣的馬達(dá)，他覺得只要第一個(gè)馬達(dá)開始旋轉(zhuǎn)，其它幾個(gè)就會(huì)跟著轉(zhuǎn)起來。我的朋友花了很多時(shí)間在這個(gè)項(xiàng)目上，他對(duì)此分外自豪。

　　他知道馬達(dá)可以作為發(fā)電機(jī)，但不知道如何才能利用馬達(dá)所產(chǎn)生的能量，覺得我這位電子工程師可以幫忙。他的點(diǎn)子是只需啟動(dòng)一個(gè)馬達(dá)，隨后的馬達(dá)就能跟著轉(zhuǎn)起來，產(chǎn)生五倍的能量。他覺得自己可以用一個(gè)馬達(dá)來為第一個(gè)馬達(dá)提供能量，這樣剩余四個(gè)馬達(dá)所產(chǎn)生的能量就能用在其它地方。

　　確實(shí)是個(gè)好點(diǎn)子。在他看來，磁性的傳遞讓這一切都成為可能。我說了他對(duì)此深感自豪吧？向他解釋能量守恒定律的時(shí)候我也不好受。

　　從很早開始，發(fā)明家們就期望能發(fā)明永動(dòng)機(jī)。在可預(yù)見的未來，石油消耗殆盡已經(jīng)迫在眉睫，別說發(fā)明，至少能向永動(dòng)機(jī)靠近一點(diǎn)的希望也就越發(fā)強(qiáng)烈。在充滿機(jī)動(dòng)車的世界里，這希望正在以混合電動(dòng)車的形式體現(xiàn)。

　　神秘的混合動(dòng)力

　　當(dāng)然，我們已經(jīng)看到越來越多的混合電動(dòng)汽車出現(xiàn)在路上。這些車緊湊的體積、奇怪的外表使得它們非常引人注目。這些車的主人們知曉自己可以通過開車保護(hù)環(huán)境之后也引以為豪。

　　不幸的是這些車和耗油大戶SUV有著差不多大的體積。司機(jī)們在這些龐然大物里邊開車邊打電話發(fā)短信或盯著GPS，很可能撞碎了前面的小家伙還渾然不覺。

　　現(xiàn)在還有SUV混合動(dòng)力車，這在我看來有點(diǎn)自相矛盾。你弄一輛每加侖油跑15英里的汽車，再花10000美元，加上巨大的電池組、電動(dòng)馬達(dá)和復(fù)雜的雙模傳動(dòng)裝置。所有這一切讓你得到的是一輛在城市里每加侖油跑21英里的汽車——上了高速還是老樣子。有趣的地方在于這些人還覺得自己在拯救環(huán)境，而這些汽車甚至不省錢。

　　每加侖油多跑6英里需要消費(fèi)者付出10000美元。用這筆錢你可以買很多汽油。這些車主得在城市里開上17.5萬英里(約28萬公里)才能補(bǔ)平一開始的投入。這可是不小的數(shù)字。

　　能量細(xì)分

　　除插入式混合動(dòng)力車以外，其他混合動(dòng)力車都用汽油來給電池充電。100%的能量都來自油箱。不同之處在于混合動(dòng)力車的能量轉(zhuǎn)換首先由內(nèi)燃機(jī)(ICE)完成，然后再交給電動(dòng)馬達(dá)和輔助控制電路，而不是像普通汽車一樣完全由內(nèi)燃機(jī)完成。再重復(fù)一下，所有推動(dòng)汽車前進(jìn)的能量一開始都來自油箱。這就意味著碳?xì)浠衔锼鶐淼哪芰吭谝噪娏π问竭M(jìn)入電動(dòng)馬達(dá)之前首先都得經(jīng)過燃油引擎。

　　正如我那可憐的朋友必須意識(shí)到的，能量無法創(chuàng)造，只能經(jīng)由轉(zhuǎn)換而來。能量轉(zhuǎn)換步驟(液態(tài)汽油到向前運(yùn)動(dòng))增加的同時(shí)損耗也會(huì)增加。你不可能在增加步驟的時(shí)候避免損耗。所以問題就在于，這些混合動(dòng)力車究竟是如何讓每加侖行駛里程變得更好？它們通過優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)中效率最低的元素——內(nèi)燃機(jī)。它們還通過降低你的期望值(馬力)來實(shí)現(xiàn)這一結(jié)果。

　　混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力總成優(yōu)化

　　我知道的一種非常聰明的HEV動(dòng)力總成采用一種非常簡單的行星齒輪系統(tǒng)(Planet gear system)，由兩個(gè)能量源所驅(qū)動(dòng)：內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)馬達(dá)。能量由內(nèi)燃機(jī)分流出來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)與一個(gè)大型電池搭配驅(qū)動(dòng)電動(dòng)馬達(dá)(見下表)。車內(nèi)電路將決定多少能量被用來充電，多少能量直接被送給車輪。發(fā)電機(jī)需要從內(nèi)燃機(jī)獲取多少能量和它需要轉(zhuǎn)換多少能量相關(guān)。

　　一種流行的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的動(dòng)力總成

　　對(duì)機(jī)械和電動(dòng)能量源的分配意味著內(nèi)燃機(jī)可以在自己的優(yōu)化速度/扭矩下運(yùn)行更長的時(shí)間。這就大幅提升了內(nèi)燃機(jī)的能效比。引擎轉(zhuǎn)速有一個(gè)最佳值(Sweet Spot)，引擎在這個(gè)速度下可以提供最好的能效比(見下表)。混合動(dòng)力技術(shù)使得引擎可以在最佳值處停留更長時(shí)間，這就讓油耗變得更加經(jīng)濟(jì)。

內(nèi)燃機(jī)能效曲線

　　第二點(diǎn)，由于加速所需的扭矩被電動(dòng)馬達(dá)(以及相配套的電池)和內(nèi)燃機(jī)所分擔(dān)，燃料引擎的體積可以減小不少。

　　根據(jù)一種典型的混合動(dòng)力汽車動(dòng)力總成進(jìn)行計(jì)算(數(shù)字來自一家流行混合動(dòng)力車品牌的網(wǎng)站)，我們得到：

　　·內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力 = 98hp

　　·電動(dòng)馬達(dá)動(dòng)力 = 80hp

　　·電池能力 = 36hp

　　·總共可用動(dòng)力 = 134hp

　　注意，總共可用動(dòng)力僅僅是內(nèi)燃機(jī)和電池能夠提供的總動(dòng)力。在我看來這有點(diǎn)過于簡單化，因?yàn)?34hp是整個(gè)系統(tǒng)在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)內(nèi)所可能提供的最大動(dòng)力。能源從201.6V電池到車輪之間得經(jīng)過650V DC-DC轉(zhuǎn)換器、一個(gè)三相逆變器，最后才是電機(jī)傳動(dòng)。假設(shè)這些原件發(fā)熱微不足道是過于樂觀的。除非有人能往永動(dòng)機(jī)方面再進(jìn)一步，發(fā)明無損能量轉(zhuǎn)換(從電池到傳動(dòng))，否則這個(gè)數(shù)字是過于樂觀的。

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　　我是不是吹毛求疵？我想是的。混合動(dòng)力方面的工程師下了很多功夫盡可能減少從電池到車輪之間的損耗。舉個(gè)例子，DC-DC轉(zhuǎn)換器和650V變頻電機(jī)損耗的能量比200V變頻電機(jī)小很多。他們采用電池和電動(dòng)馬達(dá)在高負(fù)載時(shí)提升動(dòng)力總成輸出、在引擎負(fù)載不高時(shí)將能量分給電池以提升內(nèi)燃機(jī)效率。提升能效比也意味著同樣的能量輸出下，廢氣排放更少。這是件好事。

　　混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力傳動(dòng)技術(shù)面對(duì)的另外一個(gè)問題是，再生制動(dòng)將汽車向前動(dòng)力的一部分傳遞到電力系統(tǒng)中供后來使用。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)有多種技術(shù)，每一種技術(shù)中，并不是所有的前向動(dòng)力都可以回饋到電力系統(tǒng)中。有些被內(nèi)燃機(jī)引擎壓縮是消耗(供剎車所用)，相當(dāng)一部分轉(zhuǎn)化為電力，剩下的則轉(zhuǎn)化為剎車板的熱量。

　　再生制動(dòng)對(duì)馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)類似于馬達(dá)驅(qū)動(dòng)輪胎，當(dāng)其受到輪胎驅(qū)動(dòng)的時(shí)候就變成發(fā)電機(jī)。再生制動(dòng)不僅限于混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，還可以用于任何使用馬達(dá)的場合。

　　兩種方法為并行和串行(或順序)，并行由于是線性的所以最容易控制，踏板壓力提升了機(jī)械和電力剎車力。串行系統(tǒng)要求必須延遲機(jī)械剎車，直到再生制動(dòng)剎車系統(tǒng)完成動(dòng)作，這并不容易。

　　再生制動(dòng)的解釋

　　在自身系統(tǒng)和保持內(nèi)燃機(jī)引擎工作在最佳狀態(tài)之間，我們?nèi)〉昧艘欢ㄐ省；旌蟿?dòng)力確實(shí)滿足了一定需求。混合動(dòng)力車有其存在的價(jià)值，小型車也能在合理的價(jià)錢范圍內(nèi)得到良好平均油耗。

　　內(nèi)燃機(jī)引擎未死

　　然而內(nèi)燃機(jī)引擎技術(shù)也在推陳出新，也有汽油引擎技術(shù)的新應(yīng)用，這些都對(duì)混合動(dòng)力領(lǐng)域造成極大的沖擊。

　　舉例來說，從1980到1986年，我的車是一輛很小的經(jīng)濟(jì)型轎車，車型是1974年的。在讀大學(xué)之前我購買了這兩二手車，它伴隨我度過幾年不寬裕的時(shí)光。入手之前這部車的車主是一個(gè)機(jī)械工程師，對(duì)這輛車做了一些調(diào)整，使其能多跑一些里程。從北卡羅萊納(有很多高速公路)開回來的時(shí)候，每加侖可以跑到45-50英里。必須承認(rèn)，這是一輛超小的車，輪胎12英寸，動(dòng)力也是勉強(qiáng)夠用。我想說的是，1980年，就有人能用1974年的技術(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)于每加侖45英里的車。你不覺得只要多使用可變閥門技術(shù)、汽油直噴技術(shù)、渦流增壓技術(shù)等，也能實(shí)現(xiàn)油耗的大幅降低么？我相信改進(jìn)傳統(tǒng)技術(shù)需要的資金更少，也比開發(fā)一輛混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)更容易。

　　業(yè)內(nèi)也有人這么想。最近我從美國幾家主要的汽車廠商那里了解到，他們在開發(fā)小型發(fā)動(dòng)機(jī)，利用這些技術(shù)能夠產(chǎn)生120匹馬力，每加侖也能行駛40英里。其費(fèi)用沒有混合動(dòng)力高，復(fù)雜度也沒有混合動(dòng)力高，而且不會(huì)消耗鋰、鎳等電池里用到的各種有害元素(就算是鉛酸電池也含有害元素)。

　　我又想到了長期以來備受信賴的12V Lundell發(fā)電機(jī)。幾年前，有人預(yù)測60年代的12V老技術(shù)將像恐龍一樣滅絕，被42V系統(tǒng)替代。汽車的電力需求太大了，12V無法滿足。最終，42V系統(tǒng)由于成本太高、系統(tǒng)太復(fù)雜未能被廣泛接受。受到42V的成本和技術(shù)困難的啟發(fā)，汽車制造商最終去粗取精，電子系統(tǒng)的效率得到提升，發(fā)電機(jī)廠商也提升了發(fā)電機(jī)的性能，后來逐漸就聽不到42V的聲音了。

　　混合動(dòng)力車比42V系統(tǒng)走的遠(yuǎn)得多。目前已經(jīng)有好幾款車上市了。當(dāng)我們問手里拿著預(yù)測未來的水晶球的分析師，請他們預(yù)測混合動(dòng)力/電動(dòng)車的未來的時(shí)候，他們說，即使在6年內(nèi)，HEV的市場需求也不會(huì)有太大增長。整體來說，HEV仍將只是整個(gè)汽車生產(chǎn)中的一小部分。

　　我想我們可以說，混合動(dòng)力車的買家都是相信這一技術(shù)并能夠負(fù)擔(dān)它的價(jià)格的人。我認(rèn)識(shí)一家人，有一款很閃亮的紅色豪華敞篷跑車、一輛小貨車和一輛混合動(dòng)力車，我相信他們并不是為了行駛里程數(shù)而購買混合動(dòng)力車的。

　　我們大多數(shù)人只是為了從一個(gè)地方到達(dá)另一個(gè)地方，不用花很多錢而買車的。如果非混合動(dòng)力技術(shù)能滿足需要(暫且不考慮繳稅)而且更便宜，我們就會(huì)買。汽車制造商也明白這一點(diǎn)，正在努力提升內(nèi)燃機(jī)引擎技術(shù)以抗衡混合動(dòng)力技術(shù)。雖然需要去掉多余的部分，進(jìn)行調(diào)整，但我想是能夠完成的。就好象Lundell發(fā)電機(jī)一樣，內(nèi)燃機(jī)引擎也很難被替代。

　　更好的未來

　　現(xiàn)實(shí)而言，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的燃料電池可以顯著改變現(xiàn)狀。充電和現(xiàn)在也沒什么差別，把軟管連接的輸入端插入汽車就能充電。它不像普通的電池需要充幾小時(shí)電，也不能用充好電的電池替代用完的電池包，因?yàn)槟悴恢绖倓傃b的電池質(zhì)量如何。電池，甚至超級(jí)電容只會(huì)在加速或者剎車的時(shí)候使用，因此所需數(shù)量也不大。

　　燃料電池最大的兩個(gè)困難在于其工業(yè)應(yīng)用性(包括了可負(fù)擔(dān)的價(jià)格和可靠的穩(wěn)定性)，而且提供的動(dòng)力不產(chǎn)生二氧化碳(不像傳統(tǒng)能源從燃料中提取氫)。但僅是燃料電池效率的改進(jìn)就已經(jīng)很有價(jià)值了，即使需要在一開始使用碳?xì)浠衔飭?dòng)它。長遠(yuǎn)來說，會(huì)需要?dú)涞闹迫　２贿^無論最終用的是哪種動(dòng)力，至少不是化石燃料。

　　然后我們就有了真正的電動(dòng)車，其性能表現(xiàn)和我們習(xí)慣使用的汽油引擎車類似，技術(shù)也會(huì)被大眾廣泛接受。這樣一來，混合動(dòng)力可能會(huì)發(fā)展為將燃料電池用在大量使用的電池包內(nèi)，縱觀汽車歷史，充電系統(tǒng)也會(huì)非常有趣。