石油能源日渐枯竭，复合动力车加速跑。

　　撰文 约瑟夫·J·罗姆(Joseph J. Romm)　安德鲁·A·弗兰克(Andrew A. Frank)

　　石油能源日渐枯竭！全球气候变暖日益严重！正当人们为不断飙升的油价而无可奈何，也为持续的大气污染而头痛不堪的时候，新一代环保节能型复合动力车已闪亮登场，它集电动机与普通燃油发动机于一身，有效地控制了燃油消耗与废气排放。据称，目前世界各大汽车制造商雄心勃勃，均加大了研发力度，计划推出更新一代复合动力车。

　　去年夏天，当汽油价格攀升至3美元/升时，复合动力车便开始驶出展览厅，投入实际运行。该车的动力由传统发动机与电池供电的电动机共同提供，改进了燃油经济性与运转性能。普通美国汽车，每耗用一加仑汽油可行驶约23英里(约合37公里)，而技术完全成熟的复合动力车，如丰田普锐斯(Toyota Prius)，每耗用一加仑汽油则可使行程大约翻上一番(视驾驶情况而定)。从2004年到2005年，美国复合动力车的年销售量增长了一倍，达到20万辆，2010年将增加到50多万辆，到2020年，一些最新车型也将提供复合动力传动的可选方案。

　　到那时，称为插入式复合动力车(plug-in hybrid)的下一代技术，将给驾车者带来更佳的燃油效率和其他好处：前一天晚上，可将120伏插头直接插入家庭或工作场所的电源插座上，对电池进行低成本充电，这样，车主每年往返于加油站的次数就大大减少，甚至还可以将用不完的电返销给电网。除了用户得到好处外，这种新型插入式复合动力车还有助于环保，可减少温室气体排放量，使千百万辆排放废气的汽车转而使用电力。目前，发电厂利用当地提供的煤或天然气发电，在将来，它们将利用诸如风、太阳乃至先进的系统化石燃料的能源来生产更清洁的电力，这些系统可将二氧化碳收集起来，贮藏于地下。

　　要了解复合动力车的发展方向，首先要回顾汽车的发展历程。100多年来，汽车动力几乎一直是由使用汽油或柴油来维持运转的内燃机(internal-combustion engine)来提供的。20世纪初，汽车工程师们追求这样一种概念：把发动机与电池供电的电动机结合起来，以获得更大的动力和更好的燃油经济性。但是，随着发动机功率的增大，取消了助推力，这种设计概念便被束之高阁。那时，燃油价格低廉，可供广泛使用，使得发电厂这个汽油消耗大户未成为真正的问题。到了20世纪70年代石油危机发生时，驾车者便普遍认为，要提高每加仑汽油所行驶的里程数(汽油消耗定额)，就不得不牺牲汽车的尺寸、重量和运转性能。虽然缩小汽车外部尺寸的趋势开始流行，但不久以后汽车尺寸却变得更大了，而且耗油量也随之迅速增大。当石油价格最初开始攀升时，更好的燃油经济性又再次成为非常合乎需要的性能特征。

　　目前的复合动力车，利用先进的动力电子装置和计算机控制装置，与传统的和电气的动力传动系统结合起来，以改善燃油经济性和减少废气排放量，并获得优良的加速性能和更大的变速范围。通过一种比常规汽车使用的更小的内燃机，复合动力车能获得上述性能，因为在需要加速或爬坡行驶时，电池和电动机系统便可提供更大的动力。

　　任何能提升燃油经济性的技术，都可以用于增加功率。迄今为止，复合动力传动系统能充分提升效率，其电动机也能极大地提升加速度，因此汽车制造商已使用这种技术，从而同时提升功率和燃油经济性。例如，福特翼虎复合动力车(Ford Escape Hybrid)，采用几乎相同的功率输出，明显提高了每加仑汽油所行驶的里程数。其他复合动力车，如丰田高地人复合动力(Toyota Highlander Hybrid)4×4(4轮4驱)运动型多用途车(SUV)，利用复合动力系统，在这两方面都取得了适度提升。

　　大型电池和电动机以及相关动力电子装置的额外费用，意味着复合动力车的成本必然高于普通汽车。目前，复合动力车的额外费用在3,000美元到7,000美元范围内起伏，其平均值为4,000美元。电动机和电池组件使得车体负重有所增加，例如本田的雅阁复合动力车(Honda Accord Hybrid)的负重约增加了5%。这种额外负重使得燃油效率稍有下降。

　　目前，对于每年行驶1.5万英里(约合2.42万公里)、以售价为2.50美元/加仑的汽油为燃料的汽车来说，由于复合动力技术可将汽车里程数从20英里(约合32.2公里)/加仑提高到30英里(约合48.3公里)/加仑，因此每年可为用户节约大约600美元。假定人们将诸如增加变速范围之类的好处都认为没有多少价值，那么对于目前复合动力车的售价，再加上美国政府对复合动力车新近提高的课税减免，其投资回收时间可能要花上好几年。

　　然而，随着燃油价格的上升，复合动力车的效率将充分缩短投资回收时间。与此同时，制造水平的提升和电池技术的改进，也有望降低生产成本。例如，从1997年到2004年，复合动力车所使用的镍氢电池随着重量减少，价格也下降了50%。即使如此，目前电池的费用仍占复合动力车额外成本的一半以上。丰田公司打算独自推出其几乎所有车型的复合动力车版本，并计划在下一个10年间使它的复合动力车遍布全球，年销量达到100万辆，为此，它还将努力提高产量，促使其成本相应下降。

　　复合动力车类型

　　复合动力车的设计各具特色，主要取决于工程师想要取得的燃油经济性高低程度。“全面型”(full)复合型动力车利用多种技术来节省汽油；“适度型”(mild)复合动力车采用的节油技术较少，以避免增加额外的系统成本；而“低端”(micro)复合动力车则仅在停车时关闭发动机，以适度改善燃油效率。

　　像丰田普锐斯那样的全面型复合动力车，能使燃油经济性提高60%以上。全面型复合动力车的最大燃油节省来自于再生制动(regenerative braking)——这种技术，通常能将摩擦损失掉的大部分能量作为电能来加以回收。正如电动机能将电池贮存的电能转变为转矩(产生车轮转动和牵引力的力)那样，这一过程也能反向进行，将放慢车速产生的转矩所生成的电力存储于电池中。

　　在城市里行车，停停走走，为制动能源再生提供了最大的机会，而这一过程也发生在乡村上坡行驶期间。平均而言，目前复合动力车可回收全部制动能量的一半左右。未来更好的电池和更完善的系统，将能使复合动力车回收更多可利用能量。

　　内燃机动力装置与所有发动机一样，也能在一种有限的转矩和转速范围内最有效地运行。因为复合动力车的电池和电动机，能提供加速行驶或上坡行驶所需的助推力，所以工程师们既能缩小发动机尺寸，又能使燃油效率最佳化，这样，它仅仅在一些耗费汽油更少的高效运行点上运行。在需要时，复合动力车又能以电子方式启动电动机，以输出更多动力。

　　一些全面型复合动力车制造商，例如丰田和福特，已经采用一种基于阿特金森循环的更节油的发动机，以取代大多数汽油车使用的标准奥托循环发动机(Otto cycle engine)。现代阿特金森循环发动机(Atkinson cycle engine)使用电子控制装置和进气阀定时装置，使燃烧在气缸中的油/气混合物的体积膨胀得更大，借此让动力装置能更高效地利用燃油。从前工程师们很少使用阿特金森循环发动机，因为它获得更高的燃油经济性，往往以牺牲动力输出为代价；然而，在复合动力车中，电动机能弥补这种动力损失。在公路上行驶时，阿特金森循环发动机与制动再生省下的能量相结合，能产生一种更好的复合动力车系统综合效率，优于现代柴油发动机，而现代柴油发动机，则是目前在综合效率方面领先的内燃机。

　　复合动力车还能避免常规汽车设计中的另一种低效率，即常规汽车的空调、动力转向、水泵、油泵、风扇和其他动力消耗装置，一般都由汽油机直接供给动力，而大型复合动力车，将电池与低成本的新型动力电子装置结合起来，一起运行这些全电气高效率部件。在炎热的夏天，比起发动机驱动的空调装置来，由电动机供电的空调装置所消耗的能量要少20%。

　　全面型复合动力车的另一个主要燃油经济性优势，源于其不使用发动机就能用电动机和电池来驱动车辆，因而在怠速行驶或低速行驶时，可将车辆转换为电动车运行，而不用烧汽油，以达到节油的目的。

　　适度型复合动力传动系(power train)，例如本田的Insight、思域(Civic)和新型雅阁(Accord)等型号的集成电动机辅助系统，可提供高达35%的燃油经济增益。除了在起-停期间提供动力外，在加速行驶时，适度型复合动力车的电动机还可给发动机提供助推力，并回收部分制动能量。

　　对于低端型复合动力车或起-停复合动力车，例如通用汽车公司推出的那些复合动力车，当汽车停驶时，发动机便关闭，而当驾驶者踩踏油门时，集成式启动机-发电机(integrated starter-generator)便立刻启动发动机。这种低端型复合动力车，用电动机代替车轮来驱动其辅助装置，在市区行车时可提高10%的燃油效率，而在公路上行驶时，则几乎没有任何效率增益。

　　插入式复合动力车标准

　　随着时间的推移，复合动力车将很可能变得更有价值：它们能更有效地利用汽油，降低二氧化碳排放量，而二氧化碳则是主要的温室效应气体。美国联邦政府未来出台的交通运输政策，有可能因为人们对阻止气候变化的关注而得以进一步推进。许多工业发达国家制定了严格的燃油经济性标准，以减少二氧化碳排放量。2002年，美国加利福尼亚州通过立法，规定于2016年将车辆温室效应气体排放量减少30%，据预计，美国东北部诸州也会群起而仿效这一做法(虽然汽车制造商将为此对簿公堂)。

　　插入式复合动力车融合了最佳电力与复合动力驱动技术，能够以电动方式或复合动力方式充分发挥作用，有可能大大减少废气排放量，并节省更多的燃油。这类车辆部分使用当地发电厂生产的电力运行，这样便能减轻国家对外国进口石油的依赖，同时还使发电厂的非峰值电力市场得以完善，也让驾驶者能选择使用更清洁、更廉价的燃料。而且，与传统的复合动力车一样，插入式复合动力车也能燃烧液体燃料，以快速加油的方式来保证长途行驶，而且不会比现有的复合动力车更复杂、更重或更贵。首先，它们的内燃机发动机将随着电动机和电池的小型化而缩小尺寸；其次，电池和电子部件的价格也一直在稳步下降。

　　按现行油价计算，普通汽车行驶每英里约花12美分，而插入式复合动力车依靠电子装置使用电力运行，每英里则只花3美分，其每消耗一千瓦小时的电力，仅须付8美分，此电价即为现行平均居民用电价。假定有一半的美国汽车每天仅行驶25英里(约合40.3公里)或更短路程，那么使用能提供20英里(约合32.2公里)行程动力的电池插入式复合动力车，便可使石油燃料消耗量节省60%。即使长途通勤者采用插入式复合动力车，在一天的大部分时间里，它也能依靠存储于先进电池中的低廉电力运行——这种电池借助于普通墙壁插座，可在前一天晚上充满电，并在白天工作时再进行短时充电。

　　插入式复合动力车使用更大的电池，并配备功率更大的电动机，使汽油机和其他相关机械系统的尺寸大大缩小。加利福尼亚大学戴维斯分校的研究人员，已制造出一些插入式复合动力车样车，它们仅依靠电力就能行驶60英里(约合96.6公里)，其发动机体积不到标准发动机的一半，而其8座车和运动型多用途车实样正在接受测试。2005年，戴姆勒-克莱斯勒公司推出了第一辆插入式复合动力车样车，它是该公司下属的一家主要汽车制造厂为美国市场定制的，即梅塞德斯-奔驰复合动力短跑家面包车(Sprinter Van)的一款插入式复合动力车版本(见中图)。这辆改进型短跑家面包车配备一台120马力的电动机，能以全电动方式行驶20英里(约合32.2公里)，比普通短跑家面包车省油40%，且加速性能更好。至今为止，欧洲只有几辆这样的插入式短跑家面包车在运行。(译/詹浩)

    [《环球科学》杂志2006.5]