互动科普

混合型电动汽车

VictorWouk

这种汽车将减少污染益节省石油。然而，即使它们具有惊人的燃料效率，人们会购买这种汽车吗?

我们可以套用马克·吐温的话来这样说。"人人都在大谈混合型，但却无人动手干点事情。"噢，这种说法似乎有点过了头。实际上，现在世界各地有数百名工程师正在研制混合型电动汽车。但是，在混合型的设想提出来几乎一个世纪之后，在混合型汽车的研制工作真正地搞起来已有四分之一多世纪以后，在世界各国近年来已为研制混合型汽车耗资10亿多美元之后，如今还没有一家大的汽车厂商向广大公众供应哪怕是一辆混合型汽车。事实上，没有任何一种设计方案接近于大规模生产的阶段。美国政府自1994年以来已拨出约7。5亿美元的经费，用于资助几乎达到狂热程度的混合型电动汽车技术(HEV)研制工作，然而这一设想至今仍是一个政治足球而没有变成商业现实。

为什么混合型汽车研制的进展甚微令人如此关注?这是因为许多专家相信，混合型电动汽车能够一一事实上也应当一一成为不久的将来的汽车。简单地说，混合型汽车就是一种电动汽车，它同时也配备有一台小型内燃机和一台发电机以便给蓄电池充电，从而可延长汽车的行驶距离。蓄电池可以连续充电，也可以在它们储存的电已经消耗到一定的程度时再充电。

这样，混合型电动汽车就消除了纯电动汽车的一个主要缺陷：在两次充电之间的行驶距离很短．如今在美国公路上行驶的数千辆电动汽车行驶了仅仅130公里(约80英里)后，其蓄电池就需要再次充电了，而充一次电可能耗费3小时到8小时之长的时间。这些事实意味着混合型电动汽车能够兼有纯内燃车和纯电动车两者的最佳特点：在较短的行程上它能够作为纯电动车使用，同时又保持有传统汽车的长距离行驶的能力。

混合型电动汽车的内燃机的功率通常仅相当于一辆传统汽车的内燃机功率的十分之一到四分之一。这种发动机可以连续高效地运转，因此，尽管混合型电动汽车在内燃机处于运转状态时所产生的污染物多于纯电动汽车，但它却比传统的汽车要干净得多。实际上，有可能使混合型电动汽车达到与纯电动汽车几乎一样干净的程度。如果把为电动汽车的蓄电池充电的发电设施所造成的污染也考虑进去，那么纯电动汽车的污染程度大约相当于其发动机经恰当调节的传统汽车的十分之一．相比之下，混合型电动汽车的污染程度可以达到传统汽车的八分之一．此外，经过精心设计，混合型电动汽车可以把以汽油为动力的汽车的燃油效率提高几倍。因此，如果混合型电动汽车真的在美国获得成功，那就可能不仅给保护环境带来莫大的好处，而且也将给改善美国的贸易平衡带来莫大好处，因为现在进口石油占了美国石油消费量的将近一半。

卷土重来

混合型电动汽车的设想可以追溯到1905年．该年的11月23日，美国工程师H．Piper提出了一项混合型汽车的专利申请．Piper的设计方案是用一台电动机来增强汽油机的功率，使汽车能在10秒内——而不是通常的30秒内——加速到每小时40公里(25英里)这一飞快的速度．然而，到此项专利发布之时，已经过去了三年半的时间，而此时内燃机的功率有了很大的提高，足以单靠它本身就达到上述加速性能了．不过，在这段时期中，还是制出了几辆混合型电动汽车。例如，在密执安州蒂尔波恩市的福特博物馆里就有一辆大约出自1912年的混合型电动汽车．

1910年到1920年间，由于出现了功率更强大的汽油机以及不靠曲柄就能起动汽油机的设备，电动汽车和刚问世不久的混合型电动汽车走上了下坡路．不过，在七十年代初期到中期，当时的石油危机促使人们对电动汽车又产生了一阵短暂的兴趣韭为此投入了一些资金，导致美国和美国以外的地方制造出若干辆实验型混合电动汽车．

在这段时期中，我与一位合伙人CharlesRosen依靠我自己的资金以及一位投资者的资金制出了一辆混合型电动汽车。这是一辆改装过的别克牌Skylark型汽车，我们给它装上了8个大容量警车用蓄电池、一台20千瓦直流电动机以及一台RX一2型马自达旋转式发动机．1974年，环境保护局设在密执安州安纳波尔市的排放测试实验室对这辆车进行了测试．这辆车优化设计的目标是降低污染物的排放，不是提高燃油效率．但是，在公路上行驶韭使蓄电池放电时，该车每耗用一升汽油可行驶将近13公里(每加仑30英里)，这一燃油效率相当于该车改装以前的效率的两倍多。

这辆车的污染物排放量为每公里1．53克一氧化碳、0．5克氮氧化物以及0．21克烃，仅相当于那个时期中以汽油为动力的汽车废气排放量的9．这项工作证明，两个下定决心的人能够利用现有的成熟技术迅速建造出一辆符合1970年“洁净空气法(CleanAirAct)的规定的混合型电动汽车．(底特律生产的常规汽车直到1986年才符合这些规定)．

我的这辆车和其它一些混合型电动汽车在专业和非专业的报刊杂志上发表的众多文章中作过介绍．我在一篇报导中说明了如何只经过不大的改动就使我的混合型电动汽车的燃油效率提高到每升21公里(每加仑50英里)．但是，由予石油的供应又充裕起来，人们对混合型电动汽车的兴趣以及投入这种汽车的资金几乎立刻就烟消云散了．

混合型电动汽车受冷遇的状况一直持续到1993年才有所改观，这一年克林顿政府宣布成立一个名为新一代汽车合作计划(Partne．rshipforaNewGenerationofVehicles，缩写为PNGV)的集团。此集团包括三大汽车公司以及约350家较小的专业公司．它的成员每年共投资约5亿美元(包括2．5亿美元的联邦政府资金)以开发一种每耗用一升汽油可行驶34公里(每加仑80英里)的汽车．这种车的燃油效率大致相当于现今以汽油为动力的中等大小同类汽车的3倍．此外，达到这一效率蓝不能牺牲汽车的性能和安全性，而且这种汽车的成本也监不增加很多，但排放的污染物则降低到八分之一．

PNGV从未规定它的这种超级汽车必须是以内燃机作为第二个动力源的混合型电动汽车．事实上，混合型电动汽车只是混合型汽车的一种：其它可能的方案包括配备一个燃料电池和一个蓄电池的汽车以及配备一台内燃机和一个飞轮的汽车[见本期HaroldA．Rosen及Debo．rahR．Castleman所著。混合型汽车中的飞轮一文]．然而，实际上，在近期的将来这段时间中，只有内燃机与电池这种组合方式有可能达到PNGV所规定的严格要求．

确定配置形式

即使选定了混合型电动汽车这种类型，也韭不等于选择就结束了．混合型电动汽车各种可能的发动机一蓄电池配置方案种类繁多，分为两犬基本类型：串列和韭列[见图2]．在串列式混合型汽车中，内燃机驱动一台发电机，发电机给蓄电池充电，蓄电池则为电动机提供电力。只有电动机能直接使汽车的驱动轴转动．而在监列式混合型汽车中，内燃机和电动机都能直接使驱动轴转动．监列式混合型电动汽车不需要发电机，因为电动机就可以起发电机的作用．(当内燃机使驱动轴转动时，在离合器咬合的情况下它也带动电动机的转子旋转．这样电动机就变成了一台发电机，它发出的电可给蓄电池充电．)

无论是韭列式还是串列式混合型汽车都可以只靠蓄电池提供的推动力来行驶(全电动工作方式)、或者只靠内燃机提供的动力来行驶(在串列式汽车中，这一动力仍然必须通过发电机和电动机来用于每天跑许多趟较短路程的情况(例如送货)，而列式混合型汽车则可能最好用于繁忙高速公路的情况，此时为了超车必须能迅速加大速度．如果监列式和串列式混合型电动汽车的设计基本上都是以达到中等性能为目标，那么在山地上监列式混合型汽车通常也能加速到更大的速度．·但是功率不等于一切．如果是在地形不算太崎岖的地方长期往返于两点，那么使用串列式混合型汽提供给驱动轴)、或者靠蓄电池和内燃机两者提供的动力来行驶．

韭列式方案的一个优点是可以使用较小的内燃机和电动机，因为这两部分可以联合起来提供动力．蓝列式混合型汽车也有若干缺点，其中之一是设计人员不再能随意地把内燃机安放在汽车的任何部位上，因为内燃机必须同传动轴相连．此外，当一辆韭列式混合型汽车靠电为动力行驶时，蓄电池不能同时充电，因为没有单独的发电机．

这两种混合型电动汽车的不同特性使它们适合于不同的驾驶需求．简单地说就是，串列式混合型汽车一般说来其效率高于蓝列式混合型电动汽车，但其功率则低于后者。因此，如果人们使用汽车作每日往返某地之用(单程行驶距离不超过35公里)，此外可能还偶尔驾车作较长路程的旅行，那么串列式混合型电动汽车就非常合适．相反，如果要使汽车的功能——以及给人的感觉一一更象以汽油为动力的传统汽车，那就可能需要蓝列式混合型汽车．串列式混合型汽车可能非常适用于每天跑许多趟较短路程的情况(例如送货)，而列式混合型汽车则可能最好用于繁忙高速公路的情况，此时为了超车必须能迅速加大速度．如果监列式和串列式混合型电动汽车的设计基本上都是以达到中等性能为目标，那么在山地上监列式混合型汽车通常也能加速到更大的速度．

但是功率不等于一切．如果是在地形不算太崎岖的地方长期往返于两点，那么使用串列式混合型汽车可获得较高的效率．串列式混合型电动汽车的内燃机可以限制在一定的工作范围内运行，使其避免迅速的变速和变载，而正是迅速变速和变载导致污染物排放量的激增．当内燃机在某一受到限制的范围内连续工作时，它的运转可以达到最高的燃油效率，这样在一定的行驶过程中所耗用的燃料就比较少[参看图3]．

串列式混合型汽车的另一个吸引人的特点是，它可以凭借一个小得出人意外的内燃机一发电机组来行驶较长的距离．1986年，加利福尼亚州帕洛阿尔托市电力研究所的RoyA．Renner和LawrenceG．O’Connell对配备有一台功率为40千瓦的电动机和一个蓄电量为34千瓦时的蓄电池组的纯电动面包车进行了某些计算．通过计算Renner和O’Connell发现，如果把这辆车改装为配备有一台输出功率仅3千瓦的汽油机一发电机组的串列式混合型汽车，那么该车的行驶距离(100公里)就可以翻一番．

行驶距离的翻番是通过内燃机一发电机组的连续运转而实现的。当这辆车在行驶时，发电机发出的电流全部送往电动机，这就减少了蓄电池的消耗。当它停下时，蓄电池就稍微充一些电‘，但所充电量不足以弥补汽车在起动和加速时所耗用的电。

如果这辆车的蓄电池组的蓄电量只有l7千瓦时而不是34千瓦时，那么为了实现同样的行驶距离翻番(即增加到200公里)，就需要一台功率为6千瓦的内燃机一发电机组。当汽车停下时，需要给蓄电池充更多的电。在极端情况下，也就是蓄电池的蓄电量小得只够帮助汽车加速时，这辆车将需要一台7．5千瓦(10马力)的内燃机一发电机组。在这种情况下，蓄电池的电永远不会用尽，因为7．5千瓦的内燃机一发电机组将承担整个平均负荷对功率的需求。(相比之下，一辆常规小汽车的发动机的输出功率为75千瓦左右。)

应当指出，Renner和O’Conn．ell是通过计算机模拟得出这些结果的，而且他们的试验汽车是在水平路面上进行加速、巡行和停车这一套标准的汽车测试程序。在爬山时或在高速公路上超车时(这两种情况需要迅速加大功率)，电动机和内燃机一发电机组的功率将需要比上面提到的40千瓦和7．5千瓦增加50到100。

尽管串列式配置方案有这样一些吸引人的优点，但各种迹象均表明PNGV集团将选择蓝列式电动汽车作为其第一台原型车。PNGV集团的目标是使混合型汽车与传统汽车之间具有高度的相似性，而串列式混合型电动汽车是难于实现这一目标的。对于重约1千公斤的韭列式混合型电动汽车(与现今中等大小的小汽车差不多)，需要一台功率为l百千瓦的内燃机。但是，必须对许多赋能技术(enablingtechnology)作出重大改进，才能够使这种混合型汽车达到预定的标准。这些改进包括减轻车身．的重量、提高发动机的效率、采用更好的电池以及提高电动机和发电机的效率等。将近25年前，我就在若干文章和报告中指出所有这些改进是必不可少的。PNGV集团的技术开发方针把重点放在一项为期3年的评估计划上。1997年年底将宣布有哪些技术需要进一步扶持。

在1997年4月公布的一份报告中，全国研究理事会(NRC)批评PNGV集团没有把其研制工作的重点高度集中于实现其目标所需要的最有发展前途的技术上。该理事会说：不解决这个问题，最终可能危及整个计划。NRC的委员会在这份报告中提出的具体建议就是对于改进锂离子和镍金属氢化物电池、改进电子系统以及改进轻型低成本柴油发动机给予更大的重视蓝拨出更多的资金。

在美国，对混合型电动汽车的严肃的研究开发工作是由工业界和政府联合投资的，主要通过PNGV集团进行。福特、通用和克莱斯勒三大汽车公司正在设计串列式和监列式这两类混合型汽车，力争在不远的将来投入生产。这项工作的成败，取决于某些部件——特别是蓄电池——能否取得重大的改进。少数几项真正取得成功的例子之一是密执安州特洛伊市通用汽车公司双向能量转换装置分公司生产的镍金属氢化物电池，此项工作获得了工业界和PNGV集团的资助。一辆配备镍金属氢化物电池的混合型汽车，单靠蓄电池的电力行驶的距离相当于一辆具有同样重量的铅酸蓄电池的完全相同的汽车的两倍。

PNGV集团实现其目标的可能性有多大呢?不很大。到2000年时，PNGV应当有试验汽车开始行驶：到2004年，该集团必须推出准备好进行大规模生产的原型车，其燃油效率为每行驶100公里耗油3升(每加仑油行驶80英里)，废气排放量应当很低，而性能、成本和安全性等则与常规汽车相当。由于实现这些目标的截止日期相当近，因此PNGV集团没有其它选择，只能不经过任何中间阶段一例如先生产一种燃油效率为每行驶100公里耗油4升或5升的汽车——就直接造出这种超级汽车。这就好象是要求首次载人空间飞行就飞向月球监返回。

此外，迄今还没有制定出令人满意的测试混合型电动汽车的方法。例如，有一项测试方案要求，确定混合型电动汽车燃油效率的测试过程开始和结束时，汽车的蓄电池应处于相同的充电状态上。在计算燃油效率时，用于给蓄电池再充电的电力将换算为相当的能量，监加到测试过程中耗用的燃料上。初看起这种方法似乎很合理。但是，由于这种计算方法只是把上述两项能量加在一起，因此它基本上忽略了能量来源的转换——即从车内汽油到车外发出的电力的转换——而这正是替代车辆的全部关键所在。

如果说PNGV集团似乎有点偏离了方向，那么其它国家研制混合型电动汽车的计划情况又如何呢?有为数不多的混合型电动汽车目前正在世界各地演示。其中日本推出了一个成功的例子。日野汽车公司已生产了十几辆混合型电动公共汽车，这是旨在消除柴油发动机加速期间排放出的微粒污染物的一项研究工作的一部分。在加速期间由一台电动机和镍镉蓄电池组补充柴油机的动力，从而消除了烟雾。蓄电池是当汽车在各站之问行驶时通过再生制动充电的。

总的说来，欧洲和日本的混合型电动汽车强调使用现有的技术或略加改进的技术，这同PNGV集团的方针形成了鲜明的对比。欧洲人和日本人比他们的美国同行更加重视寻找降低生产成本蓝使混合型电动汽车在近期内推向市场的途径。大众、三菱和丰田以及其它一些汽车生产厂商正在依靠自己的资金开发混合型电动汽车。大众汽车公司有20辆蓝列式混合型电动汽车在苏黎世进行为期两年的演示，此演示最近再次证明了降低废气排放量和减少燃油消耗是可能同时实现的。

无论混合型电动汽车是哪国生产的，这类汽车(事实上是任何一种替代汽车)能否取得成功将取决于购买蓝使用汽车的相对成本。汽车的运行成本又取决于汽油的价格。这一法则是一目了然的：汽油价格越高，人们寻求替代汽车的可能性就越大。诚然，现在实际上还没有任何混合型电动汽车的销售史可供分析，但电动汽车最近的短暂的销售情况却表明，必须在汽油价格大幅攀升后人们才会去购买或租用这类汽车。欧洲和日本的驾车者购买汽油所付的钱相当于美国驾车者的3倍。然而，在这两个地区已售出的电动汽车却相当少。尽管政府和汽车生产厂商付出了巨额的补贴，欧洲和日本任何地方的电动汽车的销售量都还不到汽车销量的1。在法国，标致汽车公司和雷诺汽车公司计划在1996年和1997年间售出数千辆电动汽车，结果都未能实现。

通用汽车公司推出的EVI型车于1996年12月在加利福尼亚州南部和亚利桑那州闪亮登场，一度热闹非凡、劲头十足，但它获得的成功比预期的要小。目前在公路上行驶的数百辆EVI主要是由关心环境保护的人士驾驶的；他们已拥有多辆车，由于具有强烈的绿色意识，因此号称“格林派(Greens)。

政府的硬性规定能否实现迄今为止补贴和积极的宣传推销都未能实现的目标尚有待观察。具体地说就是，1990年，加利福尼亚空气资源委员会(CARB)规定，到1998年时，美国三大汽车公司和日本四大汽车公司售出的汽车中必须有2是所谓的“零排放汽车(zero—em．issionvehicle)。电动汽车那时是(现在也仍然是)唯一的一种可行的在行驶时不排放任何污染物的汽车。遗憾的是，现在市场上出售的电池无法使电动汽车的行驶距离达到一般的消费者所要求的水平(即使是他们对其所拥有的第二辆车所要求的水平)。混合型电动汽车是一个显而易见的替代方案。尽管CARB最初拒绝考虑混合型电动汽车，但现在它却有所松动，认为混合型电动汽车是可以接受的，不过又制定了一套复杂的规则来指导如何确定这类汽车的废气排放水平和燃油消耗量。

甚至有这种可能：将来，CARB或其它某个主管部门或许会规定到某个时候混合型电动汽车的销售量必须在汽车总销售量中占一定比例。虽然已经对纯电动汽车尝试过这类计划，蓝且看来此计划不太受欢迎，但混合型电动汽车与纯电动汽车存在一个关键的差别：汽车制造商再不能理直气壮地抱怨说，由于行驶距离太短或性能较差：公众不愿意购买混合型电动汽车。

混合型电动汽车最终能同时实现赢得公众认可、改进燃油效率蓝降低废气排放这几项目标吗?如果政治问题(例如波斯湾又发生一场战争)或其它某种冲击使石油成本盘旋上升，那它肯定会实现这些目标。但是，除非出现紧急情况迫使我们不得不实施应急计划，为什么我们不能通过比较合理的途径来干这件事呢?让我们首先建造较为适中(而且能大量生产)的混合型电动汽车，这类汽车每耗用1升燃油可行驶至少21公里(每加仑50英里)，但仍然象传统汽车一样行驶。而且我们应当把这项目一直坚持搞下去，直到汽车靠1升燃油可以行驶34公里或更长的距离、当然还要到人们愿意购买它们时为止。

图1混合型电动汽车采用的配置方案往往是把它的蓄电池放在萃的后部，而把电动机、汽油机和电子控制电路放在牢的前盖下。幸身具有非常优良的空气动力学特性，从而提高了总的燃油效率韭保证这种汽车单靠蓄电池作动力也能行驶得尽可能地快。

图2混合型电动汽车有两种类型，分别称为串列式和业列式。在串列式混合型汽车中(上)，汽油机带动发电机，发电机发出的电给蓄电池充电，蓄电池再为电动机提供电力，而电动机则驱动车轮。只有这台电动机才能使车轮转动。在业列式配置方案中(下)。汽油机或电动机都可以带动车轮旋转，也可以由两者同时驱动车轮。

图3当扭矩值和转速值处于某一较小范围中时，内燃机的效率达到最高。这一范围就是因中所示的深绿色的"甜区"。在这一效率下，如果内燃机推动着一辆汽车行驶，则每行驶100公里可能只花用8升汽油。串列式混合型汽车可以设计成使它的发动机仅以这种效率最高的方式工作。而茧列式混合型汽车则可以设计成使它的发动机在图中深绿色和浅绿色区域所示的范围内工作。