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

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

　　他將一個小號的電動馬達粘在一塊板子的末端，沖著外面。馬達的軸上裝著一塊條形磁鐵——到處可以買到的便宜貨。馬達側(cè)面粘著另一個馬達，同樣裝著一塊條形磁鐵。兩個馬達靠的很近，但磁鐵不會直接接觸。板子上裝著六個這樣的馬達，他覺得只要第一個馬達開始旋轉(zhuǎn)，其它幾個就會跟著轉(zhuǎn)起來。我的朋友花了很多時間在這個項目上，他對此分外自豪。

　　他知道馬達可以作為發(fā)電機，但不知道如何才能利用馬達所產(chǎn)生的能量，覺得我這位電子工程師可以幫忙。他的點子是只需啟動一個馬達，隨后的馬達就能跟著轉(zhuǎn)起來，產(chǎn)生五倍的能量。他覺得自己可以用一個馬達來為第一個馬達提供能量，這樣剩余四個馬達所產(chǎn)生的能量就能用在其它地方。

　　確實是個好點子。在他看來，磁性的傳遞讓這一切都成為可能。我說了他對此深感自豪吧？向他解釋能量守恒定律的時候我也不好受。

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

　　神秘的混合動力

　　當然，我們已經(jīng)看到越來越多的混合電動汽車出現(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混合動力車，這在我看來有點自相矛盾。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、電動馬達和復雜的雙模傳動裝置。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)才能補平一開始的投入。這可是不小的數(shù)字。

　　能量細分

　　除插入式混合動力車以外，其他混合動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力車的能量轉(zhuǎn)換首先由內(nèi)燃機(ICE)完成，然后再交給電動馬達和輔助控制電路，而不是像普通汽車一樣完全由內(nèi)燃機完成。再重復一下，所有推動汽車前進的能量一開始都來自油箱。這就意味著碳氫化合物所帶來的能量在以電力形式進入電動馬達之前首先都得經(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)汽油到向前運動)增加的同時損耗也會增加。你不可能在增加步驟的時候避免損耗。所以問題就在于，這些混合動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)化整個系統(tǒng)中效率最低的元素——內(nèi)燃機。它們還通過降低你的期望值(馬力)來實現(xiàn)這一結(jié)果。

　　混合動力汽車的動力總成優(yōu)化

　　我知道的一種非常聰明的HEV動力總成采用一種非常簡單的行星齒輪系統(tǒng)(Planet gear system)，由兩個能量源所驅(qū)動：內(nèi)燃機和電動馬達。能量由內(nèi)燃機分流出來驅(qū)動發(fā)電機，發(fā)電機與一個大型電池搭配驅(qū)動電動馬達(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)電機需要從內(nèi)燃機獲取多少能量和它需要轉(zhuǎn)換多少能量相關。

　　一種流行的混合動力電動汽車的動力總成

　　對機械和電動能量源的分配意味著內(nèi)燃機可以在自己的優(yōu)化速度/扭矩下運行更長的時間。這就大幅提升了內(nèi)燃機的能效比。引擎轉(zhuǎn)速有一個最佳值(Sweet Spot)，引擎在這個速度下可以提供最好的能效比(見下表)?；旌蟿恿夹g使得引擎可以在最佳值處停留更長時間，這就讓油耗變得更加經(jīng)濟。

內(nèi)燃機能效曲線

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

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

　　·內(nèi)燃機動力 = 98hp

　　·電動馬達動力 = 80hp

　　·電池能力 = 36hp

　　·總共可用動力 = 134hp

　　注意，總共可用動力僅僅是內(nèi)燃機和電池能夠提供的總動力。在我看來這有點過于簡單化，因為134hp是整個系統(tǒng)在一個時間點內(nèi)所可能提供的最大動力。能源從201.6V電池到車輪之間得經(jīng)過650V DC-DC轉(zhuǎn)換器、一個三相逆變器，最后才是電機傳動。假設這些原件發(fā)熱微不足道是過于樂觀的。除非有人能往永動機方面再進一步，發(fā)明無損能量轉(zhuǎn)換(從電池到傳動)，否則這個數(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。舉個例子，DC-DC轉(zhuǎn)換器和650V變頻電機損耗的能量比200V變頻電機小很多。他們采用電池和電動馬達在高負載時提升動力總成輸出、在引擎負載不高時將能量分給電池以提升內(nèi)燃機效率。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。

　　混合動力汽車的動力傳動技術面對的另外一個問題是，再生制動將汽車向前動力的一部分傳遞到電力系統(tǒng)中供后來使用。實現(xiàn)這一點有多種技術，每一種技術中，并不是所有的前向動力都可以回饋到電力系統(tǒng)中。有些被內(nèi)燃機引擎壓縮是消耗(供剎車所用)，相當一部分轉(zhuǎn)化為電力，剩下的則轉(zhuǎn)化為剎車板的熱量。

　　再生制動對馬達的驅(qū)動類似于馬達驅(qū)動輪胎，當其受到輪胎驅(qū)動的時候就變成發(fā)電機。再生制動不僅限于混合動力傳動系統(tǒng)，還可以用于任何使用馬達的場合。

　　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，踏板壓力提升了機械和電力剎車力。串行系統(tǒng)要求必須延遲機械剎車，直到再生制動剎車系統(tǒng)完成動作，這并不容易。

　　再生制動的解釋

　　在自身系統(tǒng)和保持內(nèi)燃機引擎工作在最佳狀態(tài)之間，我們?nèi)〉昧艘欢ㄐ省；旌蟿恿Υ_實滿足了一定需求?；旌蟿恿囉衅浯嬖诘膬r值，小型車也能在合理的價錢范圍內(nèi)得到良好平均油耗。

　　內(nèi)燃機引擎未死

　　然而內(nèi)燃機引擎技術也在推陳出新，也有汽油引擎技術的新應用，這些都對混合動力領域造成極大的沖擊。

　　舉例來說，從1980到1986年，我的車是一輛很小的經(jīng)濟型轎車，車型是1974年的。在讀大學之前我購買了這兩二手車，它伴隨我度過幾年不寬裕的時光。入手之前這部車的車主是一個機械工程師，對這輛車做了一些調(diào)整，使其能多跑一些里程。從北卡羅萊納(有很多高速公路)開回來的時候，每加侖可以跑到45-50英里。必須承認，這是一輛超小的車，輪胎12英寸，動力也是勉強夠用。我想說的是，1980年，就有人能用1974年的技術實現(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、汽油直噴技術、渦流增壓技術等，也能實現(xiàn)油耗的大幅降低么？我相信改進傳統(tǒng)技術需要的資金更少，也比開發(fā)一輛混合動力傳動系統(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)動機，利用這些技術能夠產(chǎn)生120匹馬力，每加侖也能行駛40英里。其費用沒有混合動力高，復雜度也沒有混合動力高，而且不會消耗鋰、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。幾年前，有人預測60年代的12V老技術將像恐龍一樣滅絕，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)太復雜未能被廣泛接受。受到42V的成本和技術困難的啟發(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)電機廠商也提升了發(fā)電機的性能，后來逐漸就聽不到42V的聲音了。

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

　　我想我們可以說，混合動力車的買家都是相信這一技術并能夠負擔它的價格的人。我認識一家人，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力車，我相信他們并不是為了行駛里程數(shù)而購買混合動力車的。

　　我們大多數(shù)人只是為了從一個地方到達另一個地方，不用花很多錢而買車的。如果非混合動力技術能滿足需要(暫且不考慮繳稅)而且更便宜，我們就會買。汽車制造商也明白這一點，正在努力提升內(nèi)燃機引擎技術以抗衡混合動力技術。雖然需要去掉多余的部分，進行調(diào)整，但我想是能夠完成的。就好象Lundell發(fā)電機一樣，內(nèi)燃機引擎也很難被替代。

　　更好的未來

　　現(xiàn)實而言，經(jīng)濟實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電，也不能用充好電的電池替代用完的電池包，因為你不知道剛剛裝的電池質(zhì)量如何。電池，甚至超級電容只會在加速或者剎車的時候使用，因此所需數(shù)量也不大。

　　燃料電池最大的兩個困難在于其工業(yè)應用性(包括了可負擔的價格和可靠的穩(wěn)定性)，而且提供的動力不產(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就已經(jīng)很有價值了，即使需要在一開始使用碳氫化合物啟動它。長遠來說，會需要氫的制取。不過無論最終用的是哪種動力，至少不是化石燃料。

　　然后我們就有了真正的電動車，其性能表現(xiàn)和我們習慣使用的汽油引擎車類似，技術也會被大眾廣泛接受。這樣一來，混合動力可能會發(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)也會非常有趣。