1.   汽车的社会角色与挑战

1.1   社会角色

汽车在人类社会发展中扮演着重要的角色。许多人都认识到, 在解决了人们的“温饱” (衣、食、住) 问题之后, “行”的问题就必然突出来。随着社会经济的发展和人们生活水平的提高, 汽车进入寻常百姓家, 是一种不可抗拒的潮流。

但是人们已经进一步认识到, 汽车不仅仅是一种交通工具。它除了“门到门”地迅速运送货物与乘客, 加快社会血液循环的速度, 促进社会肌体的生长之外, 它还有更多的深层含义。

在美国, 六个就业岗位就有一个与汽车有关。在英国, 随着汽车工业的萎缩, 国民经济在衰退。日本经济高速发展的15年间国民经济增长了36倍, 汽车工业产值增长了57倍。在汽车工业本身发展的同时, 拉动了上游产业: 钢铁、有色金属、电力、塑料、橡胶、纺织、皮革、化工、电子、电器、机床等工业; 也带动了下游的产业: 筑路、运输、石油、汽车维修、保险、加油站、停车场等服务行业, 并促进了城市的现代化建设。

据统计, 汽车工业每增值一元钱, 上游产业增值为0.6元, 而下游产值为2.67元。

汽车是唯一的一种另件以万计, 产量以百万计, 保有量以亿计的高技术商品, 其巨大的市场潜力, 不断产生着科技进步的动力, 使它成为各种高新技术争相应用的强大载体。

汽车的生产和使用, 改变着社会的生产方式, 也改变了人们的生活方式和文化观念。难怪二十年前美国麻省理工学院的教授们写了一本论述汽车精益生产方式的书, 把书名叫做“改革世界的机器”。

随着汽车保有量和行驶里程的不断增加, 城市的环境压力不断增大。能源缺乏和石油价格的可能变动已成为石油进口国国家安全的重要因素。

1.2   挑战

1.2.1   能源

众所周知, 汽车是能源消耗的大户, 同时也是空气污染的大户。据悉, 1997年全球石油的产销量约6500亿桶, 石油年均需求增长一直超过2%, 美国仅交通用石油量已占全球石油耗量的10%。亚非拉国家的能源需求也在不断增长。1985年以来亚洲增长50%, 非洲与拉丁美洲各增长约40%, 据估计全球石油资源将在50年内趋于枯竭。

中国是石油产量不足的国家，2000年进口石油量超过7×10⁷ t, 今后恐怕会继续增长。

1.2.2   排放

在排放控制方面, 中国刚刚在少数城市贯彻欧洲-Ⅰ标准, 而欧洲已在贯彻欧-Ⅲ标准和酝酿欧-Ⅳ与欧-Ⅴ标准, 而美国将于2003年贯彻更为严格的标准。中国单个轿车排污是日本的5~6倍, 欧洲的1.5~5倍, 中国汽车保有量只为美国的6.27%, 日本的18.84%, 但城市大气污染都超过这些国家。中国如何逐步减少汽车排污对人们健康的危害, 逐步接近国际的水平是一个非常严重的挑战。

1.2.3   交通拥堵与事故

1999年中国运行的公路里程为135×10⁴km, (其中高速公路1.1×10⁴km)。中国每车平均的公路里程为93 m, 这数比美国的32 m, 韩国的10 m, 要大得多, 但城市中的单车的道路长度要小得多, 其面积只占城市土地利用的8%~15%, 与国外大多数大城市的30%相比要少得多, 中国交通事故相当严重。1999年之前中国汽车保有量与交通死亡人数见图 1。在1990年之前交通死亡人数每百辆车约1~2人, 目前是60人, 是美国的30倍。

图  1  中国汽车保有量与交通死亡人数统计

Figure  1.  The statictics number of automotive and died pepole from traffic accidents in China

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能源、环保和交通堵塞, 一直是阻碍中国汽车, 特别是私用汽车发展的关键因素。

2.   呼唤新一代汽车

2.1   PNGV的发动

基于对汽车产业对国民经济与社会发展重要性和面临挑战的认识, 1993年9月, 美国总统克林顿发起了“新一代汽车伙伴计划”, 简称PNGV, 并与“三大集团”签署了协议。政府每年拨款3亿美元。“三大集团”每年投入10亿美元。政府与企业联手进行创新性技术研发, 2000年制成概念车, 2004年制成生产性样车。PNGV的目标主要有三:

(1) 显著提高美国汽车工业的竞争力;

(2) 使已有汽车创新成果实现产业化;

(3) 开发一批新型轿车, 在其它性能与价格基本不变的条件下, 燃料效率为1994年可比标准轿车的三倍(百公里油耗由9 L降至3 L)。

在PNGV的目标中, 表面上看并没有提出降低排放的要求。但是, 只要耗油量降低, 排放(包括污染物和温室气体) 也将按比例下降。

为推进PNGV计划, 政府方面参加执行该计划的有商业部、国防部、能源部, 环保暑, 航天局、自然科学基金会、运输部、副总统办公室以及许多国家实验室和高校, 共计300多个单位。产业方面三大集团总裁组成“美国汽车研究理事会(USCAR) ”, 来协调贯彻该计划。

PNGV共成立了780多个研究项目, 有分布于38个州的400多个高校、国家实验室和系统供应商卷入这项计划。克林顿称: “只有阿波罗登月计划可以与之相比”。

美国轰轰烈烈的PNGV行动引起日本及欧洲的政府和各大汽车集团的极大关注, 并争先恐后地投入研究和开发。1998年德国大众推出百公里油耗为3 L的Lupo车。1999年~2000年日本丰田的Prius和本田的Insight两种混合驱动的“准3 L车”相继抢先投放美国市场。

2.2   新一代汽车的技术途径

经过一段的摸索与筛选, PNGV提出的主要技术途径可归结为以下几个方面:

·提高动力-传动系统效率

·减轻自重与阻耗

·起动机-发动机—体化

金属带式CVT外, 日本又发展出更为强劲可靠的摩擦轮式的CVT。

2.2.1   减重减阻

减轻自重是PNGV的重要战略。Lupo、Prius和Insight都采用铝和铝镁合佥作为车身材料。美国的PNGV有的样车采用塑料蒙皮与轻金属骨架的复合结构。减轻自重的努力不仅仅限于车身, 也包括悬架、副车架和动力总成。目前PNGV中制订的减轻自重40%的目标在技术上已经实现, 只是成本上尚需进一步挖潜。

车身外形流线化, 减小车身下部及突出部的空气阻力, 一直是努力的方向。在过去20年, 风阻C_D值以每年2.5%的趋势下降。新设计汽车的C_D值常常可以下降15%。目前轿车的C_D值在0.30~0.35左右。新一代汽车样车的C_D值已达0.20~0.25。

目前, 轮胎的滚动系数C_R约在0.007~0.009左右, 新型的低滚阻轮胎的C_R值可降至0.0055。按经验, C_R降低20%, 可提高汽车燃料经济性3%~4%。

2.2.2   起动机-发动机一体化(Integrated Starter-Generator, 简称ISG)

将起动机与发电机合为一体, 安于曲轴上, 配以42V的供电系统, 就成了ISG。实际上是一种混合驱动的雏形, 它允许发动机经常息火, 必要时再重新启动以有效节省怠速与减速时的油耗, 适当控制可代替变扭器。在不带怠速关机的条件下, ISG可省油2%~3%。带有怠速关机系统时可省油7%~10%。另有10%~15%的节油效应是由于部分的混合驱动得到。

2.2.3   混合驱动

在ISG的基础上, 加大电压与电机, 即可形成较理想的混合驱动方案。由于ISG功率加大, 发动机可以减小, 加上使发动机在最佳状态下工作和制动能量回收的控制系统, 即可形成目前流行的两种混合驱动汽车:

(1) “弱混合驱动” (Mild Hybrid)。本田的Insignt车即属此类。其典型特征为:

·电动功率约小于25%

·有怠速关机系统

·部分的制动能量回收

·很少单独电驱动

(2) “强混合驱动” (Full Hybrid)。丰田的Prius车属于此类。其典型特征为:

·电动功率约占30%~50%

·部分单独电驱能力, 但也不能长距离单独电驱

·怠速关机

·更多的制动能量回收

·要求更大的电池组和特殊的充电器

2.2.4   燃料电池

燃料电池发明于1839年, 120年后才开始应用。1959年NASA宣布可应用于航天, 1960年认识商业应用价值, 但成本太高。1984年美国能源支持重点研究。目前许多公司在研发生产高性能价格比的燃料电池。1998年3月芝加哥成为采用氢燃料电池公共汽车交通系统的世界第一城市。现在可乘燃料电池的士走遍伦敦市。燃料电池与内燃机的根本不同之处, 在于它不像热机那样将燃料的化学能先变成热能再转化为有用功, 而是由化学能直接变为电能而没有像热机那样巨大的热损失。它不受“卡诺循环”的限制。因此, 它的能量转换效率可比内燃机高50%~100%。是一种最有吸引力的汽车动力。目前直接用纯氢燃料电池的能量转换效率可接近80%, 而通过转换器将汽油或天然气转换成氢的燃料电池, 其能量效率在60%左右, 而内燃机的热效率约近40% (柴油机高些, 汽油机低些)。直到2000年前, PNGV还没有将燃料电池车列入样车日程, 主要是因为:

(1) 燃料电池堆的尺寸与重量过大;

(2) 直接燃氢方案的氢气储存和行驶里程有限;

(3) 由汽油、天然气间接燃氢方案的转换器的体积重量也大;

(4) 化学反应速度不像燃烧反应快, 影响汽车的起动与加速性能, 需要与储能电池组成另一种“混合驱动”;

(5) 质子交换膜需要铂做触媒, 铂的用量大, 也曾是燃料电池用于汽车的一大问题。

近几年来, 燃料电池在小型化轻量化方面有了重大进展, 20世纪60年代燃料电池的用铂量曾是4 mg/cm²现已降至0.5 mg/cm², 实验室达0.15 mg/cm², 而单位膜面积的电池强度已由原来的0.5 A/mgpt提高到15 A/mgpt (膜的减薄需要支撑)。

美国在布什总统上台后已宣布停止PNGV计划, 改为“FREEDOM CAR”计划, 专门支持燃料PNGV中的一个重要研究项目, 铅布电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等都有重要进展, 目前各种电池的性能与价格如表 1所示。按目前的性能与价格, PNGV尚未将纯电动汽车列入新一代汽车的日程。

表  1  各种蓄电池性能

Table  1.  The performance of some kinds of storage ballery

	比能量/Wh·kg-1	能量密度/Wh·L-1	充电时间/h	循环寿命/80%DOD	比功率/W·kg-1	参考价格/100%
铅酸电池	33	80	8~16	> 700	75	1
铅布电池	50	92	< 2	> 900	225	1.3
镍镉电池	40	80	4~8	800	100	7
镍氢电池	70	150	4~8	800	150	10
锂离子电池	100	160	2.5	> 120	300	20

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2.2.5   PNGV概念车

2000年三大汽车公司推出的PNGV概念车。

(1) 福特公司推出的概念车命名为Prodigy混合驱动车。

动力系统: 采用柴油发动机和电池供电的电动机。

燃油经济性: 71 m/g (3.38 L/100 km) (柴油)。

车身: 采用铝结构。

重量: 2387×0.453 kg (比基础车减重50%)。

电池: 采用镍氢电池。

(2) 通用公司的概念车命名为Precept混合驱动车。

动力系统: 柴油发动机和电池电动机。

燃油经济性: 80 m/g (3 L/100 km) (柴油)。

车身: 为铝合金车架, 塑料顶。

重量: 为2875×0.453 kg

电池: 镍氢或锂离子氢池。

(3) 克莱斯勒推出的概念车为ESX3混合驱动车。

动力系统: 3缸柴油发动机, 电动机趋动前轮。

重量: 2250×0.453 kg比基础车减轻1200×0.453 kg。

燃油经济性: 80 m/g (3 L/100 km) (柴油);

72 m/g (3.3 L/100 km) (汽油)。

2000年三大汽车公司的PNGV样车, 已基本达到减轻自重的40%, 但成本要增加7000~7500美元。上述三种车都能达到EPA现行排放标准, 但不能满足2003年的新标准。

2.3   重新设计汽车的技术选择

美国能源基金支持, 由Argonne国家实验室和Michgan大学进行的研究报告提出了对新设计汽车方案选择的分析和比较, 分析中考虑四种方案^[2] (混合驱动分两种, 纯电动车与燃料电池车暂未考虑), 如表 2所示。

表  2  新设计方案的技术特征

Table  2.  The technological characteristics of new design

技术特征	总体设计应用
	中档	先进	混合驱动
减重要求(参看表 3) CD↓10%, CR↓20%	中	高	高
	√	√	√
VVC, 4气门, 50 kW/L	√
GDI, VVC, 55 kW/L		√	√
各缸独立控制	√	√	√
CVT	轻型, 中型	轻型, 中型	√ (强混驱可能不用)
5档自动变速	小客, 皮卡, SUV
自动6档与换档优化		小客, 皮卡, SUV
5档AMT			√ (强混驱可能不用)
ISG, 42V, 怠速关机和扭矩柔顺化	√	√
混合驱动, 高电压系统, 怠速关机, 制动回收			√
CD↓, CR↓	√	√	√

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表  3  不同级别车辆的减重指标

Table  3.  The index of weight reducing of different atomotives

车辆级别	中档	先进与混驱
小型桥车	0	10%
中型桥车	10%	20%
小客、皮卡, SUV	20%	33%

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上述三种总体设计的燃料经济性的仿真效果如表 4。

表  4  燃料经济性仿真结果

Table  4.  The simulation results of economic features of fuel

车型	燃料经济性(MPG) 与提高率/%
	基准车	中档	先进	弱混驱	强混驱
小型桥车	30.8	43.7, 42	48.4, 57	56.3, 83	63.5, 106
中型桥车	26.2	40.8, 56	45.8, 75	52.6, 101	59.3, 126
标准皮卡	21.0	28.7, 37	33.8, 61	30.2, 86	44.2, 110
小客车	22.3	34.5, 55	41.3, 85	48.4, 117	54.6, 145
标准SUV	20.3	34.6, 70	40.1, 98	47.4, 133	53.4, 163
高性能SUV	20.4	31.0, 52	36.3, 78	42.5, 109	48.0, 135

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上面的仿真是在CAFE (Corporate Average Fuel Economy) 标准条件下进行的。可以看到中型轿车在强混合驱动下, 燃料效率只是基础车的2.26倍, 并未达到PNGV的三倍目标, 这是因为这里假定减重只是20% (表 3) 是不40%, 这是出于不过高地增加成本的考虑。

2.4   新技术的代价

上述表 2所示四种整体设计方案所必须增加的成本见表 5。

表  5  不同设计方案增加的成本(按2000年美元计)

Table  5.  The cost increasing of different designs/US  $

车型方案	小型轿	中型轿	皮卡	小客	标准SUV	高性能SUV
中档方案	944	1036	1515	1500	1395	1485
先进方案	1125	1292	2291	2134	2087	2137
弱混驱	3118	3522	4547	4169	4002	4343
强混驱	4331	5089	6526	5818	5472	6322

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从表 4与表 5可以看到以下结论:

考虑到每年可节省燃料费用, 表 6也列出纯粹由节省燃油费抵偿的年限, 但这里并未考虑环保要求与法律对汽车使用效益的影响, 也未考虑油价上涨的因素。

表  6  不同方案的性能与代价

Table  6.  The fuel reducing and cost increasing of different designs

方案	节省燃料	增加成本(2000年) /US$	油费抵偿/a
中档方案	37%~70%	900~1500	3.4~5.9
先进方案	57%~98%	1100~2300	3.9~6.3
弱混驱	83%~133%	3100~4500	7~10
强混驱	106%~163%	4300~6500	10~15

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考虑到收入水平与消费模式的逐年提高, 按该分析报告作者们的估计到2010年弱混合驱动可能广泛应用, 而强混合驱动的大量使用大概要到2015年。

总的结论如下:

(1) 新技术具有节能与环保的效益, 但目前仍有提高成本的代价。

(2) 得失权衡取决于环保与节能的价值。

(3) 市场并不自动倾向技术的进步, 除非有出于环保能源战略的政策导向。

(4) 目前美国PNGV计划的步伐由于成本目标未能实现而放慢了步伐。

3.   汽车的智能化

当今的汽车与20年前的汽车相比, 燃料效率已提高到二倍, 而排放有害气体量降为原来的10%。相当大的功劳应归于车载微处理机所进行的控制。

自从20世纪70年代中期, 在汽车引入徽处理机系统以来, 汽车的微机控制已由发动机排放与油耗控制发展到提高安全性、机动性和舒适性的整车控制。在可预见的未来将有进一步的发展:

燃料电池将使电动汽车具有更大的生命力。高能电子系统将促进汽车进一步电动化, 以及各种电动汽车的使用。新的发动机技术, 如: DISI, 无凸轮发动机和超洁净柴油机, 可能在达到新的节油和排放目标中扮演重要的角色。

ABS与TCS已是屡见不鲜的汽车交互控制系统, 而先进的汽车稳定性系统, 将对汽车六个自由度运动进行全面控制, 以使在各种驾驶条件下提高汽车的可控性与安全性。

智能汽车装置与ITS及交通信息技术的结合, 所组成主动安全系统将会使汽车能感知环境的变化和延伸驾驶员的能力以避免交通事故。

近年来新出现的汽车智能控制系统, 在进一步改变着汽车的面貌。

3.1   惯性导航系统(INS)

目前的惯性导航系统已在汽车上有较普遍的应用, 不仅可以提供查询地图和本车在地图上的准确位置(有时需要用GPS来纠正飘移), 而且能够提供对话式帮助(例如: GM的“On-star”系统), 这种系统也被用于与车间通讯为后随车提供行驶轨迹的信息。

3.2   智能巡航系统(ICC)

目前市场上提供的自适应巡航控制系统多半是靠雷达探测前车位置和相对速度, 以自动采取防撞措施。一种更有效的巡航控制系统是不仅探测前一辆车的位置与速度, 并靠车与车间的通讯, 构成“电子挂钩”系统。进行整个车流的综合控制, 以最有效地提高车速和减小安全车距, 提高公路容量和运输效率。

3.3   车辆动力学控制(VDC, ESP)

ABS与TCS主要是对车轮上的制动力与驱动力进行控制, 以防止车轮出现过大的纵向滑移率, 藉获得最大的附着力; 既可产生最大的减(加) 速度, 又可间接防止出现侧滑。

VDC或ESP虽然也是控制各轮的制动力与驱动力, 它们与ABS/TCS的主要不同, 在于实现左右纵向力的差动控制, 以直接地对汽车提供横摆力矩, 抵消汽车不稳定运动(如在滑路上甩尾时的矫正作用)。现在这种系统可以认为是ABS的扩展(增加横摆与方向盘位移传感器), 已在若干高级轿车上应用。

3.4   主动侧倾控制(ARC)

传统的抗侧倾控制是主动悬架的一种功能靠左右悬架行程的差异控制来改变车身的侧倾运动。这种控制只有靠昂贵的主动悬架系统才能实现。

最近新出现的ARC系统是在已有的ABS/TCS系统上, 靠左右轮纵向力的差动输入来实现侧倾的动力学控制。这种系统成本较低, 已在若干载货车(重心高, 易侧翻) 和大型拖挂列车上应用。

3.5   各种“导线驾驶” (Driving by wire) 系统

由于对汽车可控性要求的增高, 出现了汽车操纵的电子化与电动化的“导线驾驶”趋势。例如“导线制动” (Braking by wire) 和“导线转向” (Steering by wire)、“电油门”、“电动转向”、“电制动器”等。

随着汽车电子控制系统复杂化与多样化, 其故障所造成的后果严重性正在增加, 因此, 冗余测控系统以及系统监测与故障诊断技术已有巨大进步。各种容错的“导线驾驶”系统正在发展中, 不同的基于模型的车载诊断系统也在开发与应用中。

计算机硅芯片的处理能力一直在按“摩尔法则”发展, 数据处理能力每18个月翻一番, 而价格以每年35%的速度下降。今天, 一辆中档的福特Taurus汽车上的计算能力, 比当年用于阿波罗航天计划的价值几百万美元的大型计算机还要强^[3]。据估计《摩尔法则》还将在相当长的时间内起作用。到2010年计算机的速度将比今天的速度高出几百倍。而汽车将成为计算机和信息技术的最重要用户。智能化的汽车将成为人们更为青睐的、高级笼物, 并进一步促进汽车产业和信息产业, 乃至整个社会的可持续发展。