自從19世紀末,汽車工業開始形成規模以來,這個現在被定義為「傳統製造業」的行業已經走過了一百多年。隨著製造業科技水平的不斷發展,各大汽車廠商不斷推出新的車型。一項統計顯示,在美國銷售的汽車型號,從1970的140多種,發展到1998年的260多種,而到2012年,這個數字已經達到了684種。然而一直到本世紀初期,這些不同的車型,仍然都是「汽」車:他們靠燃燒汽油或柴油來驅動。

儘管現在石油價格持續低迷,如果我們看一看石油價格的歷史數據的話,不難發現,1970年代開始油價節節攀升,在1980年曾經達到過每桶110美元,此後的油價開始下跌和震盪,在1998年出現了每桶16美元的低點,自那以後又開始快速升高,直至2008年150美元以上的高價。70年代的那次油價高昇(石油危機),對美國汽車工業是一次巨大的震動,傳統美國式的大排量高能耗「肌肉車」開始逐漸退出舞台,多數美國人開始購買小型,節能的車型。而21世紀初的這次油價高昇,讓汽車工業不得不開始思考石油的替代品。而近年來越加嚴重的環境保護,氣候變化問題,使得各國政府對汽車製造商提出了更加嚴格的排放要求。新能源汽車開始變得重要起來。

根據維基百科的定義,新能源汽車「是指採用非常規的車用燃料作為動力來源或使用常規的車用燃料但採用新型車載動力裝置的),綜合車輛的動力控制和驅動方面的先進技術,形成的技術原理先進、具有新技術、新結構的汽車。」 通常來說,新能源汽車被分為四個大類:混合動力電動汽車,純電動汽車,燃料電池電動汽車,和其它新能源汽車。而這裏所說的非常規車用燃料,則指除汽油,柴油,天然氣,液化石油氣,乙醇汽油,甲醇,二甲醚之外的燃料。「其它新能源汽車」這個分類下目前並沒有實際的商業產品問世,多數仍然停留在實驗室或概念車階段。

混合動力電動汽車的商業化已經有相當的時日,許多常規車型現在都有「混動(hybrid)」的版本以供選擇。有趣的是,混合動力汽車的概念和技術其實有很悠久的歷史,悠久到幾乎和汽車工業一樣悠久:早在1899年,保時捷汽車的創始人斐迪南·保時捷就造出了一輛油電混合動力的汽車,名叫羅納-保時捷(Lohner-Porsche)。該車由電動機驅動,而電機由電池和汽油發電機來供電。當然,這個跨時代的設計在當時來說太過超前,只能成為一個科技傳奇。直到將近100年後的1997年,日本豐田公司才向市場推出了Prius,世界上第一個大規模生產的混合動力乘用車。

既然提到了Prius這個代表性車型,就需要介紹一下油電混合動力車的分類:如果根據混合動力的程度來分類,可以將混合動力車分為輕度,中度和重度混合動力,以及插電式混合動力系統。

輕度混合動力,雖然同時擁有內燃機和電動機兩種能量來源,然而驅動汽車行進的僅僅是內燃機,電動機的作用主要是幫助內燃機啟動及在內燃機停止工作時提供電力供應車內電器。這種系統又被稱為怠速熄火系統(Start-Stop System)。雖然電動機在幫助內燃機啟動,以及在減速,剎車時自動關閉引擎而維持其它系統運行的過程中減少的油耗,提高能源利用效率。但電動機並沒有對汽車行駛本身提供動力。目前市場上的許多車型都已經配備了這樣的系統,但是它們並不會被標注為「混動(hybrid)」車型。

中度混合動力,同時擁有內燃機和電動機,且兩種動力來源可以同時驅動汽車行走。但是其中一種動力來源為主,可以獨立驅動車輛,而另一種則是次要動力來源,輔助主要動力來強化性能,減輕負擔。在一些設計中,用輸出較低的主要動力配以輔助動力後,變成標準輸出功率,提高能源利用效率。而在另一些設計中,以標準輸出功率的主要動力配上輔助動力後,提高整體輸出,即提高能源利用效率,又增強車的性能表現。目前市場上的多數「混動(hybrid)」 車型,都屬於這個類型。值得一提的是,豐田推出的第一代Prius由於技術的限制,採用的正是中度混合動力系統,即電動機作為輔助動力。到了第二代產品,才改用了更先進的重度混合動力設計。

重度混合動力,內燃機和電動機均可作為單一動力驅動汽車行駛,也可以兩者同步驅動產生更大的動力。在重度混合動力系統中,車內控制電腦起著相當重要的作用,負責決定內燃機和電動機在何時單獨驅動,何時同時提供動力。一般來說,在起步或低速時,內燃機效率較低,由電動機完全驅動車輛行駛,而與此同時,視電池狀況,內燃機可能會驅動發電機向電池充電。當車速提高到內燃機的高效運轉範圍內時,汽車將交由內燃機驅動。而在加速,爬坡等狀況下,內燃機和電機可能同時運作啟動車輛,提供額外的動力。

插電式混合動力汽車與後面要說到的全電動汽車其實非常類似,主要靠外來電源為車輛充電,以電機驅動汽車行駛。而上面講到的輕,重,中度混合動力車型,都不能通過外接電源充電。不過對於插電式混合動力汽車來說,在缺乏電源的情況下,可以靠內燃機引擎來驅動車輛行駛(直接驅動汽車或間接驅動發電機為電動機供電)。這裏仍然要提到豐田的Prius。豐田於2011年正式發表了插電式混合動力版的Prius Plug-in Hybrid。目前2017年款的插電版可以在全電模式下行駛25哩,而在內燃機的輔助下,可以行駛640哩。目前在北美市場上另一種常見的插電式混合動力車型是通用汽車公司的雪佛蘭Volt。通用汽車公司將該車的動力系統歸為 「增程型電動系統」 ,避開 「混動」 這個名字,因為該車型的驅動全部由電機完成,內燃機只起到驅動發電機的作用,因此整車的動力系統更接近於純電動車或燃料電池汽車。需要指出的是,當驅動汽車的動力全部來源於電動機時,由於可以實現或近乎實現無級變速,駕駛感受將會有明顯的區別。

與混合動力汽車相比,家用純電動汽車在市場上出現得更晚,目前的商業化車型也比混合動力車型要少。其實電動汽車的歷史甚至比內燃機驅動的汽車更久遠。早在1834年,美國人托馬斯·達文波特就製造出了第一輛直流電機驅動的電車。而內燃機汽車一般認為是由德國人卡爾·本茨(平治品牌的創始人)於1885年製造出來的。而在19世紀末到20世紀初,由於蓄電池技術的發展,電動汽車甚至於內燃機汽車一樣活躍於汽車市場。但隨著石油工業的崛起,內燃機技術的進步,以及電池技術的限制,電動車逐漸失去了競爭力。直到1990年以後,隨著能源環境問題的日益嚴峻,電動車才重新回到大眾的視野。

傳統內燃機汽車及混合動力汽車,內燃機及波箱往往是最關鍵的技術。而對於純電動車來說,決定了最大行程,充滿電池的時間則是最重要的關鍵技術。另外,建造成本對於家用汽車市場來說,也是一個不可忽視的重要因素。在純電動車與內燃機汽車的比較中,重要的性能參數包括了行駛距離,加速性能,充電時間等。目前來說,行駛距離上電動車目前並不理想。目前特斯拉公司生產的Tesla Model S車型在高配型號下一次充電可以行駛265哩,仍然低於一般內燃機汽車,而且Model S接近7萬美元的起步價,定位在豪華車級別,不能普及。特斯拉公司即將推出的Model 3車型,和通用汽車公司即將推出的雪佛蘭(Chevrolet)Bolt EV車型,均可達到單次充電行駛200哩以上,並且把價位控制在4萬美元以下。而在加速性能方面,純電動汽車已經與內燃機汽車沒有差別,甚至有一定的優勢: 特斯拉的Model S可以在3秒內加速至100km/h,這已經能夠躋身性能最好的跑車之列。而充電時間也是純電動汽車與內燃電單車相比的一個劣勢。相比幾分鐘的加油時間,幾十分鐘甚至幾個小時的充電時間顯得太長。為此,一些公司也在考慮直接更換電池的技術路線。但是成本及安全性始終是需要考慮的問題。

純電汽車由於動力系統相對傳統汽車簡單,而電機的能量利用效率又大大高於內燃機,加上純電動汽車本身在行駛過程中的零排放(但是在製造過程及電力生產過程中仍然有排放和污染,但是相對集中,更容易控制管理)特性,純電汽車有朝一日成為主流似乎是一種必然。實現的早晚主要就看電池技術的發展速度了。目前一提到電動汽車就會提到的特斯拉公司,成立於2003年,在短短10幾年時間裏就能在汽車行業中打出自己的響亮品牌,從一個側面反映了純電汽車在設計製造,尤其是動力系統的設計製造方面的難度大大降低。內燃機汽車的動力總成(Powertrain)設計需要大量的技術積累,眾多的專利與技術秘密將行業門檻抬的很高。而純電動車卻直接繞過了內燃機與波箱的技術難點。有趣的是,今年通用汽車公司將其動力總成部門(GM Powertrain)更名為全球推進系統部門(GM Global Propulsion Systems),這是否預示著各大傳統汽車廠商也將大力投入新的戰場呢?

最後聊一聊燃料電池汽車。簡單來說,燃料電池汽車就是將純電動汽車的電池組,換為燃料電池。電池組靠外接電源充電,而燃料電池則靠加註燃料,通過化學反應轉化為電能。目前的汽車用燃料電池多採用氫氣作為燃料,反應後的產物為水,被認為在行駛過程中沒有污染。燃料電池汽車與純電汽車相比,最大的優勢在於充能時間:加註氫氣的時間和內燃機汽車加油時間幾乎一樣,幾分鐘內即可完成。而燃料電池汽車的最大挑戰,就是燃料電池技術。

雖然燃料電池也是一個發展了多年的科技,但是應用在汽車,尤其是家用汽車上,則需要面對成本,尺寸,效率等等諸多問題。雖然諸多汽車廠商都在研發燃料電池汽車技術,目前真正商業化生產的氫氣燃料電池汽車只有豐田的Mirai(取自日語 未來 的發音)。該車型一次加氫後可以行駛312哩,於2014年12月在日本銷售,2015年則開始在美國加利福尼亞州銷售。燃料電池汽車與純電汽車有著所謂技術路線之爭(充電還是加氫?),在幾年以前,特斯拉公司名聲鵲起的時候,純電汽車路線曾經佔到上風。不過隨著豐田Mirai的商業化,以及其它廠商對燃料電池的不斷投入和開發,目前鹿死誰手還很難判斷。
通用汽車公司總裁Mary Barra女士說:「我相信汽車工業在未來5-10年將發生的改變會比過去50來的還要大。」 的確,新能源,自動駕駛技術,這些近在眼前的技術革新也許會徹底改變人們的出行方式與習慣。讓我們拭目以待,汽車工業將給我們帶來怎樣的未來。◇