未来汽车——驶向绿色与智慧快车道

UFO爱好者

　　汽车大大拓展了人们的活动半径，也不断改变着人们的生产生活方式。随着移动互联、大数据、人工智能等科技的发展，共享经济、电子商务等新兴运营模式的兴起，汽车的应用场景和自身形态发生明显变化。未来汽车什么样？又将如何更好地服务人类的生产生活？
　　“新能源”推动低碳出行
　　长久以来，汽车主要依赖燃烧汽油、柴油等化石燃料，由内燃机驱动。伴随人们对环保、低碳的重视程度不断提升，新能源汽车发展步伐也明显加快。首先，储能式电动汽车越来越普及，其中包括纯电、混合动力和增程式电动汽车等。同时，燃料电池汽车进入新一轮发展阶段，其驱动系统实际也是电驱动。相比内燃机驱动，电驱动系统可实现电能与机械能之间的高效转化，具有结构相对简单、功率密度高、动力响应快、噪声振动小等优点；同时能够进行双向能量转化，具备机械能回收能力，可以有效减少车辆制动时能量的浪费。
　　电驱动系统主要由电动机、电控单元、供能系统（如动力电池）三部分组成，就是所谓的“三电”。电动机负责将电能转化为机械能驱动车辆，在“三电”中技术最为成熟。电控单元除了根据驾驶员的操纵指令驱动电机工作外，还肩负电池充放电管理、功率分配、制动能量回收、热管理等任务。电驱动系统的正常工作离不开供能系统持续、稳定、高效地供应电能。由于供能机理、安全性限制等原因，供能系统成为“三电”中最薄弱的一环，也最受消费者关注。以车用动力电池为例，受其工作过程电化学反应复杂等限制，动力电池的存储容量、充电时间、工作温度、使用寿命等性能指标都存在瓶颈，且各项指标相互制约。因此动力电池的综合性能提升一直是新能源汽车技术的焦点。
　　为解决电动汽车“里程焦虑”等问题，锂电池制造工艺逐步提高，石墨烯电池、钠离子电池等新型电池不断出现，旨在提高电池的能量密度与充放电性能；轻量化和结构优化正在不断减少用电量；电池热管理技术的不断突破提高了电池的低温性能；充电技术的不断发展显著提升了电池的充电速度。科技的发展使新能源汽车的短板逐渐得以弥补。按目前技术的发展速度，相信在不远的未来，电动汽车的续驶里程、充电时间、使用寿命、低温性能等都会显著改善，越来越好地满足人们的出行需求。
　　此外，车载供能系统将朝向多元化发展。随着制氢、储氢技术的发展，氢燃料电池系统有望在汽车领域实现广泛应用。氢燃料电池通过氢气和氧气进行电化学反应提供电能，具有能量密度高、加注迅速、零碳排放等突出特点，不但适用于市内通勤，也可用于重载长途运输。当然，目前条件下氢燃料电池系统还需要显著提高性价比和建立足够的基础设施及法律法规体系才能更大规模推广应用。然而，无论是储能式电动汽车还是氢燃料电池汽车，要实现真正的低碳还需要保证电和氢的源头清洁绿色，如通过风、光、水等可再生能源发电和制氢。
　　“聪明的车”跑“智慧的路”
　　汽车作为一种交通工具，需要使用者和公路等要素支撑才能完成公路交通的设定功能。“人、车、路”构成公路交通三个基本要素。其中，“人”不仅包括驾驶者和乘客，也包括行人和交通管理者等；“车”除了各类载运车辆还包括其搭载的安全保护、辅助驾乘、信息通信甚至娱乐等各种功能的系统；“路”除了我们认识的传统公路以外，还包括交通信号、探测感知、安全防护和智能运维等相关设施。在传统公路交通的发展历史中，“人”与“路”的功能和形态变化很慢，而“车”的变化较快、受人们关注更多。
　　随着人们对汽车交通的期待不断提升，传统公路交通的发展理念和模式已经难以满足需求，“人、车、路”三要素协同发展和智能互动的现代交通已经成为发展趋势。比如为了更好提高道路交叉路口的通行效率，可将道路交通信号控制策略与车辆流量进行实时匹配。又如为减少等待车辆的时间，“人”与“车”可做到即时通信。进一步说，如果“人”能够准确及时知道道路状况，如积水、结冰、雾气乃至障碍物等，就能更早更好避开危险，保证安全、舒适出行。
　　智能化汽车可以模拟人的眼、脑和手脚功能，更好地与“人”和“路”互动，从而降低驾驶劳动强度，并可能实现更加安全高效的驾驶。具体来说，通过视觉传感器、激光雷达等传感器和卫星定位等技术，可以实现类似于驾驶员眼睛的看“路”功能。智能驾驶决策与规划系统类似驾驶员的大脑，可根据车辆行驶的目的地规划出一条优化的行驶“路”线，并根据感知信息实时调整，进行换道超车、避让行人等方案制定；控制系统相当于驾驶员的双手与双脚，根据“大脑”指令对车辆进行控制，如加减速、转向等。要实现更加安全可靠的智能驾驶，路侧智能传感系统及其与“人”“车”的互联同样重要。正在快速发展的智慧交通系统就是要通过电子信息、通信、传感、定位、控制等科技手段，将各个要素智慧连通，从而实现“聪明的车”跑“智慧的路”，满足“人”的安全、便捷出行需求。在这样的智慧交通系统中，交通参与者可以实时掌握道路状态信息以及其他道路使用者的位置、速度和方向等，人、车、路三者融合为一个有机整体，密切配合、协同行动。通过“人—车—路”的充分协同，“驾驶员”（含智能驾驶系统）不仅能够真正做到“眼观六路，耳听八方”，还能够融入整个交通系统当中，与所有的交通参与者信息互通。“车”可以借助自身智能感知、车车通信及车路通信等装备，提高行驶安全性与经济性，并通过更合理地规划行驶路线与车速，提升出行效率和乘坐舒适度；“路”则可以通过路侧感知和超视距信息，有效增加通行效率、降低交通事故率等。应当指出，由于实际交通场景比较复杂，目前的技术和管理体系还不足以支撑智能驾驶系统在公共道路上完全替代驾驶员工作。不过，随着技术不断进步，未来智能驾驶汽车将会越来越成熟，应用场景也会越来越广泛。
　　跨界创新助力高质量发展
　　新能源技术和智能技术的发展为汽车交通发展创造了新的机遇，同时也带来了新的挑战，如降低能耗、优化系统功能、提高性价比等。应对这些挑战需要新材料以及与新材料相适应的新结构、新工艺、新装备和新研发与商业模式协同发力，以实现汽车交通的高质量发展，这就对跨界融合创新提出了更多更高要求。
　　高强钢、高性能铝合金和高性价比复合材料等是汽车新材料的典型代表，它们可以在保证碰撞安全性等重要性能的前提下有效实现轻量化。但是，任何新材料的单独应用都很难实现最优工艺性和性价比。不同材料应用在不同部位或系统更有实际价值，如高强度钢用于汽车底盘零部件，以保证必要的强度和刚度；高性能铝合金用于车门等开闭件，以方便成型和连接；高性价比复合材料如碳纤维增强复合材料用于车身，以满足防腐和安全等要求。新材料和新功能的应用还要求汽车零部件乃至整车的结构创新，以最大限度发挥材料的效能并提高其制造工艺产品综合性能。
　　汽车整车和部分零部件采用的新材料和新结构需要相应的新工艺、新装备来实现智能高效制造。如部分高强度钢零部件的加工需要热成型或温成型工艺；部分铝合金零部件需要整体压铸技术才能实现更好的性价比和产品品质；部分碳纤维增强复合材料需要自动化纤维敷设装备来实现高节拍生产，并保证产品品质一致性等。这些对传统制造工艺和装备的升级乃至革新，将显著推动汽车技术进步，并对整个产业发展带来深远影响。同时，这些先进工艺和智能装备的发展也会带来新的挑战，需要多学科深度交叉融合深入研究，实现技术突破。
　　新型研发和商业模式是加速产业迭代升级的催化剂。通过新的研发组织模式可以将分布式研发资源集聚成具有重要竞争力的高水平开发能力。生产制造、市场开拓和销售应用等关键环节的新型商业模式的探索也为汽车产业带来了新的机遇。
　　汽车产业是我国国民经济的重要支柱，其产业链长、技术涉及面广、跨领域关联度大。通过“七新”，即新能源、新功能（智能化）、新材料、新结构、新工艺、新装备和新模式的联动发展，将更好助力我国汽车交通科技实现自立自强，保障产业安全、可持续发展。当前，新一轮科技革命和产业变革正在深刻影响着汽车产业，汽车发展和能源、交通、环境、城市发展正全面深度融合。未来，汽车交通出行将持续迈向绿色化和智能化，为人们提供更加便利、高效、绿色、安全的出行服务，助力人们创造更美好的生活。
　　（钟志华 作者为中国工程院院士、中国工程院副院长）
　　推荐书目：
　　1.《5G的世界：智慧交通》：徐志强主编；广东科技出版社出版。
　　2.《自动驾驶改变未来》：柴占祥、聂天心、杨·贝克编著；机械工业出版社出版。
　　3.《重新定义汽车：改变未来汽车的创新技术》：付于武、毛海等编著；机械工业出版社出版。
　　4.《2049年中国科技与社会愿景：汽车技术与未来出行》：中国汽车工程学会编著；中国科学技术出版社出版。
               
               

                           

                        
                        
                                
                                    未来汽车——驶向绿色与智慧快车道
                                    
                                    
                                        人民日报
                                        2021-08-24