駛向綠色與智慧快車道(開卷知新)

圖片來源:影像中國   製圖:趙�迫�

汽車大大拓展了人們的活動半徑,也不斷改變着人們的生產生活方式。隨着移動互聯、大數據、人工智能科技發展,共享經濟、電子商務等新興運營模式的興起,汽車的應用場景和自身形態發生明顯變化。未來汽車什麼樣?又將如何更好地服務人類的生產生活?

新能源”推動低碳出行

長久以來,汽車主要依賴燃燒汽油、柴油等化石燃料,由內燃機驅動。伴隨人們對環保、低碳的重視程度不斷提升,新能源汽車發展步伐也明顯加快。首先,儲能電動汽車越來越普及,其中包括純電、混合動力和增程式電動汽車等。同時,燃料電池汽車進入新一輪發展階段,其驅動系統實際也是電驅動。相比內燃機驅動,電驅動系統可實現電能機械能之間的高效轉化,具有結構相對簡單、功率密度高、動力響應快、噪聲振動小等優點;同時能夠進行雙向能量轉化,具備機械能回收能力,可以有效減少車輛制動時能量的浪費。

電驅動系統主要由電動機電控單元、供能系統(如動力電池)三部分組成,就是所謂的“三電”。電動機負責將電能轉化爲機械能驅動車輛,在“三電”中技術最爲成熟。電控單元除了根據駕駛員的操縱指令驅動電機工作外,還肩負電池充放電管理、功率分配、制動能量回收、熱管理等任務。電驅動系統的正常工作離不開供能系統持續、穩定、高效地供應電能。由於供能機理、安全性限制等原因,供能系統成爲“三電”中最薄弱的一環,也最受消費者關注。以車用動力電池爲例,受其工作過程電化學反應複雜等限制,動力電池的存儲容量、充電時間、工作溫度、使用壽命性能指標都存在瓶頸,且各項指標相互制約。因此動力電池的綜合性能提升一直是新能源汽車技術的焦點。

爲解決電動汽車“里程焦慮”等問題,鋰電池製造工藝逐步提高,石墨烯電池、鈉離子電池等新型電池不斷出現,旨在提高電池的能量密度與充放電性能;輕量化和結構優化正在不斷減少用電量;電池熱管理技術的不斷突破提高了電池的低溫性能;充電技術的不斷髮展顯著提升了電池的充電速度。科技的發展使新能源汽車的短板逐漸得以彌補。按目前技術的發展速度,相信在不遠的未來,電動汽車的續駛里程、充電時間、使用壽命、低溫性能等都會顯著改善,越來越好地滿足人們的出行需求。

此外,車載供能系統將朝向多元化發展。隨着制氫、儲氫技術的發展,氫燃料電池系統有望在汽車領域實現廣泛應用。氫燃料電池通過氫氣和氧氣進行電化學反應提供電能,具有能量密度高、加註迅速、零碳排放等突出特點,不但適用於市內通勤,也可用於重載長途運輸。當然,目前條件下氫燃料電池系統還需要顯著提高性價比和建立足夠的基礎設施及法律法規體系才能更大規模推廣應用。然而,無論是儲能式電動汽車還是氫燃料電池汽車,要實現真正的低碳還需要保證電和氫的源頭清潔綠色,如通過風、光、水等可再生能源發電和制氫。

“聰明的車”跑“智慧的路”

汽車作爲一種交通工具,需要使用者和公路等要素支撐才能完成公路交通的設定功能。“人、車、路”構成公路交通三個基本要素。其中,“人”不僅包括駕駛者和乘客,也包括行人和交通管理者等;“車”除了各類載運車輛還包括其搭載的安全保護、輔助駕乘、信息通信甚至娛樂等各種功能的系統;“路”除了我們認識的傳統公路以外,還包括交通信號、探測感知、安全防護和智能運維等相關設施。在傳統公路交通的發展歷史中,“人”與“路”的功能和形態變化很慢,而“車”的變化較快、受人們關注更多。

隨着人們對汽車交通的期待不斷提升,傳統公路交通的發展理念和模式已經難以滿足需求,“人、車、路”三要素協同發展和智能互動的現代交通已經成爲發展趨勢。比如爲了更好提高道路交叉路口的通行效率,可將道路交通信號控制策略與車輛流量進行實時匹配。又如爲減少等待車輛的時間,“人”與“車”可做到即時通信。進一步說,如果“人”能夠準確及時知道道路狀況,如積水、結冰、霧氣乃至障礙物等,就能更早更好避開危險,保證安全、舒適出行。

智能化汽車可以模擬人的眼、腦和手腳功能,更好地與“人”和“路”互動,從而降低駕駛勞動強度,並可能實現更加安全高效的駕駛。具體來說,通過視覺傳感器、激光雷達等傳感器和衛星定位等技術,可以實現類似於駕駛員眼睛的看“路”功能。智能駕駛決策與規劃系統類似駕駛員的大腦,可根據車輛行駛的目的地規劃出一條優化的行駛“路”線,並根據感知信息實時調整,進行換道超車、避讓行人等方案制定;控制系統相當於駕駛員的雙手與雙腳,根據“大腦”指令對車輛進行控制,如加減速、轉向等。要實現更加安全可靠的智能駕駛,路側智能傳感系統及其與“人”“車”的互聯同樣重要。正在快速發展的智慧交通系統就是要通過電子信息、通信、傳感、定位、控制等科技手段,將各個要素智慧連通,從而實現“聰明的車”跑“智慧的路”,滿足“人”的安全、便捷出行需求。在這樣的智慧交通系統中,交通參與者可以實時掌握道路狀態信息以及其他道路使用者的位置、速度和方向等,人、車、路三者融合爲一個有機整體,密切配合、協同行動。通過“人―車―路”的充分協同,“駕駛員”(含智能駕駛系統)不僅能夠真正做到“眼觀六路,耳聽八方”,還能夠融入整個交通系統當中,與所有的交通參與者信息互通。“車”可以藉助自身智能感知、車車通信及車路通信等裝備,提高行駛安全性與經濟性,並通過更合理地規劃行駛路線與車速,提升出行效率和乘坐舒適度;“路”則可以通過路側感知和超視距信息,有效增加通行效率、降低交通事故率等。應當指出,由於實際交通場景比較複雜,目前的技術和管理體系還不足以支撐智能駕駛系統在公共道路上完全替代駕駛員工作。不過,隨着技術不斷進步,未來智能駕駛汽車將會越來越成熟,應用場景也會越來越廣泛。

跨界創新助力高質量發展

新能源技術和智能技術的發展爲汽車交通發展創造了新的機遇,同時也帶來了新的挑戰,如降低能耗、優化系統功能、提高性價比等。應對這些挑戰需要新材料以及與新材料相適應的新結構、新工藝、新裝備和新研發與商業模式協同發力,以實現汽車交通的高質量發展,這就對跨界融合創新提出了更多更高要求。

高強鋼、高性能鋁合金和高性價比複合材料等是汽車新材料的典型代表,它們可以在保證碰撞安全性等重要性能的前提下有效實現輕量化。但是,任何新材料的單獨應用都很難實現最優工藝性和性價比。不同材料應用在不同部位或系統更有實際價值,如高強度鋼用於汽車底盤零部件,以保證必要的強度和剛度;高性能鋁合金用於車門等開閉件,以方便成型和連接;高性價比複合材料如碳纖維增強複合材料用於車身,以滿足防腐和安全等要求。新材料和新功能的應用還要求汽車零部件乃至整車的結構創新,以最大限度發揮材料的效能並提高其製造工藝產品綜合性能。

汽車整車和部分零部件採用的新材料和新結構需要相應的新工藝、新裝備來實現智能高效製造。如部分高強度鋼零部件的加工需要熱成型或溫成型工藝;部分鋁合金零部件需要整體壓鑄技術才能實現更好的性價比和產品品質;部分碳纖維增強複合材料需要自動化纖維敷設裝備來實現高節拍生產,並保證產品品質一致性等。這些對傳統制造工藝和裝備的升級乃至革新,將顯著推動汽車技術進步,並對整個產業發展帶來深遠影響。同時,這些先進工藝和智能裝備的發展也會帶來新的挑戰,需要多學科深度交叉融合深入研究,實現技術突破。

新型研發和商業模式是加速產業迭代升級的催化劑。通過新的研發組織模式可以將分佈式研發資源集聚成具有重要競爭力的高水平開發能力。生產製造、市場開拓和銷售應用等關鍵環節的新型商業模式的探索也爲汽車產業帶來了新的機遇。

汽車產業是我國國民經濟的重要支柱,其產業鏈長、技術涉及面廣、跨領域關聯度大。通過“七新”,即新能源、新功能(智能化)、新材料、新結構、新工藝、新裝備和新模式的聯動發展,將更好助力我國汽車交通科技實現自立自強,保障產業安全、可持續發展。當前,新一輪科技革命和產業變革正在深刻影響着汽車產業,汽車發展和能源、交通、環境、城市發展正全面深度融合。未來,汽車交通出行將持續邁向綠色化和智能化,爲人們提供更加便利、高效、綠色、安全的出行服務,助力人們創造更美好的生活。

(作者爲中國工程院院士、中國工程院副院長)

推薦書目:

1.《5G的世界:智慧交通》:徐志強主編;廣東科技出版社出版。

2.《自動駕駛改變未來》:柴佔祥、聶天心、楊・貝克編著機械工業出版社出版。

3.《重新定義汽車:改變未來汽車的創新技術》:付於武、毛海等編著;機械工業出版社出版。

4.《2049年中國科技與社會願景:汽車技術與未來出行》:中國汽車工程學會編著;中國科學技術出版社出版。