預見20年後未來汽車

預見20年後未來汽車

撰文/SA編輯部|譯者/周坤毅
轉載自《科學人》2009年12月第94期


重點提要

  • 2030年市場上將出現各式各樣使用不同燃料與動力系統的車輛。部份汽車將僅供短程通勤或市區行駛。
  • 未來將有越來越多的汽車具備彼此溝通的能力,既能應用在汽車防撞科技上,也能用來建構社交網絡。然而如何防止駕駛人分心,將是必須持續關注的課題。
  • 氫燃料電池車能否在未來20年內成功普及,仍是未知數。

為了一窺20年後汽車的面貌,Scientific American編輯布朗(Stuart F. Brown)邀請通用汽車(General Motors)、特士拉汽車(Tesla Motors)與豐田汽車(Toyota)的高級主管進行座談,並另外訪問了美國電力研究所(EPRI)的計畫經理。這幾位受訪人士預測了汽車之間的通訊功能將會加強,而路上將出現各種不同動力系統的汽車。部份汽車將使用電池做為動力來源,例如特士拉的跑車;其他汽車則會使用混合動力系統,同時配置電動馬達與小型內燃機引擎,例如豐田汽車目前銷售的Prius、雪佛蘭預計2010年上市的Chevy Volt;許多即將推出的油電混合車能透過插座充電,而氫燃料電池也可能成真。他們還透露了更多關於未來汽車的可能面貌,以下是經過編輯整理的精采訪談內容:

讓我們先談談從現在到2030年這段期間,交通工具可能使用的燃料。

賴納特:從現在到未來10年,汽油價格應該會維持在低點。我認為至少在未來5年、甚至10年內,絕大部份汽車仍會使用內燃機為引擎。市面上將出現六至八速自排變速箱、無段自動變速系統、低耗損潤滑油,甚至能降低摩擦阻力的全新陶瓷軸承。藉由這些近期到中期的大量研發成果,內燃機引擎的效能將大幅提升。

繼續往後看到2020~2025年,汽油引擎與柴油引擎將會同步成長,兩者的構造也會十分相似。我認為酒精燃料將逐漸淡出市場,改由生質汽油或舊型汽車也能使用的第二或第三代生質燃料取代。利用海藻或都市固體廢棄物做為原料的生質,將能用於製造合成汽油與柴油。

屆時取代傳統鋰離子電池的全新電池科技可能已經發展完成,性能不打折的全電動汽車也將成真,然而電動汽車仍將屬於利基(niche)產品。我認為市面上將開始出現低碳氫(指非利用天然氣合成的氫),以供燃料電池之用。電池動力車將以利基產品之姿出現,而市場在數年後才會逐漸成熟。插電式油電混合動力車與長程油電混合動力車也會瓜分市場,市面上將出現許多配備內燃機引擎的油電混合車,接著燃料電池車也開始上市。

到了2030年,汽車仍會持續使用內燃機引擎,同時配備更強的混合動力系統。長程電動車、小型電動車與燃料電池車也都將大有進展。

無線通訊科技充斥在我們的生活週遭,這對汽車將有什麼影響?

伯恩斯:汽車通訊是另一項蛻變中的重要科技。事實上,目前許多汽車已開始具有彼此溝通的能力,這使得越來越多的操控項目可能由汽車自行完成。我們的目標是在未來5~10年間,發展出汽車自動駕駛所需的科技,同時推出汽車防撞技術。

賴納特:我想談談通訊科技會如何影響汽車。我認為車輛之間的點對點網路連結技術,不僅能解決交通壅塞的問題,同時也能用於建構社交網絡。千禧年世代的年輕人無時無刻都在上網,而現在人們不管走到哪兒都「身處雲中」(即連得上網路),以後人們也不必綁死在電腦前,因為汽車本身就會是運算平台的一部份。

伯恩斯:我女兒今年18歲。在我那個年代,成年禮就是獲得第一部汽車。但是對於我女兒來說,她的成年禮是擁有第一支手機。現在她有一支iPhone和一部釷星Vue休旅車,如果要求她非得放棄其中一項,我想她大概會先放棄汽車,而非藉由iPhone聯繫起的社交網絡。你所提出的社交網絡論點非常重要,這是一種強大的行為驅力。然而當經驗不足的年輕駕駛人想要邊開車邊打簡訊時,將會造成很大的安全顧慮。因此技術人員應該提出解決之道,讓年輕駕駛人兩者兼顧。

賴納特:毫無疑問的,如果汽車不能變成像iPhone一樣的社交網絡工具,我們將會失去比伯恩斯的女兒更年輕的族群,他們會因為不在社交網絡那朵雲中,而拒絕上車。我猜汽車公司遲早必須尋求通訊業者的協助,因此汽車業與通訊業之間的合作關係,將越來越普遍。

電池科技是許多研發中先進汽車的關鍵技術,目前的電池科技夠好嗎?

杜瓦:我們的短程目標絕對是盡可能延長電池壽命。汽車製造商在初期必須投資較高的經費在電池研發上,隨後成本逐漸降低,而電池的工作效能卻會逐步提高。同樣的模式在油電混合車上已經成功,大幅提高了每公升汽油所能行駛的里程數。

伯恩斯:雪佛蘭伏特汽車的電池功率達到16千瓦小時,但其實汽車行駛只需要一半的功率。我們正在學習並獲取更多經驗,當然我們也會有所進步,重要的是我們已經開始動手去做。

汽車工業每年大約生產7000萬輛汽車與卡車。如果電池動力汽車想要成功,年產量至少要達到數千萬輛。然而只有在電池的耐久性與價格問題獲得解決後,才有可能達成上述產量,因此我們還有很長一段路要走。

一般汽車的壽命是行駛24萬公里,如果期間內必須更換一、兩次電池,製造商會陷入極大的麻煩之中。我相信鋰離子電池將會持續改良,但我們仍需要突破性的發明,讓每千瓦小時的成本降低到我們要求的合理範圍。

我們迫切需要化學技術的突破,畢竟車用電池需求與一般錄音機或手機所使用的電池有天壤之別。汽車電池必須能夠在嚴苛的溫度條件下正常運作,還得應付不同的動力輸出需求。電池必須能均勻冷卻,同時維持均勻的充電狀態。在第一代鋰離子電池汽車實際上路後,我們將會獲得許多重要的相關知識。

賴納特:在某種程度上,電池壽命將會限制其應用範圍。因此我認為不光是豐田汽車,其他汽車製造商都必須謹慎設計汽車電池的運轉模式,例如該如何在持續充電模式與消耗電力模式之間切換,或是電池尺寸應該多大,目標是減少顧客索賠的成本。由於目前鋰離子電池依然達不到傳統內燃機引擎的24萬公里壽命,因此電池動力汽車仍將被局限在利基市場、市區汽車、配備小型電池的插電式油電混合車,或是配備中型電池的長程油電混合車上。

史特勞貝爾:我建議或許可以藉由計算行駛每公里所需的成本來看待這個問題。剛剛討論的是電池的最短壽命需求,但是對於可替換電池模組的汽車來說,需要考慮的問題便大不相同。你必須計算汽車行駛每公里所需的成本,以及更換電池模組(如果可行的話)所產生的相關費用。從這個觀點來看,我們已經非常接近、甚至已經跨越所需的技術門檻,足以讓駕駛電動車比汽油車更便宜。如果汽油價格滑落到每公升0.5美元時,駕駛汽油車或許還是便宜一些,然而歐洲大部份地區的汽油價格高達0.9~1美元,此時選擇電動車絕對比較划算,尤其如果能配合政策獎勵或稅金減免,將更具優勢。

杜瓦:美國許多電力公司都樂於補助住家安裝汽車充電所需的基礎設施費用,以鼓勵離峰時段充電,你必須參加一項費率方案,以便利用離峰時段為汽車充電。這也意味著在每年最熱的六個月間,你將無法在下午兩點到晚上九點間替汽車充電。

利用離峰時段替插電式電動車充電的做法可行嗎?

杜瓦:這麼做對電力公司最有利。我同意汽車製造商的說法,短期內我們必須設法達到幾項特定目標,其中包括長壽電池,接著我們才能開始討論其他東西。對我們來說,目前談論智慧型充電系統(亦即電動車與電力輸送網間能自動排定最便宜的充電時段)仍嫌太早。

我認為電力公司可能會開始針對大部份客戶實施所謂分時計價制度,換言之,尖峰時段的電費將比夜間更貴。因此在凌晨三點替汽車充電或自動啟動烘衣機,就會更省錢。如果車主偶爾想按下「立即充電」的按鈕,那麼他只好付出更多電費,但預設模式應該是利用離峰時段充電。

過去10年來有太多關於燃料電池的討論,究竟這項科技的前景如何?

杜瓦:我會說燃料電池的最大挑戰,或許不是汽車本身,而是提供氫燃料的基礎設施。當這項問題克服後,我們可以利用石化燃料合成氫,或是電解水來取得氫。但與其利用電力來製造氫,還不如將這些電力用於電動車,不僅能源效率更高,所需的基礎設施投資也較少。

所以我認為如果今天美國的能源網絡能重新規劃,氫燃料才比較有可能成為選項之一。因為你可以事先規劃氫燃料的基礎設施,例如先進的電解廠。然而除非氫燃料電池車的效率可大幅提升,否則很難超越電動車,畢竟製造氫所需的電力,與電動車使用的電力來源是相同的。

史特勞貝爾:我認為就任何時間點來看,燃料電池都有一場硬仗要打。畢竟物理上能源轉換效率的限制,將會是非常棘手而難以解決的問題。長遠看來燃料電池並非汽車動力科技的「聖杯」。

賴納特:目前戴姆勒汽車(Daimler)、通用、本田(Honda)與豐田汽車,皆已成功研發出燃料電池車,只待相關基礎設施完成便能上路,時間點大約在2025年前後。我認為駕駛人的用車需求將被劃分得更細。目前我們要求汽車續航力必須達到640公里,但10年後的消費者可能不會這麼想。譬如你可能只需用車半天,只要適當續航力就夠了。此時你會選擇像Zipcars這類公司提供的租車服務,購買剛好的里程數即可,而不必多花錢。

燃油效率、廢氣排放與車輛安全都必須達到法規標準。你們對於未來的汽車法規有什麼看法?

史特勞貝爾:在制定政策時,我們必須把焦點放在那些經濟上可行的方案,才有可能提高產量。如果政策決定使用某種在20年內都不符合經濟效益的方案,那麼一切都是枉然,對於解決CO2減量、能源安全或其他問題都毫無幫助。

伯恩斯:我擔心如果現在就試圖決定未來交通工具所需的動力形式,將會誘使立法者將某些選項排除在外,在我看來這麼做實在言之過早。目前有許多有趣的研究正在進行中,但我們不會以單選題的方式來看待這些選項:不是使用電池就是燃料電池、或是選擇生質燃料。相反的,我們寧可當它是多重選擇題,讓多種選項同時並存。畢竟不管是電力、再生能源、氫燃料,都無法完全取代汽油並解決CO2排放的問題。因此目前不應該將任何選項排除在外,而是讓多種選項同時並存,等待市場機制決定最後的方向。

畢竟上述科技唯有在大量生產時才具有影響力。如果你只能生產專門的利基產品,對於能源、環境、行車安全與交通壅塞這些問題的助益其實微乎其微。我看過太多的立法者、政治人物或其他人士參與政策辯論,但是他們對於將新科技付諸商業化量產所需的條件毫無概念。

杜瓦:在我們試圖尋找某種全體適用的昂貴科技前,一定要特別小心。別相信會有什麼完美解決方案,因為事後證明這麼做的花費通常更多,成功機率也較小。

(本文由教育部補助「AI報報─AI科普推廣計畫」取得網路轉載授權)

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