3. 传统汽车存在的根本性问题及其解决方案
众所周知，在传统的汽车工业中有3大主题，即“能源、环境与安全”。所以，未来终极形式的汽车必须能够同时解决这3方面存在的问题。根据之前的分析，能源与环境问题可划入“能量”这个物理概念，而安全问题可划入“信息”。
当前全世界主流的乘用车与商用车主要由内燃机(Internal Combustion Engine)作为动力源来来驱动，而在我看来，内燃机存在以下三个方面的先天性缺陷，且几乎无法根除：
1) 排放性问题、燃油经济性问题与动力性问题相互之间存在根本性的矛盾，三者无法同时解决
2015年2月28日，柴静关于雾霾的深度调查纪录片《穹顶之下》播出之后，全社会对环境问题的关注达到前所未有的高度，中国的石油、煤炭等能源垄断型企业以及各大汽车企业由此承受着前所未有的巨大舆论压力。
参考现在实验室中最先进的内燃机燃烧与控制技术，可以通过均质充量压燃(Homogeneous Charge
Compress Ignition，HCCI)这种新型的燃烧方式达到同时降低氮氧化物(Nitrogen Oxides，NOx)、碳氢(Total Hydrocarbon，THC)、一氧化碳(Carbon Monoxide，CO)及颗粒物(Particulate Matter，PM)等内燃机主要排放物的目的。但与此同时，不得不牺牲内燃机的动力性能，即HCCI只能在低负荷(对汽油机而言)或低温(对柴油机而言)下工作，否则柴油机NOx的排放在高温下会陡增而汽油机则会发生破坏性爆震。
所以，虽然国内外研究机构对HCCI的研究已经进行了几十年，中国也有相关的国家重点基础研究发展计划，即973计划，投大量的资金和高校科研力量去研发HCCI这种高效率、低排放的新型燃烧技术，但现在汽车市场上依然没有装备运用这种燃烧技术的内燃机的成熟车型。
与之相反，电动机(Electric Motor)在驱动汽车的时候并不会排放有害气体，且电动汽车完全有潜力实现从油井到车轮(Well-To-Wheel)这种真正意义上的零排放。
2) 内燃机燃料来源问题
地球上储藏的化石燃料(Fossil Fuel)毕竟是有限的，总有消耗殆尽的时候，这是大家都知道的常识。虽然现在国内外都有科技公司在研发生物燃料，如生物柴油(Biodiesel)、乙醇(Ethanol)等，以供内燃机使用。但其大规模生产的速度可能依然跟不上石油消耗的速度，同时也可能会造成粮食安全、转基因泛滥等社会问题，且第1条中的提到的有害物质排放问题依旧不会由于采用生物燃料就自动解决了，因为人体吸入的PM2.5、THC等有害物质并不会进入生物燃料支持者所构想出的能实现零排放的“碳循环”中。
此外，当下中国石油对外依赖度已经达到60%以上，且大多数石油是从中东而来，伊朗附近的霍尔木兹海峡(Hormuz Strait)与印尼以及马来西亚附近马六甲海峡(Strait of Malacca)这两条能源运输要道都不在中国军方的控制之下，能源运输的安全性存在根本性隐患。中国政府所提出“一带一路”政策，其根本目的可视为是要将中亚(特别是塔吉克斯坦)的天然气以及中东(特别是伊朗)的石油通过路上油气管道而非海路进入中国，如此则可确保将未来几十年的国家能源安全置于中国的掌控之下，保障国家民族复兴的“两个100年”计划顺利实现。
与之相反，电能的来源则要多元化的多。此外，最关键之处还在于电能来源所具备的先天可持续性与先天清洁性，即能源在可保证取之不尽用之不竭的同时不以污染破坏环境为代价。新型可持续清洁能源，如核能、太阳能、风能、地热能，未来市场化的潜力是巨大的，特别是核能与太阳能。
3) 动力系统匹配问题
当下的主流乘用车都还是采用汽油机作为汽车动力源，但由于汽油机外特性存在先天缺陷(如图3.1所示)，即低速小扭矩，所以必须匹配相应的变速箱以改善汽油机输出功率在扭矩(Torque，T)与转速(Rotational Speed，n)之间的分配，从而能适应现实中的不同运行工况，这在无形之中也增加了整车质量及汽车的机械复杂度。
图3.1 汽油机外特性曲线
与之相反，如图3.2所示，驱动电机的T-n外特性曲线先天适合汽车的运行工况，即T-n曲线低速大扭矩，大于临界转速n0的中高速时电机保持恒功率，动力性能，如起步与加速性能，远远优于内燃机。
图3.2 电动机外特性曲线
从整车综合匹配方面考虑，电动汽车的根本劣势在于其能量载体，即与电池相关的技术，存在瓶颈，比如：
电池比能量较汽柴油低了几个数量级；
电池充电时间也比直接加油慢得多；
电池寿命有限，到达一定里程必须更换，使用成本高；
电池存在极大安全隐患等。
但与此同时，全世界各大研究机构、科技企业、大学实验室对高性能电池技术的研发一直在进行之中，由此也导致电池技术迅猛地发展。例如：
斯坦福大学戴宏杰教授前不久发明的铝电池可以使电池充电速度及充电次数得到极大提升。智能手机电池充满只需1分钟，在7500次充放电后电池容量毫无损失，且非常安全(用电机钻孔后依然可以正常工作)。与之相比，锂离子电池只可充放1000次左右。该技术在未来可用来储存输入电网内的风能、太阳能等可再生能源；
斯坦福大学崔屹教授将纳米技术运用于电池，在试验中可将电池的能量密度提升几十倍。长久以来，由于电网中的电能无法储存，电网的效率一直是个大问题。由于无法实时地获取详细的电网中各个用户的电能需求信息，电力公司只得采用保守策略，即多发电并将用不掉的多余的电储存在类似高势能的水介质中，第二天再用来发电。纳米电池技术可以实现电能的大规模储存，由此可以起到对电能需求“削峰填谷”的作用，将可大大提升电网的运行效率；
西班牙Graphenano公司研制出了以世界上最薄、最硬的材料——石墨烯为原材料的可产品化的电池。石墨烯电池(Graphene Battery)主要有以下特性：成本比锂离子电池低77%，由此可大大降低电动汽车的购置成本；重量为传统电池的一半，使得装载该电池的汽车更加轻量化，进而提高汽车经济性；且该类电池的使用寿命较长，是传统氢化电池的四倍，锂离子电池的两倍，可大大降低电动汽车的使用成本。Tesla CEO埃隆?马斯克也由此大胆预测电动汽车未来的续航里程(Range)有望达到800公里。
在汽车工业3大主题中，能源问题与环境问题是一而二、二而一的，通过将汽车的动力系统由内燃机替换成电动机，这两个问题可同时得以解决的。而汽车安全问题，如前所述，必须借助“信息”这个物理量来加以解决，即通过汽车无人驾驶技术(Self-Driving Vehicle Technology)。
据著名科技网站麻省理工科技评论(MIT Technology Review)的观点，2015年10大突破性技术之一的车对车通讯(Vehicle to Vehicle Communication，如图3.3所示)在未来1~2年内可实际用于预防美国超过50万起交通事故和1000件伤亡事故的发生，而车对车通讯技术是实现无人驾驶的入门必备技术。由此，除了前述的传统的汽车工业3大主题，我个人认为必须加上“汽车信息流”这个评价标准以衡量一辆汽车实时信息处理能力(计算能力/信息化水平)，具体原因将在后续文章中加以分析。
图3.3 车对车通讯技术下的交通系统(来源：MIT Technology Review)
小结本节内容，未来汽车的在技术方面的终极呈现形式必将是：电驱动(Electric Driving)与无人驾驶(Self-Driving)的结合，即在不损失汽车性能及消费者接受度前提下的无人驾驶电动汽车(Self-driving Battery Electric Vehicle without Compromising Performance and Consumer Acceptability)。前者解决能源和环境问题，后者除了解决安全的问题，还将带来技术上无穷的可能性，且必将从根本上颠覆现有汽车工业格局！可以预见，汽车行业将由此重新洗牌，进入到波澜壮阔、群雄逐鹿的战国时代。
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