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[工程技术] 电动:中国汽车的新契机

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发表于 2015-1-6 04:14:53 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
本帖最后由 晨枫 于 2015-1-5 19:09 编辑 3 A9 A' t1 w* q+ P4 A
! I* t9 f: j, m2 @  z
2008年经济危机前夜,世界石油价格暴涨到140美元以上,随后的经济危机像海啸一样冲击美欧汽车工业,一时间,人人都在谈论电动汽车,似乎这是走出死胡同的捷径。几年下来,电动汽车(包括混动、插电)都取得了重大进展,但在整体上,内燃机汽车依然占绝对主导,而且在未来10年内不像有动摇的样子。但电动不光是电驱动行驶,其他电动技术大有可为,而且对汽车的性能、节油有实质性的作用,并为未来电动汽车打基础。
; X3 ^! N8 @# U' Y
) h9 P& `, p$ P内燃机大体有奥托循环的汽油机和狄塞尔循环的柴油机两大类,前者是用火花塞点燃的,后者是压燃的。两者都大量采用电子控制,并且在燃烧技术上继续快速发展。新一代贫燃汽油机的油耗已经很接近柴油机,新一代柴油机的运转平顺性和排烟也十分接近汽油机。但两者都可得益于新一代的电动技术。, ~- \( j& k8 F: K
( ?( q5 ~. k3 Y* s; \% u! K3 l! a
在二战年代,涡轮增压曾经是美国秘而不宣的机密技术,采用涡轮增压使得美国战斗机发动机的高空性能领先于德国和日本,但德国、日本无法掌握美国的涡轮增压技术,只能采用机械增压技术。不管是汽油机还是柴油机,排气依然具有较高温度和相当的动能。涡轮增压利用排气的能量驱动压缩机,增加进气压力,大大增加了同等体积气缸内的空气密度,可以增加供油量,提高单位气缸容积的出力。提高进气压力还提高了气缸压力的起点,毕竟燃烧的作用就是膨胀增压,起点高而需要同等出力的话,就可以减少需要的燃油燃烧。同时,涡轮增压通常极大地提高扭力,不仅最大扭力提高,扭力“平顶”覆盖非常大的转速范围,形成高原,而不是传统的山尖,极大地改善了动力特性,发动机特别“有劲”。传统上,涡轮增压主要用于提高马力和扭力,但现在涡轮增压也大量用于改善油耗。另外,涡轮增压的四缸发动机可以达到过去非增压6缸的马力,而四缸的摩擦损耗显著低于6缸,加上涡轮增压的的压力起点增加的作用,节油效果显著。同理,涡轮增压的V6可以代替非增压V8,涡轮增压V8可以代替非增压V12。: _7 J( p1 r9 l% w
- |5 ?4 `5 g# ~" ^. Z% s0 A. p
但涡轮增压的问题是本质滞后。涡轮需要发动机排气驱动,所以发动机在低转速、低出力时,涡轮增压也是懒洋洋的,需要快速加速就很恼人。瑞典萨伯是较早采用涡轮增压的厂家,德国保时捷911也是一样,早期产品的涡轮滞后是传奇式的,有经验的人可以计算好提前量,提前一脚踩下去,等到涡轮终于发力的时候,正好是需要动力快速增加的时候;没有经验的人则会被吓一跳,被涡轮滞后弄乱了手脚,甚至出事故。为了降低涡轮滞后,工程师们想了很多办法。双涡轮采用两个较小的涡轮代替一个较大的涡轮,小涡轮的转动惯量小,起动快,滞后小。两个涡轮还可以通过分流控制,低需求时只用一个涡轮,高需求时才开通两个涡轮,进一步保证足够的可用排气能量。还有一个办法是用可变气门控制排气背压,同样可以保证足够的可用排气能量,不过可变气门本身造成压降损失,这对提高马力有用,但对降低油耗好是反作用,在追求节油的现在已经很少用了。但不管怎么做,涡轮增压具有本质滞后,不可能消除。) i: n1 `, v: k+ b
' z, Y9 ]" q3 ^& w+ Q7 \
机械增压开始得比涡轮增压更早,这是用机械驱动的压缩机对进气增压。发动机通过皮带或者齿轮驱动压缩机,所以只要发动机在转动,压缩机就在转动,没有滞后。机械增压的缺点也在此:不需要增压的时候,或者压缩机还没有到最优工况的时候,发动机也在驱动压缩机,增加油耗。7 w8 X3 ~& q5 Y6 h) |

$ W+ B  Y  r' \为此,把机械增压与涡轮增压相结合,可以用低出力的机械增压解决低转速时的增压问题,然后在高出力时过渡到涡轮增压。问题是,低出力时可以停止涡轮增压的工作(排气走旁通管),高出力是不大好停止机械增压的工作,除非搞一套复杂的离合器。这就是电动增压的好处了。7 q2 E( M+ m/ R3 F- f

& r$ A; ?+ B8 `4 v' DAudi在RS5 TDI概念车上展示了全新的电动增压,采用电动机械增压,在250毫秒内就可以把转速上升到7万转/分,提供低端增压;在高出力时,自动关停,由传统的双涡轮担任增压。3.0升双涡轮柴油机可以在1250转/分就达到553磅-英尺的扭力,奔驰S550的4.7升双涡轮汽油机也不过这点水平。不过这个7千瓦电动增压不能用普通的车用12伏直流电系统驱动,要用全新的48伏直流电系统,这有望成为新一代汽车电力的标准。48伏系统也可以使用较细的导线,减轻重量,降低成本。据说导线重量可望降低70%。这还将为电动汽车打下基础,电动汽车还用12伏就不行了。大功率车载电力系统还有利于刹车回馈充电,现有系统的峰值太低,很大一部分回馈充电都只能浪费掉,48伏系统就没有这个问题。12伏系统还将保留,用于低耗电的小电器,尤其是像手机充电口等。: ^. E, w! ?& K( I5 t
; J2 J% L' @8 J, @
电动增压只是开始,电动泵是下一个。发动机的冷却水泵是机械传统的,通常是用皮带。发动机一转动,水泵就转动。但发动机刚启动时,其实没有什么冷却要求,加速发动机暖机其实有助于降低油耗、降低排放。电动水泵很容易实现,在温度控制下,直到需要冷却的时候才启动,不仅节油,也加速暖机。事实上,发动机的风扇本来也是皮带传动的,改用电风扇已经很多年了,一样的道理,只是现在轮到水泵了。别小看电动水泵,这可以实现2%的节油。
' d8 ~% S: F& E8 I2 v& U+ ?/ `
* U) p) Z; x' p, D- z/ S# Q奔驰S系和Audi TT已经开始采用大屏LCD显示取代传统的机电仪表了。经过100年的演进,机械仪表的形制已经大体定型。低档汽车只有一个速度表,在公共道路上行驶,按照合法速度驾驶是最重要的。高档一点通常是左面速度表、右面转速表,不仅可以看到速度,还可以保持转速,榨取最大性能,或者达到最大节油。但赛车只有一个转速表,速度反正是越高越好,但转速只有保持在最优点,才能榨出最大马力和扭力。现代汽车还多了一大堆别的仪表:水温表、电压表、油量表、时钟,有的还有轮胎压力、机油压力等等。所有仪表统统放上去,不仅杂乱无章,而且增加成本。但有的时候还就需要读取特定数据,还就需要这些仪表。更新的infotainment(信息-娱乐综合显示)对显示要求更高,电台、曲目、卫星地图甚至谷歌地球那样的3D图景显示都可以有。用LCD大屏显示可以提供多种预设组态,也可以让用户自行组态,灵活调用不同显示模式,但在硬件上成本并不高。不过这对电力要求提高了,传统12伏有点不够劲,也需要48伏。
, D  }8 B) d7 M6 j  N5 g
2 v8 a4 e# a& T9 e动力转向是另一个电动项目。无助力转向现在比较少了,液压助力需要液压泵总是工作,即使在直线行驶不需要助力的时候,液压系统也在消耗功率。电动助力转向就没有这个问题,只在需要的时候消耗功率。这3千瓦的功率也不能小看了。另外,电动助力转向容易实现可变助力,在不同速度和不同转向角度提供不同助力水平,比如在低速是提供较大助力,在高速是提供较少甚至无助力,液压助力就不容易实现这样的功能。电力助力也容易和自动规避、自动驾驶相整合。6 T' D$ ?8 d& A. V( t9 m
' K6 c5 X2 f( n5 D
现代城市交通经常有开开停停的事情,为了在停车等待的时候减少空转耗油,很多新一代汽车配备了stop start功能,车速完全停下来时自动关掉发动机,一踩油门准备起步时自动重启。采用48伏后,启动机功率更大,自动重启更可靠、更平顺。但保时捷已经更进一步,在溜车的时候也自动关掉发动机,只有到速度跌到下限时才自动重启发动机,据说在高速公路上可以节油10%。这还需要电动离合器,而不是传统的液压离合器。
) \% q2 C4 R( H6 \( a# R
* n( a/ i( D6 ^% G' p  E8 w空调是又一个电动的好地方。现有车用空调是像水泵一样机械连接到发动机上的,启动空调只是开通制冷循环,关闭空调时,空调机还是在转动,并没有离合器与发动机脱开。家用空调都是电动的,但车用12伏系统拖不动空调,48伏就不一样了。电动空调可以节油6%,尤其是在不需要常年空调的地方。( D+ K0 p& z, [: Q' o" f6 q

$ n- {$ J  g" c2 J9 r刹车也是液压驱动的,与液压助力转向一样,不用的时候也要消耗功率。电动刹车可以节油,这只有48伏系统才能做到。避震也可以电动,由电力控制磁流体的可压缩度,改变悬挂硬度和长度。这可以大大简化现在的机械悬挂(机械悬挂可不止避震筒,还有各式各样的连杆、弹簧),减轻重量,还可以实时改变硬度,改善避震。同样,这也只有48伏系统才能驱动。
8 `8 U' v- p, U, d" N0 G7 ]8 N
4 o# {, v* l) r% ]5 t9 y8 d: I5 E40伏系统不仅是发电机和导线问题,也是电池问题。铅酸电池会被较轻、充电快、容量大的锂电池取代。当然,LED灯已经是很现成的技术,不包括驾驶仪表的中央infotainment显示用LED甚至触屏也是现成的技术,都是低成本、高功能的机会,尤其对消费电子已经成为强项的中国来说。
6 F- K% w. d, Z: u+ w6 R, v7 d4 G4 G3 b* d2 `  [( z8 K. O
汽车的发展不能光盯着发动机、悬挂、车身等老牌问题,电动系统已经成为越来越大的一块,这可以成为中国汽车弯道超车的好机会。

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    奋斗
    昨天 08:47
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    [LV.Master]无

    沙发
    发表于 2015-1-6 05:25:15 | 只看该作者
    这个48伏是怎么定的?记得对人安全电压是36伏,48伏电池直接就可以电死人了,安全是个新问题啊

    该用户从未签到

    板凳
     楼主| 发表于 2015-1-6 05:30:47 | 只看该作者
    Pipilu 发表于 2015-1-5 15:252 e" K7 [! e8 f; M2 |$ U1 [. W
    这个48伏是怎么定的?记得对人安全电压是36伏,48伏电池直接就可以电死人了,安全是个新问题啊 ...

    , N( L6 G1 l- [6 n+ f+ N2 {只有系统漏电才可能电死人。绝缘技术这点还是做的到的。48伏是怎么定的,过程我不知道,我想是电压和功率需求之间最优化的结果吧?然后取整。

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    参与人数 1爱元 +2 收起 理由
    Pipilu + 2

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  • TA的每日心情
    奋斗
    2024-3-8 05:45
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    [LV.Master]无

    地板
    发表于 2015-1-6 05:33:48 | 只看该作者
    本帖最后由 东湖珞珈 于 2015-1-6 05:37 编辑 ' k1 v) q% J, \7 f
    Pipilu 发表于 2015-1-6 05:256 l) N2 s9 N; _1 v1 q! Q( J* ^  {
    这个48伏是怎么定的?记得对人安全电压是36伏,48伏电池直接就可以电死人了,安全是个新问题啊 ...

    2 I6 a  p8 z& q. Y; E0 d
    ! R  X/ q6 c3 M, ]) u0 `0 k) v0 k现代的电混车的电压更高,我记得好像有出事故电混车把救人的消防员给电死了。' Q5 h+ y  N8 ^5 t. J3 b- _
    真要搞48伏特电压,整个相关行业的培训都要跟上。

    点评

    直流电是安全的  发表于 2015-3-6 23:17
  • TA的每日心情
    奋斗
    2024-3-8 05:45
  • 签到天数: 2441 天

    [LV.Master]无

    5#
    发表于 2015-1-6 05:35:32 | 只看该作者
    在这个DRIVE BY WIRE的年代,用各种伺服电机是必然的趋势
  • TA的每日心情
    郁闷
    2016-3-29 00:17
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    [LV.3]辟谷

    6#
    发表于 2015-1-6 05:39:48 | 只看该作者
    晨大这个帖子可以当作汽车子系统的技术开发指南了!
    . z( {* n# K# D& R' h( D8 e' h应该发给各大国产车厂好好看看。' m0 X/ G7 ^$ L1 A
  • TA的每日心情
    奋斗
    2019-5-3 10:48
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    [LV.10]大乘

    7#
    发表于 2015-1-6 07:20:54 | 只看该作者
    @燕庐敕 呼叫老燕!快来看,人家晨大替你做行业前瞻啦!你惭愧不惭愧呀
  • TA的每日心情
    慵懒
    2020-1-3 00:51
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    [LV.6]出窍

    8#
    发表于 2015-1-6 07:55:02 | 只看该作者
    东湖珞珈 发表于 2015-1-5 16:33
    ! p- U. Z- E7 W! f) ^+ G现代的电混车的电压更高,我记得好像有出事故电混车把救人的消防员给电死了。
    ' r0 M& R/ Q. L- _8 ~真要搞48伏特电压,整个相 ...

    ; {5 c7 @( `2 V+1,安全性的确会是个大问题。

    该用户从未签到

    9#
     楼主| 发表于 2015-1-6 08:52:43 | 只看该作者
    东湖珞珈 发表于 2015-1-5 15:33
    ( x% o6 I8 ~# W! {现代的电混车的电压更高,我记得好像有出事故电混车把救人的消防员给电死了。
    . w: G" G8 l8 l7 }真要搞48伏特电压,整个相 ...

    , [( s; A$ x" ?' o4 \9 o1 z( B/ V4 R这个应该考虑,应该有措施可以采用的,汽车上和消防员训练都会有措施,但不应该因此把48伏给毙了。最极端的情况,在发生碰撞的时候,自动受控短路放电,把电池的电放光了,就不会有危险了。1 p1 r6 O0 z( U2 z
    0 q' l( {! @) N3 V7 V
    现在汽车车灯有向激光发展的趋势,亮度比LED还高一倍,有环境感应自动调节,但也有事故后安全问题。现在的办法是撞车后自动关闭,脱离基座后自动失效、不发光,避免落入不当应用。
  • TA的每日心情

    2020-11-20 06:24
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    [LV.Master]无

    10#
    发表于 2015-1-6 11:00:10 | 只看该作者
    抱朴仙人 发表于 2015-1-6 07:20
    8 W" C" M. _8 z0 L$ }+ s6 N, B@燕庐敕 呼叫老燕!快来看,人家晨大替你做行业前瞻啦!你惭愧不惭愧呀
    " Z" r! a* @+ V. n
    哈哈,晨斯基同志提到的,是我们相邻部门叫 Power Train事业部必须要好好学习的!
  • TA的每日心情
    奋斗
    2024-3-8 05:45
  • 签到天数: 2441 天

    [LV.Master]无

    11#
    发表于 2015-1-6 11:08:41 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2015-1-6 08:52& ~7 y! O+ L  X" a0 v! \
    这个应该考虑,应该有措施可以采用的,汽车上和消防员训练都会有措施,但不应该因此把48伏给毙了。最极端 ...

    & C/ [2 |# |4 D/ k# u激光?LED都还没有普遍化,就要上激光了?这步子是不是太大了

    该用户从未签到

    12#
     楼主| 发表于 2015-1-6 11:47:47 | 只看该作者
    东湖珞珈 发表于 2015-1-5 21:08: }" B" X) y7 g' v, V7 X  s" c
    激光?LED都还没有普遍化,就要上激光了?这步子是不是太大了
    7 J' q% O; }4 `, L" l5 S- P5 K
    LED的普及化应该比xenon快,这东西成本低,安装容易,省电,而且可以和家用LED灯共用基本技术。激光灯我也觉得有点遥远,但Audi和BMW在比赛,看谁首先用到量产车上。一旦开始,估计也不会太慢。激光灯有很多好处,主要是可以精确、实时地shaping光束,在大大提高亮度的同时,不造成晃眼问题。而且用反射镜形成光束,灯具设计上非常灵活,比LED还要灵活。
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    擦汗
    2019-6-16 23:34
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    [LV.10]大乘

    13#
    发表于 2015-1-6 12:51:38 | 只看该作者
    晨枫 发表于 2015-1-5 16:30
    . M: D! V- _- G只有系统漏电才可能电死人。绝缘技术这点还是做的到的。48伏是怎么定的,过程我不知道,我想是电压和功率 ...

    ; k7 k" h' |% J: ^
    ; g- N! p1 N; j48V 貌似是由成本因素决定的。

    该用户从未签到

    14#
    发表于 2015-1-6 14:34:56 | 只看该作者
    我们为了用汽油驱动车子,想出了多少点子啊。。。8 D) p0 G* d. F/ R; Z4 p
    / y: d5 }! {9 B6 i$ i
    当电池容量够大的时候,这些点子统统都没用了。电动车确实是革命性的,一切看起来那么理所当然。
  • TA的每日心情
    慵懒
    10 小时前
  • 签到天数: 1553 天

    [LV.Master]无

    15#
    发表于 2015-1-6 20:12:29 | 只看该作者
    东湖珞珈 发表于 2015-1-6 11:08
    7 `8 `& X6 E8 z* f- j& E激光?LED都还没有普遍化,就要上激光了?这步子是不是太大了
    & \* A; o- x2 x) B9 z" u- {
    新车里面,led已经很多了,只不过现在故意吊着卖

    该用户从未签到

    16#
    发表于 2015-1-6 21:31:44 | 只看该作者
    电力能源发展为中国的主要能源是国策,已经在推进了。所以电动汽车相关领域会得到极大的市场和政策扶持,现在的关键是,有谁敢于放手一搏,做出具有完全知识产权的电动汽车
    # X$ r) K1 X5 ~
      Y$ l) C3 V8 @4 h0 P+ ~英国时代是煤炭能源、美国时代是石油能源、中国时代就是电力能源

    该用户从未签到

    17#
    发表于 2015-1-6 21:57:20 | 只看该作者
    Pipilu 发表于 2015-1-6 05:25
    " Z, k8 H% W2 P4 D3 ?( z: V' R- p- q这个48伏是怎么定的?记得对人安全电压是36伏,48伏电池直接就可以电死人了,安全是个新问题啊 ...

    ) t( m: b1 u2 ?安全电压36伏并不是超过一点就不安全了,而是在该电压下,无论怎么着都不伤人。8 K2 ?& `4 Q: q! O
    之所以是48伏,估计是安全与性能的妥协——美国就用110伏的市电,因为比220伏的更安全,但是一大帮国家用220伏,因为220伏的性能更好(线耗更小)

    该用户从未签到

    18#
    发表于 2015-1-6 21:59:50 | 只看该作者
    Pipilu 发表于 2015-1-6 05:25
    ! S# X" z9 K% c$ [' ]这个48伏是怎么定的?记得对人安全电压是36伏,48伏电池直接就可以电死人了,安全是个新问题啊 ...
    3 O8 [3 [/ x4 q% U! \% G" Z
    并不是说超过36伏就会伤人而是说低于36伏绝对不会伤人。也就是说48伏仍然足够安全。之所以选48伏,估计就是安全与性能的妥协。事实上,美国人就坚持用110伏的市电,因为比220伏安全的多,但是用220伏的国家也不少,因为性能更好(线耗更小)

    该用户从未签到

    19#
    发表于 2015-1-6 22:00:26 | 只看该作者
    Pipilu 发表于 2015-1-6 05:25' |8 g+ K+ t7 n
    这个48伏是怎么定的?记得对人安全电压是36伏,48伏电池直接就可以电死人了,安全是个新问题啊 ...
    9 z! S; \* b- V1 k3 D0 H  E
    并不是说超过36伏就会伤人而是说低于36伏绝对不会伤人。也就是说48伏仍然足够安全。之所以选48伏,估计就是安全与性能的妥协。事实上,美国人就坚持用110伏的市电,因为比220伏安全的多,但是用220伏的国家也不少,因为性能更好(线耗更小)

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    20#
    发表于 2015-1-6 22:04:25 | 只看该作者
    本帖最后由 一叶飞刀 于 2015-1-6 22:06 编辑 4 @# ?5 s% ~8 O7 P
    晨枫 发表于 2015-1-6 08:52
    9 ?" }, v- F- L+ M0 e& r这个应该考虑,应该有措施可以采用的,汽车上和消防员训练都会有措施,但不应该因此把48伏给毙了。最极端 ...

    2 n1 i7 y: R1 u! o
    $ @& Z: q- S4 o! z1 P" `  A. O! `本来没事,来个自动短路,就算电池好没有炸,也会燃烧。
    9 B8 V) K$ ]; K8 l; h' C; W1 `7 W. p  {
    如果实在怕“高压电”的话,可以考虑采取强弱电的模式,即使用高压作为电传动,来驱动压气机、水泵、风扇和空调,然后将交流电减压并整流后供电池用。
    , ]. ?4 g( j7 ?) \' R, u6 l! ^
    0 i; N- l# U9 P7 u2 y5 x- b不过真心不认为48伏是个威胁
    . X; J* \, o/ h) ^0 f- C/ j9 Q8 ?5 h0 s% B! u- K( ]. B
    另,工程机械上的空调在不工作的时候压缩机会脱开,汽车反倒不成?

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