电动：中国汽车的新契机

晨枫

: g! V/ c6 L) _. K$ d3 o* F! l2008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。
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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。
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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。
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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。

# A5 N% T# |& u/ c5 w' c" V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。
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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。
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Audi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。

0 i- x: l' N' p' L4 q8 [9 {/ ^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。
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( R; H1 r& @+ {  B5 g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。

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。
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9 W4 i8 F' p( F* B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。

+ l5 y& h' H# K; T3 Q0 C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。
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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。

40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。

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。

晨枫

Pipilu 发表于 2015-1-5 15:25
$ G; H" b; _7 Y2 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 ...

6 K+ ]. h' w; L4 b3 {' |* k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。

晨枫

东湖珞珈 发表于 2015-1-5 15:33
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。
  e. x: }" V5 M2 G/ F  d真要搞48伏特电压，整个相 ...

. W% |! R1 u9 `( t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。

7 F. n3 U( }* A: b! s: h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。

晨枫

东湖珞珈 发表于 2015-1-5 21:08
# ]6 h" T6 f& C! J* a: Z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

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。

晨枫

catchbigfish 发表于 2015-2-1 02:42
4 n4 z" e. i- Y* \# q5 c: ^3 d4 @请教：为啥现在的纯电动车基本上是两种电压，低压的三百多伏，高压的五百多伏？ ...

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3 G$ s" Z! ~2 g; Z不清楚，低压系统技术门槛较低，高压系统效率更高？

晨枫

冰蚁 发表于 2015-1-7 10:34
对啊，发电机整流输出，那是在用直流电。毕竟车上设备用直流的设计简单啊。交流要考虑相位什么的，还是挺 ...

可能不完全是因为直流设计简单，还要考虑安全，万一发动机在行驶中熄火，所有与行驶有关的电气系统必须由蓄电池供电继续工作到车停下来，这是直接用交流就指望不上了。