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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 * H7 M% ?$ r& s- X, t

+ J" {4 }- J5 n2008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。
  S2 d1 O& @, V, H) H$ l3 u+ m7 [, \$ I: l$ d
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。+ |" i% O# }( q' n, B0 v# Z1 R+ g7 T
! B5 {$ o7 F. d* `, v- j7 Z0 t0 U
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。
8 ^$ b) m! i* C. Q4 n% {7 Q6 M$ g
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。
/ W; @& Z4 P8 m' l, @# c! M) ^( _$ l( Y( T- R+ d1 P) W$ f0 F8 a
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 z4 ]. t) S% \4 K$ J8 D! ?/ |4 z) C9 a2 {" G; J: j
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。
( |1 I! S  ~( k, b* n' R0 |3 Q3 V5 }) c5 f
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。! S- U3 ~' T! |

7 q: I  l( `2 M8 ]$ N9 f. t4 M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。
' k3 K+ ~" N6 C$ E! P. Y9 h" T4 O- y5 g6 i
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。" E6 g1 ^& `8 k! e6 G0 e

$ |3 d! Y& {2 T7 O& V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。- \0 e, Q) Z, X" h" y$ M

( X2 G0 n7 _5 ^2 E( V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。0 Q1 k. A" E1 B$ U
2 u# ^1 I+ U' j: T6 r( w% V
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。  u" s; ]6 ?4 e( ?" Q
1 P- A5 o4 h: d- ]: N  I* u! I; T( Q
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。- J3 H& ]$ s+ C3 W' U1 T2 o; T, Z

5 |) u2 y: U8 @& a. w- `9 M. [/ n7 ?: x40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。
8 U; @# O6 |0 w$ f0 v' s% |. W! e7 e$ V# i7 {& n
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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    昨天 21:14
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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 15:25
    - a3 z5 x$ o) i- D0 N7 h* p# J4 h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 ...
    - p; f/ ]& v4 K$ r+ i
    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。

    评分

    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 5 x# O6 Z& [/ t9 V
    Pipilu 发表于 2015-1-6 05:25! W3 H( H! B3 \& r. u
    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 V3 W" h0 U. O& {. p: |  \$ j0 y0 }4 H+ \4 S
    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。  ?: H( c! u2 p- Q3 k* R$ X' S" I
    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
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    [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!! a: L. L/ l2 n) h% T
    应该发给各大国产车厂好好看看。
    # X9 G7 w$ W, C6 {  Y* j4 V
  • TA的每日心情
    奋斗
    2019-5-3 10:48
  • 签到天数: 771 天

    [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
    . E9 ~: d+ J1 M. x9 O$ j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。
    5 W" s4 B3 z* A' Y4 \2 E# C真要搞48伏特电压,整个相 ...
    1 S7 w3 l- R6 F
    +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
    7 v; |( I; x9 U2 D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。
    , a# _2 t+ a/ U+ C' @3 G" l) N真要搞48伏特电压,整个相 ...

    9 u6 l* {, Q0 F# @- m) h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 x% j! ?% o0 c8 V9 R) h$ \# g0 k& F) W( f4 c% n6 ~8 }% I9 K
    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
  • 签到天数: 1618 天

    [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/ G0 i; E+ g% \) P: q
    @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

    0 I$ g5 }# N1 e9 z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! T( Q: }3 _9 u, ^
    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 ...
    " w" A4 N; j% n7 s" `
    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
    7 U$ Y0 |% ^" y, d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

    " [. Q" x7 L1 p7 W8 ]" \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。
  • TA的每日心情
    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( r; L% `+ G! R
    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 ...

    ) c. b7 d5 K. h7 t
    , U" J; ?. V2 [: v9 G48V 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。。。
    / L9 l, r, }6 o, S
    ! E. P" H6 U0 ]8 M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

    6 天前
  • 签到天数: 1666 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
    + U( g7 t# N% _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

    9 ]4 n) U& b+ \% H4 m, u& Y% `6 A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
    9 o" m0 i' X3 s* X: u0 C6 t0 k  I
    " [7 X! {9 O7 T: ~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: ?0 Q/ ^5 X3 ~; 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 ...
    6 i  N$ x$ @  h
    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。, C% Z8 M' P4 \5 r4 {
    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
    0 w, P. }; w7 J, `- Q: h+ A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 \8 \$ e* W  h4 E, h
    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
    9 u+ P. A; d( 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 ...
    3 ^$ _/ v3 R8 ^  p+ j# J  V. w
    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

    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
    7 h! K, p6 b- \, y/ e" w2 e
    晨枫 发表于 2015-1-6 08:52
      I* F; q7 P( E# U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 ...

      |1 w; q$ }, {4 w1 P" ~3 h0 J5 h. Z
    $ V; y6 a6 n2 |本来没事,来个自动短路,就算电池好没有炸,也会燃烧。
    1 L& n( j+ M6 k$ A/ ?/ t4 |& D  u9 e2 ?% }& L
    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。
    2 n; P) S# \; e) _1 z; }: d" s4 a" A
    # m$ q6 P4 r  L4 Q* s' N不过真心不认为48伏是个威胁
    1 K" p8 r0 k, w; }8 s! t! W0 T/ x( A3 x- n) z  \  D8 l
    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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