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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 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 晨枫 于 2015-1-5 19:09 编辑 5 `( f+ O8 U# j5 Q

" |% C/ G2 B4 I% X2008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。
- L8 M5 F6 b2 m! l/ C- e7 X0 `: u; |3 l7 J% j
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。$ Y- L* m0 Z: z" f) G, k7 T* W
( G; Y. x% u4 N' N9 z( m1 D+ s* {
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。
5 K, ?5 D( g- t& V, O, A" i" Y' U3 h  c9 c" g! B1 K& ]
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。5 v  b# `' X) Q' B) ?# W
' U3 W, }' x6 `: j8 z' E
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。' L& M& R) K# f1 N
4 U( |3 ^3 ]) b$ ?+ B8 \
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, Z; o  I5 S6 B8 b

- F  g* U- d! K# w4 l5 H1 S$ pAudi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 c+ J" n: e$ k5 E
* B0 ]/ K5 T: O$ J; S& 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。, q  `& L8 h( S2 W; l  A! ^: q4 f5 ]

! K; e* n. W  l7 Z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。
7 \, S9 i+ ^1 j* r4 G" y) `. i1 w4 ?  E9 l: G
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。
& v, Y* G$ B3 k8 A/ u6 Y% t7 P7 Z7 C) C: N# z  ~7 H: A, z
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。
. r5 q$ [! ]  g
. t% b* m5 B1 F$ G& Y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。
+ X% r3 ?; j: l1 g4 b$ U9 G' j; f, H3 r& Z: r; E
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。
9 y" ~1 Y! ^) [
: `( Y( P7 e. H0 l1 ]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。
6 |: [5 D8 v( i/ o' X5 ]" r$ e+ ~8 a% m( U2 @
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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  • TA的每日心情
    奋斗
    前天 07:02
  • 签到天数: 2617 天

    [LV.Master]无

    发表于 2015-1-6 05:25:15 | 显示全部楼层
    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

     楼主| 发表于 2015-1-6 05:30:47 | 显示全部楼层
    Pipilu 发表于 2015-1-5 15:25& A& D! b# c8 ]  x& p/ ^
    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 ...

    ( l: G! i( ~9 r& q& ?- _5 V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
  • 签到天数: 2441 天

    [LV.Master]无

    发表于 2015-1-6 05:33:48 | 显示全部楼层
    本帖最后由 东湖珞珈 于 2015-1-6 05:37 编辑
    / _  ~" {9 Z2 U/ V$ W% Z1 S
    Pipilu 发表于 2015-1-6 05:25
    ( }7 m" \; k1 F! R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 ...
    - q4 S' K( s) W  _& j) k

    " P2 s7 t& X0 ^: N2 O' a5 V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。# K, L/ }" B) {2 @. {' G8 @% Z/ O
    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

    发表于 2015-1-6 05:35:32 | 显示全部楼层
    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
  • 签到天数: 14 天

    [LV.3]辟谷

    发表于 2015-1-6 05:39:48 | 显示全部楼层
    晨大这个帖子可以当作汽车子系统的技术开发指南了!
      \, q1 `; J( f$ S+ T, |8 L% j& N! E应该发给各大国产车厂好好看看。
    4 {+ L( H5 H2 w1 e4 k
  • TA的每日心情
    奋斗
    2019-5-3 10:48
  • 签到天数: 771 天

    [LV.10]大乘

    发表于 2015-1-6 07:20:54 | 显示全部楼层
    @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
  • 签到天数: 71 天

    [LV.6]出窍

    发表于 2015-1-6 07:55:02 | 显示全部楼层
    东湖珞珈 发表于 2015-1-5 16:33
    ) o7 ^7 a- A) c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。1 d  ?% E$ y! M
    真要搞48伏特电压,整个相 ...

    1 @! g5 I: d4 A8 D* x2 R+1,安全性的确会是个大问题。

    该用户从未签到

     楼主| 发表于 2015-1-6 08:52:43 | 显示全部楼层
    东湖珞珈 发表于 2015-1-5 15:33
    $ \& Q! w. _  l+ J# ?( y' x( f: o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。' I, I- F5 j9 u1 M- `, p
    真要搞48伏特电压,整个相 ...

    + G& E, f' M8 G* 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。
      W- `1 R% _  F3 K* J; g
    ! Q% K) i" |, {; R! g4 X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

    发表于 2015-1-6 11:00:10 | 显示全部楼层
    抱朴仙人 发表于 2015-1-6 07:20/ P, D$ x* D2 m
    @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
    . I3 o6 ?' o+ V/ i# F. f1 }
    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

    发表于 2015-1-6 11:08:41 | 显示全部楼层
    晨枫 发表于 2015-1-6 08:52
    / s5 C( [) h( y$ ~6 ^7 v0 u, A# n- e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 ...
      ]- t: @- z" B5 |( i
    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

     楼主| 发表于 2015-1-6 11:47:47 | 显示全部楼层
    东湖珞珈 发表于 2015-1-5 21:08; j+ M2 Y" K: p$ q
    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
    $ ^3 v1 [) o/ a5 K- X- e
    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
  • 签到天数: 1277 天

    [LV.10]大乘

    发表于 2015-1-6 12:51:38 | 显示全部楼层
    晨枫 发表于 2015-1-5 16:30
    + _5 l2 ^- L9 D" n! ^) Z) N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 ...

    " R& w8 z; L! V5 G4 L7 @5 W5 E6 m
    ! E& ?* y, J" o/ U  b- |. W48V 貌似是由成本因素决定的。

    该用户从未签到

    发表于 2015-1-6 14:34:56 | 显示全部楼层
    我们为了用汽油驱动车子,想出了多少点子啊。。。
    ( @, O- G# n+ V( q, @, J' G9 {5 `: _8 t& r9 Y7 G  K
    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
    5 天前
  • 签到天数: 1475 天

    [LV.10]大乘

    发表于 2015-1-6 20:12:29 | 显示全部楼层
    东湖珞珈 发表于 2015-1-6 11:08
    + p" J; ^5 f6 E) K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
    + @6 a7 Q$ i, r- @9 o+ \
    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

    发表于 2015-1-6 21:31:44 | 显示全部楼层
    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
    + L. L/ }. |  Z; L( R' [% T
    ( P9 K: ?7 G3 h  l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

    发表于 2015-1-6 21:57:20 | 显示全部楼层
    Pipilu 发表于 2015-1-6 05:25
    4 g4 I' i2 @, r) d) i$ m+ t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 ...

    7 C7 c' @  a- ?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。4 Q+ ]" e0 S$ d
    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

    发表于 2015-1-6 21:59:50 | 显示全部楼层
    Pipilu 发表于 2015-1-6 05:25# ?; c7 ~# ^1 p1 a8 O; R3 F- N6 {
    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 ...

    ; L1 N5 ^3 v- _8 I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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    发表于 2015-1-6 22:00:26 | 显示全部楼层
    Pipilu 发表于 2015-1-6 05:25; g$ \4 e5 l% Z- m- O9 @, _, o
    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 ...

    5 m/ l4 T7 x" Q$ I) ?+ N3 _4 G+ C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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    发表于 2015-1-6 22:04:25 | 显示全部楼层
    本帖最后由 一叶飞刀 于 2015-1-6 22:06 编辑 7 x* M: n7 s; g" V) g, p
    晨枫 发表于 2015-1-6 08:52& X7 R' M# G( P! l0 @
    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 ...
    4 f5 z5 w' K5 n0 w3 E2 t

    % L" }+ D2 k/ Y/ I# L本来没事,来个自动短路,就算电池好没有炸,也会燃烧。" U6 W2 {2 }* J& o! t  E/ K& f0 G  }
    ) R, V5 ^" b9 j3 Q
    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。5 e+ v6 c6 J1 ^) Y: P: j( n
    : k6 r! H: v+ ?
    不过真心不认为48伏是个威胁0 d* W; l' j9 {7 K# i9 m5 x

    ) l4 C2 b6 T; I  t. ]' N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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