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主题:【原创】谈谈油电混合动力汽车 -- 北田

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  • 家园 【原创】谈谈油电混合动力汽车

    一年一次的多伦多车展又开始了,去年看了,今年也会去看。网上定票$18,地铁坐到UNION,走到Roger Center就行了。如果开车的话,停车再付$20。

    车展跟去年差不多,感受到一个特点就是新的动力---油电混合动力日渐成熟,其中最惹眼的是TOYOTA的PRIUS和CAMRY HYBRID。与去年相比,今年的PRIUS居然被供起来不让人坐进去了,不过Camry Hybrid, 还有新来的 HighLand Hybrid,可以随便摸, 随便上去坐坐。

    回来后就想写篇关于油电混合动力的科普读物,其实去年就有这个念头,只是喝了一年的水。

    关键词(Tags): #油电混合动力#汽车元宝推荐:晨枫,

    本帖一共被 2 帖 引用 (帖内工具实现)
    • 家园 花,最近对此玩意儿极感兴趣,说不定今后在这方面下点儿功夫
    • 家园 四, 为何要用电动轴代替机械轴

      如前所说的,内燃机动力,包括汽油机与柴油机,对汽车来说并不适合于调速,是但却是目前为止,相当成熟可靠与经济的车用动力。普通汽油机的能量密度都可达到 2KW/KG,柴油机还可以更高一些,这点是其他在经济上可接受动力源, 象燃料电池,充电电池,都无法与之相比的。并且其燃油经济性,在一定范围内还是相当好的,百公里5L的燃油效率是不错的,并且柴油机还可以更低。但问题在于由于其调速性能差,在实际工况下,绝大多数时间都不会工作在经济燃油效率范围内,所以油耗就高。而纯电动汽车正好相反,电池作为长期动力,能量密度太低,但能量利用效率高。所以两相结合是最好的,但并不是目前的油电混合动力, 而是油动力电驱动,汽油机并不直接驱动车辆。

      既然可以用电机驱动,那就可以发挥电机的优势,不仅仅是在调速上,更是在布局上,由于电机与动力源之间无需硬轴连接,只用电轴连接,所以就可以利用动力分散设计,使车辆实现全轮驱动,其安全性,可靠性都会比前轮驱动好,并且制造上也简单,只需要将动力线与控制线接起来就是了。驱动成本上可能会高一些,但车辆总体制造成本却不会贵,因为其相应的省略了象ABS+ESP之类的硬件,而将其功能利用软件实现 。

      全电力分散驱动,在今天还没实用,但GM已经在其概念车上实现了, 所以机会已经到来了。由于每个电机驱动一个轮子,其静态稳定性是不稳定的,只能采用动态稳定;计算机姿态控制系统将是控制核心,而人的直接参与驾驶作用会被减弱,驾驶安全性却会提高。

      用个例子说明。 冬天下雪,你开车以80KM行驶在401上,前面在你的左轮胎有一块黑冰,你看不到,开上去了,左轮开始打滑,驱动力减小,汽车开始向左扭转,你的反就速度滞后0.5秒,(算是快的了,大部分人在无准备情况下,要过1秒才有反应),开始向右扭动方向盘。此时你与车组成一稳定控制系统,输入是车辆打滑后的偏转方向,输出是方向盘控制车辆转向位置,反馈是你的眼的观察与腚的感觉,控制器是你的大脑,执行器是你的手。误差信号由传感器(你的眼和你的腚)判断车的扭转量,进入控制器,你的大脑,根据你的经验来算出控制量,方向盘应该转动角度,再控制你的手执行这一控制量,然后反馈作下一步的控制,真到车辆稳定。在此过程中,有几个关键点会决定你的生死。1,误差是否准确反映当时实际情况,取决你的眼与腚的感受精度;2,你的大脑是否能精确算出方向盘应该转动的角度, 取决于你的经验;3,你的手是否能及时且精确地将方向盘转到那个角度,取决你的的运气。这样算下来,你能控制车不出事故的可能性是多少?

      再对比一下电力分散驱动。由于到车辆是动态稳定,计算机控制系统时刻检测姿态系统的状态,假设每秒测50次,就是说每20毫秒测一次;姿态系统包括横向加速度传感器、纵向加速度传感器、偏摆角速度传感器。精度是你的腚的100倍,肯腚是。当计算机监测到汽车姿态发生向左偏转时,采样信号,离散化,进入计算机,同时参考方向盘转角传感器的角度(速度必须随动于方向),车轮的转速与转矩电流,根据预定算法算出每一车轮的预期转速,信号进入车轮控制器,双闭环控制系统,转矩随动于转速,PWM控制频率是20KHZ,车轮转动精度是18度。 所以整个控制过程可以在50毫秒之内完成,可能你还没有感觉到车辆发生偏转就结束了。

      虽说现在的一些高档车,也有EPS,但问题是,1,要由机械硬件控制,电信号必须转换为机械量,通过ABS的液压分泵来控制车轮转矩,但机械惯量远比电惯量大得多。2, ABS控制过程是利用高频的开关量,用每秒40次频率将车轮锁死再松开,通过调节锁死与松开的时间这种方式进行控制。但问题在于开关量的迟滞性,与不精确性。相比于电机转矩控制,PWM的20KHZ频率,相对于40HZ可以认为是连续量,并且这一数值可精确上控制在一临界线上,使车轮继续转动,但反转力矩始终最大(最大反转力矩在刹车过程中是变动的)。所以其响应与精度都比机械控制系统的ABS高,并且因为是软件方式,成本也低,无论中高低档车都会成为必配。

      其实最大的障碍还是非技术因素,制造商与用户是否接受。毕竟革命的代价是很高的,很多东西要重来过。

      但前景也是美好的,今后的汽车可能象今天的PC生产模式一样,动力系统,控制系统,驱动系统,车身都可以分开设计,但其机械接口与电子信号接口,电源动力接口都一致,并且安装后之间没有硬轴连接,完全电轴连接。这种模式最大的优势在于一种在整个行业的开方式结构,必然会引起人才与资本流向最优的部分,从而引起技术进步。如同当年PC出现以前,IBM, DEC, 王安什么都自己做,从CPU做到键盘,王安连网都自己搞,但搞了十几年,市场与技术的进步还不如今天两年。二十年前,IBM PC还算是开放结构,但价格贵,性能差,后来COMPAQ造反,这才引起计算机整个行业的革命,最终形成今天的撩原之势。如果还是象IBM做MAINFRAME 360那样, 现在恐怕你我也不可能上网了。

      最后再说说这次革命哪里可能在哪里,我想可能是美国,也可能是中国,而不会在日本与欧洲。日本市场太小,欧洲过于保守,而且还没有一个统一有力的领导。

      美国是因为不存在技术问题,但传统汽车的惯性大,想按步就班地转恐怕转不过来。

      而中国且是差不多一张白纸,尤其是家用车,但问题在于很多事不是由技术决定的,可能有人做得出来,但此人的结局会比当年的仰容如何?目前的国内,想做制造业并且做大的,除非被官办经济所招安,不然恐怕最后怎么死的都不知道。

      • 家园 【讨论】感觉用回馈制动制动速度不行

        估计紧急情况下够呛。另外,电机堵转也是麻烦问题。

        不过前途还是很光明的,电机这个古老的专业又焕发了第二春啊

        • 家园 【讨论】在这里只能 定性,要定量那做的事就多了.

          假设每个电机最大反转转矩为25NM, 4 个总共100NM的刹车转矩,不知道能不能停住象ECHO之类的小车,车重1000KG.哪位在这一方面有研究的可以说说.

      • 家园 【讨论】挑个小错

        挑个错,PWM是pulse width modulation,你所指PWM频率是指PWM得reference Voltage的锯齿波频率,事实上这个频率并不参与电机控制,这频率越高调制信号的高阶谐波越高很容易被滤除,电机控制不是你说得这么简单,当然你说的电动汽车的控制思想还是对的,

        事实上在混合动力汽车还有纯电汽车欧洲走的更远,北欧的沃尔沃,萨伯都有很好的技术积累,不光是电动车,其实在工程机械上,比如铲车叉车,混合驱动,全电驱动更有优势,

        国内的情况我不清楚,欧洲日本在新能源开发上走得比较远,咱们还有很多路要走,

      • 家园 唉,连我这个外行都要说你在说外行话了
      • 家园 啃腚要支持一下。
      • 家园 看来腚很重要

        全部电子控制还有一个问题。就是可靠性。飞机可以有多个备份再加上最终的机械备份。汽车可不行。

        小日本的8轮Eliica

        http://en.wikipedia.org/wiki/Eliica

        Michelin的Active wheel

        http://www.motorauthority.com/michelins-active-wheel-technology-in-detail.html

      • 家园 花一个

        深入浅出,不错不错... 全电驱动肯定是大势所趋...

        老美三大如果不是这次经济危机敲打敲打,恐怕还在继续沉醉于他们的Hemi...

        就是不知道从理论到技术到真正产品上市,得多长时间... 其实很多技术早就有了,只不过没人愿意做... 比方说车辆的中控面板,早晚得电脑化,谁还愿意弄一堆dial一堆按钮... 可是为成本计,谁都不愿意改...

        • 家园 这个

          我印象晨大在介绍VW Up!的时候好像讲过,全电子化的面板成本会比一堆dail,gauge,button等等低得多.

          为什么不愿改就是另外的问题了...

    • 家园 花!写得真好,我这不懂车的都看懂了。

      北田也在俺们土狼屯(河里多伦多的爱称)这乡下?又多认识个老乡!

      我也去看车展了。平时不太关注汽车,看到丰田的Highlander Hybrid很好奇。另外,下次再去看车展,我可以用公司优惠帮你定票,$14不加税,嘿嘿。

    • 家园 给你送宝!

      谢谢:作者意外获得【通宝】一枚

      鲜花已经成功送出。

      此次送花为【有效送花赞扬,涨乐善、声望】

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