结构拓扑优化技术

1、4b-# 主编 (三)结构拓扑优化技术 三、轻量化制造 第五章汽车电器节能技术 第六章替代动力系统 图4-35拓扑优化设计原理 a)设计空间b)最优拓扑结构 图4-36悬架横臂拓扑优化设计案例 图4-37SUV车架拓扑优化设计案例 (三)结构拓扑优化技术 1.材料法(微结构法) 2.几何法(宏结构法) (三)结构拓扑优化技术 图4-38连续体体结构拓扑优化方法 1.材料法(微结构法) 均匀化方法(Homogenization Method)。1988年，Bendsoe和Ki kuchi首次提出连续体拓扑优化概念和基于均匀化理论的连续体 拓扑优化的均匀化方法。均匀化方法在连续介质中引入带孔洞 的

2、微结构(简称微孔结构)，宏观匀质材料通过周期性分布的非 匀质微孔结构进行描述，以微孔结构的尺寸变量为设计变量对 连续体结构拓扑进行数学定量描述，将拓扑优化问题转化为微 孔结构尺寸优化问题。然后采用均匀化方法求解不同微结构构 成的结构宏观材料特性，从而得到材料宏观特性与微结构尺寸 间的函数关系，而通过优化微结构尺寸的组合变化就可以得到 结构宏观拓扑分布。 1.材料法(微结构法) 密度法。密度法是受均匀化方法的启发而产生的。其基本思 想是不引入微孔结构，而是引入一种假想的相对密度在01之 间可变的材料，它吸取了均匀化方法中的经验和成果，直接假 定材料的物理参数(如许用应力、弹性模量)与其密度的非线

3、性 关系。密度法以每个单元的相对密度作为设计变量，同时引入 密度与材料弹性模量的假设函数关系，故而求解效率高且实现 简单。 1.材料法(微结构法) 密度法中常见的插值模型有固体各向同性惩罚微结构模型(Soli d Isotropic Microstructures with Penalization，SIMP)和材料属性 的有理近似模型(Rational Approximation of Material Properties， RAMP)，两种模型均通过增大惩罚因子数值对中间密度值进行 惩罚，使之向0-1状态靠近，从而减少了中间材料的出现。这两 种模型目前都得到了应用，其中应用最为广泛的就是

4、SIMP材料 模型。 均匀化方法(Homogenization Method)。1988年，Bendsoe和Ki kuchi首次提出连续体拓扑优化概念和基于均匀化理论的连续体 拓扑优化的均匀化方法。均匀化方法在连续介质中引入带孔洞 的微结构(简称微孔结构)，宏观匀质材料通过周期性分布的非 匀质微孔结构进行描述，以微孔结构的尺寸变量为设计变量对 连续体结构拓扑进行数学定量描述，将拓扑优化问题转化为微 孔结构尺寸优化问题。然后采用均匀化方法求解不同微结构构 成的结构宏观材料特性，从而得到材料宏观特性与微结构尺寸 间的函数关系，而通过优化微结构尺寸的组合变化就可以得到 结构宏观拓扑分布。 图4-39

5、二维单元微孔结构 密度法。密度法是受均匀化方法的启发而产生的。其基本思 想是不引入微孔结构，而是引入一种假想的相对密度在01之 间可变的材料，它吸取了均匀化方法中的经验和成果，直接假 定材料的物理参数(如许用应力、弹性模量)与其密度的非线性 关系。密度法以每个单元的相对密度作为设计变量，同时引入 密度与材料弹性模量的假设函数关系，故而求解效率高且实现 简单。密度法中常见的插值模型有固体各向同性惩罚微结构模 型(Solid Isotropic Microstructures with Penalization，SIMP)和材 料属性的有理近似模型(Rational Approximation o

6、f Material Prope rties，RAMP)，两种模型均通过增大惩罚因子数值对中间密度 值进行惩罚，使之向0-1状态靠近，从而减少了中间材料的出现。 这两种模型目前都得到了应用，其中应用最为广泛的就是SIMP 材料模型。 图4-40SIMP材料模型中不同惩罚系数p时 相对弹性模量与体积密度的关系 2.几何法(宏结构法) 进化结构优化法。Steven等人提出了基于离散变量的进化结 构优化方法(Evolutionary Structural Optimization, ESO)，其基本 思想是：基于生物进化思想，通过将结构中无效或低效的材料 单元逐步删除，以得到趋于最优的结构设计。该方

7、法最大的好 处在于算法简单，通用性好，基于商用化有限元分析软件具有 较强的可实现性。ESO法的关键在于用一个合适的准则来评价 每个单元对结构响应的贡献大小，以删除一些贡献最小的单元， 因此ESO法又常称为Hard Kill法。目前，ESO法在应力、位移/ 刚度、振动频率、屈曲频率等各类优化问题和工程应用中得到 了广泛的研究。 2.几何法(宏结构法) ESO法符合工程直观性和直觉性，但是其缺点之一在于优化结 果受删除率和进化率两个参数的影响较大，同时优化效率较低， 常常得到局部最优解而非全局最优解，并且难以应用于复杂目 标函数和多约束情况下的拓扑优化问题。Querin等人提出的双 向进化结构优化

8、方法(Bi-Directional Evolutionary Structural Opti mization，BESO)在结构优化中能同时增加或删除单元，从而提 高了优化效率。由于在ESO法中，单元状态非0即1，且敏度系 数定义为单元当前状态下的结构响应量值，故而当敏度系数值 在01间变化较大时，拓扑优化将得到错误的优化结果。 2.几何法(宏结构法) 泡泡法。在1994年，Eschenauer等人提出结构拓扑优化的泡 泡法，其目的是为了解决形状优化方法不能改变结构拓扑的问 题。泡泡法的基本思想是在当前结构中反复插入新孔(称为泡泡) 而实现结构拓扑的变更，达到优化设计的目的。泡泡法的具体 实施

9、过程如下： 进化结构优化法。Steven等人提出了基于离散变量的进化结 构优化方法(Evolutionary Structural Optimization, ESO)，其基本 思想是：基于生物进化思想，通过将结构中无效或低效的材料 单元逐步删除，以得到趋于最优的结构设计。该方法最大的好 处在于算法简单，通用性好，基于商用化有限元分析软件具有 较强的可实现性。ESO法的关键在于用一个合适的准则来评价 每个单元对结构响应的贡献大小，以删除一些贡献最小的单元， 因此ESO法又常称为Hard Kill法。目前，ESO法在应力、位移/ 刚度、振动频率、屈曲频率等各类优化问题和工程应用中得到 了广泛的研

10、究。ESO法符合工程直观性和直觉性，但是其缺点 之一在于优化结果受删除率和进化率两个参数的影响较大，同 时优化效率较低，常常得到局部最优解而非全局最优解，并且 难以应用于复杂目标函数和多约束情况下的拓扑优化问题。Qu erin等人提出的双向进化结构优化方法(Bi-Directional Evolutiona ry Structural Optimization，BESO)在结构优化中能同时增加或 删除单元，从而提高了优化效率。由于在ESO法中，单元状态 非0即1，且敏度系数定义为单元当前状态下的结构响应量值， 故而当敏度系数值在01间变化较大时，拓扑优化将得到错误的 优化结果。 泡泡法。在19

11、94年，Eschenauer等人提出结构拓扑优化的泡 泡法，其目的是为了解决形状优化方法不能改变结构拓扑的问 题。泡泡法的基本思想是在当前结构中反复插入新孔(称为泡泡) 而实现结构拓扑的变更，达到优化设计的目的。泡泡法的具体 实施过程如下： 三、轻量化制造 (一)成形制造技术 (二)连接技术 (一)成形制造技术 1.激光拼焊技术 2.液压成形技术 3.超高强度钢热成形技术 4.高强度钢辊压成形技术 5.电磁成形技术 1.激光拼焊技术 减少零件数量。由于拼焊板可以一体成形，提高了车身覆盖 件的精度，减少了大量冲压加工的设备和工序。一辆汽车的车 身由300多种零件组成，采用激光拼焊板技术可使零件数

12、量减 少66%，因此大大减少了模具数量，提高了材料的利用率。 减轻结构件的重量。由于采用将不同厚度的板料焊在一起， 然后一次冲压成形，而不再需要焊接加强板，因此可以降低钢 材消耗，减轻结构质量。 可以改进车身结构的安全性能和耐久性。激光拼焊技术目前 可以广泛应用于车门内板、前纵梁、地板、侧围总成及侧围部 件(如B柱等)等。图4-41所示为由不同厚度的板材冲压而成的车 身侧围内板总成，图中数字表示板料的厚度(mm)。 减少零件数量。由于拼焊板可以一体成形，提高了车身覆盖 件的精度，减少了大量冲压加工的设备和工序。一辆汽车的车 身由300多种零件组成，采用激光拼焊板技术可使零件数量减 少66%，因

13、此大大减少了模具数量，提高了材料的利用率。 减轻结构件的重量。由于采用将不同厚度的板料焊在一起， 然后一次冲压成形，而不再需要焊接加强板，因此可以降低钢 材消耗，减轻结构质量。 可以改进车身结构的安全性能和耐久性。激光拼焊技术目前 可以广泛应用于车门内板、前纵梁、地板、侧围总成及侧围部 件(如B柱等)等。图4-41所示为由不同厚度的板材冲压而成的车 身侧围内板总成，图中数字表示板料的厚度(mm)。 图4-41激光拼焊技术在车身侧围内板中的应用 2.液压成形技术 3.超高强度钢热成形技术 4.高强度钢辊压成形技术 5.电磁成形技术 (二)连接技术 1.激光焊接 2.机械连接技术 3.复合连接技术

14、 1.激光焊接 激光焊接十分灵活，与只能进行单调焊接的点焊相比几乎无 所不能。激光焊接既可焊接连续的缝，也可焊接断续的缝，实 际上可以在计算机的控制下沿任意轨迹焊接，而且只需单面激 光接触，而不再是双面点焊。因此，激光焊接最早用于地板与 地板梁等焊枪难以伸及的闭口截面处的焊接。 经激光焊接形成的接头强度高，可以提高车身结构强度和刚 度。这是因为汽车车身主要材料为低碳钢薄板，焊后形成的焊 缝比母材更硬，称为过渡接头。加上激光焊输入热量低，冷却 速度较弧焊快得多，并表现为大熔宽比的指状焊缝，焊缝残留 应力小，对接头的影响较弧焊小得多。 1.激光焊接 激光焊接的速度很快，最快可以达到20m/min，

15、提高了焊接 效率。 由于激光焊接是非接触式焊接，一般距离钢板10cm以上， 因此，在车型更换时，只需更改夹具和机器人重新编程就可以 了，非常适合柔性化生产。 激光拼焊可以将若干不同材质、不同厚度、不同涂层的钢材、 不锈钢材、铝合金材等进行自动拼合和焊接而形成一块整体板 材、型材、夹芯板等，以满足零部件对材料性能的不同要求， 用最轻的重量、最优结构和最佳性能实现结构轻量化。 由于激光焊聚焦光斑小，对焊接结构的精度要求较高，因此 提高了对焊接夹具的设计要求，从而也提高了投资。 1.激光焊接 激光焊接设备本身的价格不菲，初期投资较大。如果产量受 车型销售影响无法大幅度提高，则激光焊接对于大规模、高速

16、 生产的优势则无法得到发挥。 任何一种焊接工艺都或多或少会产生缺陷，对于激光焊来说， 一旦产生焊接缺陷，其质量的检测和返修都较其他焊接方法困 难。 激光焊接十分灵活，与只能进行单调焊接的点焊相比几乎无 所不能。激光焊接既可焊接连续的缝，也可焊接断续的缝，实 际上可以在计算机的控制下沿任意轨迹焊接，而且只需单面激 光接触，而不再是双面点焊。因此，激光焊接最早用于地板与 地板梁等焊枪难以伸及的闭口截面处的焊接。 经激光焊接形成的接头强度高，可以提高车身结构强度和刚 度。这是因为汽车车身主要材料为低碳钢薄板，焊后形成的焊 缝比母材更硬，称为过渡接头。加上激光焊输入热量低，冷却 速度较弧焊快得多，并表

17、现为大熔宽比的指状焊缝，焊缝残留 应力小，对接头的影响较弧焊小得多。 激光焊接的速度很快，最快可以达到20m/min，提高了焊接 效率。 由于激光焊接是非接触式焊接，一般距离钢板10cm以上， 因此，在车型更换时，只需更改夹具和机器人重新编程就可以 了，非常适合柔性化生产。 激光拼焊可以将若干不同材质、不同厚度、不同涂层的钢材、 不锈钢材、铝合金材等进行自动拼合和焊接而形成一块整体板 材、型材、夹芯板等，以满足零部件对材料性能的不同要求， 用最轻的重量、最优结构和最佳性能实现结构轻量化。 由于激光焊聚焦光斑小，对焊接结构的精度要求较高，因此 提高了对焊接夹具的设计要求，从而也提高了投资。 激光

18、焊接设备本身的价格不菲，初期投资较大。如果产量受 车型销售影响无法大幅度提高，则激光焊接对于大规模、高速 生产的优势则无法得到发挥。 任何一种焊接工艺都或多或少会产生缺陷，对于激光焊来说， 一旦产生焊接缺陷，其质量的检测和返修都较其他焊接方法困 难。 2.机械连接技术 3.复合连接技术 第五章汽车电器节能技术 第一节汽车电压体制 第二节车用空调节能技术 第三节汽车车灯节能技术 第四节汽车整车控制技术 第一节汽车电压体制 一、汽车电源系统概述 二、汽车电源电压的演变 三、14V汽车电源电压面临的问题 四、42V汽车电源系统 五、汽车电源系统电压体制的展望 一、汽车电源系统概述 图5-1汽车电气系

19、统电源示意图 二、汽车电源电压的演变 图5-2汽车电源电压的历史 三、14V汽车电源电压面临的问题 汽车电气系统尺寸、重量以及成本增加。 线束、线束连接、继电器、开关、功率器件等的能量损失增 大。 电器的温升较多，必要时还需要添加额外的冷却系统。 电气系统的分布特性不好，不利于较远距离传输，布置存在 限制等。 汽车电气系统尺寸、重量以及成本增加。 线束、线束连接、继电器、开关、功率器件等的能量损失增 大。 电器的温升较多，必要时还需要添加额外的冷却系统。 电气系统的分布特性不好，不利于较远距离传输，布置存在 限制等。 图5-3德国奥迪A6整车电气系统配置 电气系统的分布特性不好，不利于较远距离

20、传输，布置存在 限制等。 图5-4汽车电器负载电流的趋势 四、42V汽车电源系统 人体所能接触的安全电压的上限是直流60V，采用42V电压 (考虑到电压波动的裕量)可以免去额外的绝缘设计，从而降低 成本。 从理论上讲，传输同样的功率，42V系统的电流只有14V系 统的三分之一，这样就降低了电动机及电力元件的电流负荷， 也使导线及功率元件的传输损耗降低为原来的九分之一，且可 以减小导线截面积以降低重量。 采用42V电源系统提高了电源的功率，使大量高新技术在汽 车上的广泛应用成为可能。 四、42V汽车电源系统 采用42V电源系统为车辆的结构改进提供了更大的可能性。 例如:发动机的一些附件可以直接由

21、新的电源系统驱动，从而减 少了空转消耗，提高了能源利用效率。 采用42V电源系统为发展混和动力汽车创造了条件。采用42 V电源后，可以实现在低速行驶时由电源直接驱动电动机作为 汽车的动力源，在交通管制路口等待信号时可以方便地切断电 源，避免了怠速工况，减少了汽车的排放污染。 对发动机的影响。采用无凸轮轴电控气门配气相位电磁阀系 统，将取消凸轮轴、气门挺杆、气门摇臂、液压挺柱和正时齿 轮等部件，大大简化发动机的结构。 四、42V汽车电源系统 对线束好处最大，电流降低意味着可使导线截面积缩小，所 以线束在重量和体积上可大幅度降低。当然随着汽车网络传输 系统的实施，线束在数量上，更要大幅减少。 各种

22、电动机和电磁阀也将在重量方面有较大的收益。德国博 世公司专家认为，采用42V电源系统可使电动机和电磁阀重量 减少20%。 对汽车电子产品影响不大，因为目前的产品在耐压方面基本 能满足42V电源要求，但根据情况，可能有些要重新设计。 四、42V汽车电源系统 照明灯具行业影响较大，因为电压升高，同样瓦数的灯丝必 须更细更长，而汽车产品又必须承受振动和冲击等恶劣环境， 带来灯具可靠性问题。这给传统车灯供应商提出了挑战，但却 为汽车LED车灯新技术(图5-5)提供了机遇。 1. 42V/14V电源系统方案 2.全42V电源系统方案 四、42V汽车电源系统 表5-142V汽车电源系统的电压范围 人体所能

23、接触的安全电压的上限是直流60V，采用42V电压 (考虑到电压波动的裕量)可以免去额外的绝缘设计，从而降低 成本。 从理论上讲，传输同样的功率，42V系统的电流只有14V系 统的三分之一，这样就降低了电动机及电力元件的电流负荷， 也使导线及功率元件的传输损耗降低为原来的九分之一，且可 以减小导线截面积以降低重量。 采用42V电源系统提高了电源的功率，使大量高新技术在汽 车上的广泛应用成为可能。 采用42V电源系统为车辆的结构改进提供了更大的可能性。 例如:发动机的一些附件可以直接由新的电源系统驱动，从而减 少了空转消耗，提高了能源利用效率。 采用42V电源系统为发展混和动力汽车创造了条件。采用

24、42 V电源后，可以实现在低速行驶时由电源直接驱动电动机作为 汽车的动力源，在交通管制路口等待信号时可以方便地切断电 源，避免了怠速工况，减少了汽车的排放污染。 对发动机的影响。采用无凸轮轴电控气门配气相位电磁阀系 统，将取消凸轮轴、气门挺杆、气门摇臂、液压挺柱和正时齿 轮等部件，大大简化发动机的结构。 对线束好处最大，电流降低意味着可使导线截面积缩小，所 以线束在重量和体积上可大幅度降低。当然随着汽车网络传输 系统的实施，线束在数量上，更要大幅减少。 各种电动机和电磁阀也将在重量方面有较大的收益。德国博 世公司专家认为，采用42V电源系统可使电动机和电磁阀重量 减少20%。 对汽车电子产品影

25、响不大，因为目前的产品在耐压方面基本 能满足42V电源要求，但根据情况，可能有些要重新设计。 照明灯具行业影响较大，因为电压升高，同样瓦数的灯丝必 须更细更长，而汽车产品又必须承受振动和冲击等恶劣环境， 带来灯具可靠性问题。这给传统车灯供应商提出了挑战，但却 为汽车LED车灯新技术(图5-5)提供了机遇。 图5-5汽车LED照明技术 照明灯具行业影响较大，因为电压升高，同样瓦数的灯丝必 须更细更长，而汽车产品又必须承受振动和冲击等恶劣环境， 带来灯具可靠性问题。这给传统车灯供应商提出了挑战，但却 为汽车LED车灯新技术(图5-5)提供了机遇。 图5-642V/14V汽车电源方案 1. 42V/

26、14V电源系统方案 由于两种不同电压的电源是完全分开的，它们各自需要一个 蓄电池组，因而增加了车辆附加承载，占用了更大空间并增加 了造价。 DC/DC变换器产生的电磁干扰、高电压瞬态现象及抑制控制 方法，以及双电压电气系统在车辆运行时的功率流向、分配问 题等也是实际应用中需要解决的问题。 由于两种不同电压的电源是完全分开的，它们各自需要一个 蓄电池组，因而增加了车辆附加承载，占用了更大空间并增加 了造价。 DC/DC变换器产生的电磁干扰、高电压瞬态现象及抑制控制 方法，以及双电压电气系统在车辆运行时的功率流向、分配问 题等也是实际应用中需要解决的问题。 2.全42V电源系统方案 (1)汽车电源

27、汽车电源包括蓄电池和发电机。 (2)用电设备实施42V汽车电气系统新标准，将会使汽车电器 零部件设计和结构发生重大变革，一些零部件需进行优化设计， 一些零部件将会被淘汰，比如现在的插接器、断路器和继电器 在42V系统下未必可以取得最佳性能。 (3)配电设备在42V电源系统中，采用的是单线多路传输的总 线结构。 2.全42V电源系统方案 图5-7全42V汽车电源方案 (1)汽车电源汽车电源包括蓄电池和发电机。 铅酸蓄电池正极材料为活性物质二氧化铅(PbO2)，负极材料 为金属铅(Pb)，电解液为硫酸。铅酸蓄电池发明的时间已经有1 00多年的历史，使用技术非常成熟，成本较低，回收体系较完 善，但铅

28、酸蓄电池的能量密度(Wh/kg)和功率密度(W/kg)较小， 比较笨重。 镍氢电池正极采用镍氧化物(NiOOH)，负极使用储氢合金(M H)，电解液使用高浓度的氢氧化钾水溶液。镍氢蓄电池在20世 纪90年代实现了车用，能量密度和功率密度比铅酸蓄电池高， 具有不错的充、放电特性，使用寿命相对较长，但成本较高。 (1)汽车电源汽车电源包括蓄电池和发电机。 锂离子蓄电池的正负电极材料以锂离子(Li+)的形式参与反应， 使用有机电解液。锂离子蓄电池具有很高的能量密度和功率密 度，可以使用较少的单体实现36V电压，缺点是成本比较高， 需要安全管理，回收体系有待完善。 永磁电机。永磁电机具有很高的能量转化

29、效率和转矩，但是 永磁材料昂贵，其造价很高，并且永久磁铁在高温或短路状态 下的去磁也是在应用中存在的问题。 感应电机。它的优点是结构简单，维护简便，控制技术成熟; 缺点是体积大，恒功率调速范围窄，而且起动电流大，对逆变 器功率元件要求较高。 (1)汽车电源汽车电源包括蓄电池和发电机。 开关磁阻电机。它也能提供较高的效率和转矩，且结构简单， 相间耦合小，具有优越的高速性能，但其驱动电路特殊、成本 高，还会产生很高的噪声和振动。 铅酸蓄电池正极材料为活性物质二氧化铅(PbO2)，负极材料 为金属铅(Pb)，电解液为硫酸。铅酸蓄电池发明的时间已经有1 00多年的历史，使用技术非常成熟，成本较低，回收

30、体系较完 善，但铅酸蓄电池的能量密度(Wh/kg)和功率密度(W/kg)较小， 比较笨重。 镍氢电池正极采用镍氧化物(NiOOH)，负极使用储氢合金(M H)，电解液使用高浓度的氢氧化钾水溶液。镍氢蓄电池在20世 纪90年代实现了车用，能量密度和功率密度比铅酸蓄电池高， 具有不错的充、放电特性，使用寿命相对较长，但成本较高。 锂离子蓄电池的正负电极材料以锂离子(Li+)的形式参与反应， 使用有机电解液。锂离子蓄电池具有很高的能量密度和功率密 度，可以使用较少的单体实现36V电压，缺点是成本比较高， 需要安全管理，回收体系有待完善。 永磁电机。永磁电机具有很高的能量转化效率和转矩，但是 永磁材料

31、昂贵，其造价很高，并且永久磁铁在高温或短路状态 下的去磁也是在应用中存在的问题。 感应电机。它的优点是结构简单，维护简便，控制技术成熟; 缺点是体积大，恒功率调速范围窄，而且起动电流大，对逆变 器功率元件要求较高。 开关磁阻电机。它也能提供较高的效率和转矩，且结构简单， 相间耦合小，具有优越的高速性能，但其驱动电路特殊、成本 高，还会产生很高的噪声和振动。 (2)用电设备实施42V汽车电气系统新标准，将会使汽车电器 零部件设计和结构发生重大变革，一些零部件需进行优化设计， 一些零部件将会被淘汰，比如现在的插接器、断路器和继电器 在42V系统下未必可以取得最佳性能。 (3)配电设备在42V电源系

32、统中，采用的是单线多路传输的总 线结构。 五、汽车电源系统电压体制的展望 图5-8汽车电气系统功率负载需求 五、汽车电源系统电压体制的展望 图5-9汽车电源电压方案的现状与展望 第二节车用空调节能技术 一、车用电动空调的功能 二、汽车空调的发展历程 三、汽车空调性能及评价 四、电动汽车空调的特点 五、电动空调系统类型 一、车用电动空调的功能 1.调节车内温度 2.调节车内湿度 3.净化车内空气 4.除霜 1.调节车内温度 2.调节车内湿度 3.净化车内空气 4.除霜 二、汽车空调的发展历程 1.国外发展情况 2.国内发展历程 1.国外发展情况 2.国内发展历程 三、汽车空调性能及评价 1.汽车

33、空调舒适性指标 2.汽车空调综合性能指标 1.汽车空调舒适性指标 (1)车内平均温度和车内外温差在满足人体健康的条件下，车 内温度夏季应尽量提高，冬季应尽量降低。 (2)车内空气相对湿度车内空气相对湿度一般保持在50%70 %，超出此范围，人就会感觉到干燥或闷热。 (3)车内新鲜空气换气量为防止人体缺氧，产生疲劳、头疼、 恶心等症状，车内每位乘客所需新鲜空气量为2030m3/h，二 氧化碳体积分数应保持在0.1%以下。 (4)车内气体速度车内气体速度以夏季不超过0.5m/s、冬季不 超过0.30.35m/s为宜。 (5)车内噪声降低噪声是改善舒适性的重要措施，车内的最大 噪声应控制在50dB以

34、下。 1.汽车空调舒适性指标 (6)车内降温升温的速率是评价舒适性的重要参数之一。 (7)车内温度场分布温度在垂直方向的不均匀度最好控制在2 左右，这是由人体各部位对同一温度的感觉不同决定的；而 在水平方向的空气温度不均匀度最好控制在1.5以内，这是根 据汽车空调实验结构综合考虑后决定的。 (8)风口布置位置及风口风速差值不舒适感与空气的流动方向 和吹风的部位有关，后面吹来的气流比前面吹来的气流更让人 感到不适。 (1)车内平均温度和车内外温差在满足人体健康的条件下，车 内温度夏季应尽量提高，冬季应尽量降低。 (2)车内空气相对湿度车内空气相对湿度一般保持在50%70 %，超出此范围，人就会感

35、觉到干燥或闷热。 (3)车内新鲜空气换气量为防止人体缺氧，产生疲劳、头疼、 恶心等症状，车内每位乘客所需新鲜空气量为2030m3/h，二 氧化碳体积分数应保持在0.1%以下。 (4)车内气体速度车内气体速度以夏季不超过0.5m/s、冬季不 超过0.30.35m/s为宜。 (5)车内噪声降低噪声是改善舒适性的重要措施，车内的最大 噪声应控制在50dB以下。 (6)车内降温升温的速率是评价舒适性的重要参数之一。 (7)车内温度场分布温度在垂直方向的不均匀度最好控制在2 左右，这是由人体各部位对同一温度的感觉不同决定的；而 在水平方向的空气温度不均匀度最好控制在1.5以内，这是根 据汽车空调实验结构

36、综合考虑后决定的。 (8)风口布置位置及风口风速差值不舒适感与空气的流动方向 和吹风的部位有关，后面吹来的气流比前面吹来的气流更让人 感到不适。 2.汽车空调综合性能指标 (1)能效性包括能效比、季节能效比、制冷量、制热量、循环 风量和除湿量。 (2)经济性包括价格、输入功率、使用寿命。 (3)安全可靠性包括耐压性、防腐性、电气安全性、抗振性、 安全性和抗冻性。 (4)外观和使用性包括外观协调性、操作方便性、尺寸、维护 与修理、材质和噪声。 (5)运行可靠度为维持车内相对湿度恒定所需消除的多余湿量， 称为湿负荷。 (1)能效性包括能效比、季节能效比、制冷量、制热量、循环 风量和除湿量。 (2)

37、经济性包括价格、输入功率、使用寿命。 (3)安全可靠性包括耐压性、防腐性、电气安全性、抗振性、 安全性和抗冻性。 (4)外观和使用性包括外观协调性、操作方便性、尺寸、维护 与修理、材质和噪声。 (5)运行可靠度为维持车内相对湿度恒定所需消除的多余湿量， 称为湿负荷。 四、电动汽车空调的特点 汽车空调系统安装在运动的车辆上，要承受剧烈而频繁的振 动与冲击，要求汽车空调装置结构中的各个零部件都应具有足 够的强度和气密性能。 汽车内乘员所占空间比大，产生的热量多，热负荷大；汽车 车身隔热层薄，门窗多，玻璃面积大，隔热性能差，致使空调 冷气漏损严重，这就要求空调具有快速制冷能力。 车内高低不平且有座椅

38、，气流分配组织困难，难以做到气流 分布均匀，这就对出风口的位置有一定要求。 汽车空调安装在汽车上，其风口、风道是汽车内饰的一部分， 必须与车身内饰协调，以保证整车内饰的统一、完美。 四、电动汽车空调的特点 电动汽车有足够的电能可以驱动电动空调压缩机工作，但蓄 电池提供的直流电是电动汽车唯一的动力源，没有足够的发动 机余热用于车内采暖。电动汽车无法使用现有的燃油汽车空调 系统。 电动汽车空调使用的是直流电气系统，可靠性高，维护方便， 结构紧凑无噪声，容易实现能量的连续调节。 受开门的次数以及在行车中车速、光照、怠速等因素的影响， 空调湿热负荷极大。压缩机乃至整个空调系统都要适应这种多 因素的变化

39、以确保车室环境的舒适性要求，因此空调变工况控 制系统较为复杂。 汽车空调系统安装在运动的车辆上，要承受剧烈而频繁的振 动与冲击，要求汽车空调装置结构中的各个零部件都应具有足 够的强度和气密性能。 汽车内乘员所占空间比大，产生的热量多，热负荷大；汽车 车身隔热层薄，门窗多，玻璃面积大，隔热性能差，致使空调 冷气漏损严重，这就要求空调具有快速制冷能力。 车内高低不平且有座椅，气流分配组织困难，难以做到气流 分布均匀，这就对出风口的位置有一定要求。 汽车空调安装在汽车上，其风口、风道是汽车内饰的一部分， 必须与车身内饰协调，以保证整车内饰的统一、完美。 电动汽车有足够的电能可以驱动电动空调压缩机工作

40、，但蓄 电池提供的直流电是电动汽车唯一的动力源，没有足够的发动 机余热用于车内采暖。电动汽车无法使用现有的燃油汽车空调 系统。 电动汽车空调使用的是直流电气系统，可靠性高，维护方便， 结构紧凑无噪声，容易实现能量的连续调节。 受开门的次数以及在行车中车速、光照、怠速等因素的影响， 空调湿热负荷极大。压缩机乃至整个空调系统都要适应这种多 因素的变化以确保车室环境的舒适性要求，因此空调变工况控 制系统较为复杂。 五、电动空调系统类型 电驱动压缩机空调系统可以采用全封闭的HFC134a (目前主 要的汽车空调用制冷剂)系统及制冷剂回收技术，整体的高度密 封性可以减小正常运行以及修理维护时制冷剂的泄漏

41、损失，从 而减少了对环境的污染。 电动空调的压缩机靠电动机驱动，因此可以通过更加合理精 确的控制以及在常见热负荷工况下的高效率运行来降低空调系 统的能耗，从而提高整车的经济性。如表5-2所示，电动压缩机 相对于传统机械式压缩机效率较高，也可以减少能量消耗。 采用电驱动，噪声较低，可靠性高，使用寿命长，故障率低。 五、电动空调系统类型 对于一体式电动压缩机，由于取消了发动机与压缩机之间的 传动带，没有了张紧件的质量，相对于传统结构减小了整车质 量。 可以在上车之前遥控起动电动空调，对车厢内的空气进行预 先调节，相比传统空调可增加乘客的舒适性。 1.电动空调的供电原理 2.热电制冷空调系统 3.余

42、热制冷空调系统 4.电动热泵式空调系统 5.电动压缩机制冷与电加热器混合调节系统 6.电动空调驱动压缩机系统(图5-19) 五、电动空调系统类型 7.全电动驱动压缩机 8.混合驱动压缩机形式 9.电动压缩机形式 电驱动压缩机空调系统可以采用全封闭的HFC134a (目前主 要的汽车空调用制冷剂)系统及制冷剂回收技术，整体的高度密 封性可以减小正常运行以及修理维护时制冷剂的泄漏损失，从 而减少了对环境的污染。 电动空调的压缩机靠电动机驱动，因此可以通过更加合理精 确的控制以及在常见热负荷工况下的高效率运行来降低空调系 统的能耗，从而提高整车的经济性。如表5-2所示，电动压缩机 相对于传统机械式压

43、缩机效率较高，也可以减少能量消耗。 表5-2电动压缩机与传统压缩机的比较(单位：%) 采用电驱动，噪声较低，可靠性高，使用寿命长，故障率低。 对于一体式电动压缩机，由于取消了发动机与压缩机之间的 传动带，没有了张紧件的质量，相对于传统结构减小了整车质 量。 可以在上车之前遥控起动电动空调，对车厢内的空气进行预 先调节，相比传统空调可增加乘客的舒适性。 图5-10传统汽车与电动汽车空调系统比较 a)燃油汽车空调系统b)电动汽车空调系统 1.电动空调的供电原理 图5-11电动空调供电方式 2.热电制冷空调系统 图5-12热电堆制冷量随工作电流及 冷热端温差变化 2.热电制冷空调系统 图5-13热电

44、汽车空调 系统的原理图 3.余热制冷空调系统 图5-14余热制冷装置与太阳能驱动空调系统组成图 4.电动热泵式空调系统 图5-15C热泵空调系统及其运行图 4.电动热泵式空调系统 图5-16热泵式空调系统 4.电动热泵式空调系统 图5-17HFC134a(四氟乙烷)热泵空调系统 5.电动压缩机制冷与电加热器混合调节系统 图5-18普锐斯电动空调系统 6.电动空调驱动压缩机系统(图5-19) 图5-19电动空调驱动压缩机系统 a)全电动压缩机b)混合驱动压缩机 7.全电动驱动压缩机 图5-20非独立式全电动驱动 7.全电动驱动压缩机 图5-21独立式全电动驱动 8.混合驱动压缩机形式 图5-22

45、混合驱动压缩机 9.电动压缩机形式 (1)蓄电池+调速电动机+机械压缩机这种方案是通过调速电动 机系统将电能转换为机械能，然后通过带传动方式驱动机械压 缩机工作。 (2)蓄电池+电动压缩机该方案是将驱动电动机和压缩机集合 在一起，由蓄电池提供能量，根据不同形式的电动机，可以采 用脉宽调制和变频调速方法实现电动机调速，从而调节制冷量。 (1)蓄电池+调速电动机+机械压缩机这种方案是通过调速电动 机系统将电能转换为机械能，然后通过带传动方式驱动机械压 缩机工作。 (2)蓄电池+电动压缩机该方案是将驱动电动机和压缩机集合 在一起，由蓄电池提供能量，根据不同形式的电动机，可以采 用脉宽调制和变频调速方

46、法实现电动机调速，从而调节制冷量。 对于永磁电动机，尤其是使用高磁能积稀土永磁的电动机， 电动机效率高而体积小，这有利于在汽车等结构紧凑、安装空 间相对狭小的设备上安装。 在调速方面，由于大多数无刷直流电动机采用铁硼作为永磁 材料，通常可以忽略电枢反应的影响而假定磁通为常数，于是 电动机的电磁转矩与相绕组导通期间的平均电流成正比关系。 这样，可以通过控制相电流对电动机进行调速。采用一般PWM 控制方法，可以很方便地通过改变占空比进行线性调速。这有 利于空调系统根据需要调节电动机转速，控制制冷量，节约能 源。 (2)蓄电池+电动压缩机该方案是将驱动电动机和压缩机集合 在一起，由蓄电池提供能量，根

47、据不同形式的电动机，可以采 用脉宽调制和变频调速方法实现电动机调速，从而调节制冷量。 图5-23电动空调系统结构示意图 对于永磁电动机，尤其是使用高磁能积稀土永磁的电动机， 电动机效率高而体积小，这有利于在汽车等结构紧凑、安装空 间相对狭小的设备上安装。 在调速方面，由于大多数无刷直流电动机采用铁硼作为永磁 材料，通常可以忽略电枢反应的影响而假定磁通为常数，于是 电动机的电磁转矩与相绕组导通期间的平均电流成正比关系。 这样，可以通过控制相电流对电动机进行调速。采用一般PWM 控制方法，可以很方便地通过改变占空比进行线性调速。这有 利于空调系统根据需要调节电动机转速，控制制冷量，节约能 源。 第

48、三节汽车车灯节能技术 一、概述 二、汽车照明节能技术 一、概述 二、汽车照明节能技术 1. LED技术的概述 2. LED汽车照明技术的优势 3. LED光源在汽车照明技术中的应用与发展 1. LED技术的概述 2. LED汽车照明技术的优势 寿命长，免维护。LED照明是一种几乎不发热的光源，使用 寿命可达510年，在整个汽车使用期限内有可能不用更换灯具。 LED光源受电压变化的影响远远小于普通灯泡，显示高安全 性和可靠性，而且容易控制。 无需热起动，亮灯响应速度快。普通灯泡的起动时间较长， 一般在100300ms，而LED大约只有250s。对于制动灯而言， 这样的时间差距意味着高速行驶时相差

49、47m的制动距离和大大 降低的事故发生率。 结构简单，耐振动和耐冲击性能远优于普通灯泡。 2. LED汽车照明技术的优势 体积小，设计灵活性强，环境适应性强，可以随意变换模式 和造型。 LED的冷光特性，使灯具不会因长期受热而变形，从而提高 了整套灯具的寿命。 非常节能。比同等亮度的白炽灯节能至少一半以上，它们的 能耗对比见表5-3。根据美国能源署(DOE)2003年的评估，若全 美国的汽车都采用LED车灯，每年可以节省燃料50多亿L。 寿命长，免维护。LED照明是一种几乎不发热的光源，使用 寿命可达510年，在整个汽车使用期限内有可能不用更换灯具。 LED光源受电压变化的影响远远小于普通灯泡

50、，显示高安全 性和可靠性，而且容易控制。 无需热起动，亮灯响应速度快。普通灯泡的起动时间较长， 一般在100300ms，而LED大约只有250s。对于制动灯而言， 这样的时间差距意味着高速行驶时相差47m的制动距离和大大 降低的事故发生率。 结构简单，耐振动和耐冲击性能远优于普通灯泡。 体积小，设计灵活性强，环境适应性强，可以随意变换模式 和造型。 LED的冷光特性，使灯具不会因长期受热而变形，从而提高 了整套灯具的寿命。 非常节能。比同等亮度的白炽灯节能至少一半以上，它们的 能耗对比见表5-3。根据美国能源署(DOE)2003年的评估，若全 美国的汽车都采用LED车灯，每年可以节省燃料50多

51、亿L。 表5-3汽车信号灯用LED和白炽灯的能耗对比 3. LED光源在汽车照明技术中的应用与发展 图5-24宝马汽车采用LED技术的组合仪表 1车速表2转向信号灯3仪表板信号灯区4车辆识别、主动巡航控制信号灯 5发动机转速表6油耗表7温度指示屏8里程仪9油量表10设置按钮 3. LED光源在汽车照明技术中的应用与发展 图5-25汽车中主要LED灯具的安装位置 (图片来源：中电网-电子工程世界) 3. LED光源在汽车照明技术中的应用与发展 图5-26奔驰CLS采用的全LED灯总成 第四节汽车整车控制技术 一、整车控制技术简介 二、整车控制系统的结构组成 三、整车控制器的系统结构和功能定义 一

52、、整车控制技术简介 二、整车控制系统的结构组成 1.汽车驱动控制 2.制动能量的回馈优化控制 3. CAN总线网络的调度和管理 二、整车控制系统的结构组成 图5-27整车控制器控制简图 1.汽车驱动控制 (1)实际驾驶意图识别驾驶人根据经验和路面工况，通过仪表 和对车辆运动状态的直接感觉，实时地完成车辆运动状态的调 节和控制。 (2)理想的驾驶意图车辆在行驶过程中，速度控制和转向角度 控制不相互耦合，可以分别独立进行控制，也不受路面工况变 化的影响。 (1)实际驾驶意图识别驾驶人根据经验和路面工况，通过仪表 和对车辆运动状态的直接感觉，实时地完成车辆运动状态的调 节和控制。 (2)理想的驾驶意

53、图车辆在行驶过程中，速度控制和转向角度 控制不相互耦合，可以分别独立进行控制，也不受路面工况变 化的影响。 图5-28电驱动车辆行驶的控制策略 (2)理想的驾驶意图车辆在行驶过程中，速度控制和转向角度 控制不相互耦合，可以分别独立进行控制，也不受路面工况变 化的影响。 图5-29PID控制传递图 2.制动能量的回馈优化控制 为了使驾驶人在制动时有一种平顺感，液压制动力矩应该可 以根据再生制动力矩的变化进行控制，最终使得驾驶人获得希 望的总力矩。 由于在电动汽车上没有发动机驱动液压泵，所以需要一个电 动泵提高液压。液压制动力矩是电控的，将产生的液压传到制 动轮缸上。系统采用双管路制动，当其中一条

54、管路失效时，另 一条管路必须提供足够的制动力。 为了使车辆能够稳定地制动，前后车轮上的制动力必须很好 地平衡分配。 2.制动能量的回馈优化控制 图5-30制动力与车速关系 为了使驾驶人在制动时有一种平顺感，液压制动力矩应该可 以根据再生制动力矩的变化进行控制，最终使得驾驶人获得希 望的总力矩。 由于在电动汽车上没有发动机驱动液压泵，所以需要一个电 动泵提高液压。液压制动力矩是电控的，将产生的液压传到制 动轮缸上。系统采用双管路制动，当其中一条管路失效时，另 一条管路必须提供足够的制动力。 为了使车辆能够稳定地制动，前后车轮上的制动力必须很好 地平衡分配。 图5-31再生制动系统框图 为了使车辆

55、能够稳定地制动，前后车轮上的制动力必须很好 地平衡分配。 图5-32制动力矩与制动踏板力关系图 3. CAN总线网络的调度和管理 三、整车控制器的系统结构和功能定义 1.信号调理功能结构 2.控制算法功能定义 3.外围执行机构控制及故障诊断示意图 4.整车控制器的设计基于CAN网络总线结构 1.信号调理功能结构 (1)传感器驱动包括为无源传感器提供所需的电压源或电流源， 为有源传感器提供其运转所需的特殊电路结构。 (2)信号放大为了提高模拟信号转换成数字信号时的精度，我 们希望输入的模拟信号的最大值刚好等于A/D转换设备输入范 围。 (3)隔离在测量高电压信号时，隔离电路可以保护后端设备不 被

56、意外的高电压输入损坏。 (4)信号滤波模拟信号在数字化前必须进行低通滤波，以消除 噪声和防止混叠现象，同时也可以使用信号调理模块滤除5060 Hz的工频噪声。 1.信号调理功能结构 (5)扩展通道数有些信号调理模块具有多路转换器或矩阵变换 电路的功能，可以把通道信号通道扩展至上千路。 (6)其他功能信号调理模块还可以实现信号衰减、采样同步、 频率-电压的转换等功能。 (1)传感器驱动包括为无源传感器提供所需的电压源或电流源， 为有源传感器提供其运转所需的特殊电路结构。 (2)信号放大为了提高模拟信号转换成数字信号时的精度，我 们希望输入的模拟信号的最大值刚好等于A/D转换设备输入范 围。 表5

57、-4不同类型传感器对信号调理模块的要求 表5-5信号调理模块对信号放大倍数与信噪比的关系 (3)隔离在测量高电压信号时，隔离电路可以保护后端设备不 被意外的高电压输入损坏。 (4)信号滤波模拟信号在数字化前必须进行低通滤波，以消除 噪声和防止混叠现象，同时也可以使用信号调理模块滤除5060 Hz的工频噪声。 (5)扩展通道数有些信号调理模块具有多路转换器或矩阵变换 电路的功能，可以把通道信号通道扩展至上千路。 (6)其他功能信号调理模块还可以实现信号衰减、采样同步、 频率-电压的转换等功能。 2.控制算法功能定义 3.外围执行机构控制及故障诊断示意图 (1)车速传感器(Speed Sensor

58、)提供车速信号，供VCU判断行车 状态。 (2)加速踏板开关(Accelerator)提供加速信号，供VCU判断行 车状态。 (3)钥匙开关(Key Switch)提供信号，告知VCU，当前钥匙开 关是否起动。 (4)档位开关(P,R，D)(Gear Switch)提供档位信号，供VCU判 断行车状态及电机转速输出状态。 (5)电机控制系统(MCS)提供电机电流信号,供VCU判断电机运 转时所需的转矩;提供电机温度信号，供VCU判断电机是否过热； 提供转速信号，供VCU判断行车状态。 3.外围执行机构控制及故障诊断示意图 (6)电池(Battery)提供电池系统电压信号，供VCU判断电机运 转

59、时所需的电压以及判断电池系统当前的SOC(Sate of Charge)。 (7)制动开关(Brake Switch)提供当前制动信号，供VCU判断行 车状态以及电机输出转速。 (8)组合开关(Column Switch)提供灯组控制信号、刮水器控制 信号、仪表显示信号，供VCU判断并发出执行指令。 (9)主接触器(Active Relay)主接触器工作时，接通主电源至M CS。 (10)换向接触器(Commutate Relay)提供信号供VCU判断并控 制MCS驱动电机正(反)转。 3.外围执行机构控制及故障诊断示意图 (11)直流-直流变换器(DC-DC Converter)通过直流-直

60、流变换器， 提供12V或者24V电源给VCU使用。 (1)组合仪表(Meter)VCU输出信号至仪表。 (2)PWM输出(PWM Outputs)VCU根据当前行车状态以及驾驶 人的操作动作，控制MCS驱动电机加速或减速。 (3)灯光系统(Lamp System)当组合开关有动作时，VCU驱动 车辆行驶时所需的左/右转向、远/近光、雾灯等灯光工作。 (4)刮水器系统(Wiper System)当组合开关有动作时，VCU发 出指令驱动车辆的刮水器系统工作。 3.外围执行机构控制及故障诊断示意图 (5)通信(Communication)VCU通过UART串列传输，作为VCU 数据采集与性能调校；C