​十问十答:电动汽车为何频频失控?汽油车会更靠谱吗?

36氪的朋友们2021-04-29
从技术角度切入,解读特斯拉在自动驾驶、失控、刹车失灵等问题。

编者按:本文来自微信公众号“腾讯科技”(ID:qqtech),作者:王雯雯,36氪经授权发布。

特斯拉最近被频繁维权,上海车展女车主维权事件还在不断发酵,这引发了很多人对于特斯拉失控、刹车失灵等问题的担心,到底特斯拉的刹车问题是不是真的存在隐患,而特斯拉给出的数据到底说明了什么?

特斯拉

腾讯新闻《十问十答》栏目本期邀请能源与交通创新中心(iCET)清洁交通高级经理王雯雯,从技术角度切入,解读特斯拉在自动驾驶、失控、刹车失灵等问题。

Q1:特斯拉最近一年频繁被曝光车辆失控,电动车加速快的特性被反复提及, 电动车和传统汽油车在驾驶模式和体验上有什么差别?

与传统汽油车相比,电动汽车具有加速快、操作轻便、使用成本低、静谧性好、 无汽油味、无尾气等优点,当然也有充电便利性低、充电时间⻓、购置成本高、续航受温度影响大等不足。

电动机的动力输出特性与汽油发动机不同,汽油发动机需要到达一定转速才能输出最大扭矩,而电动机不需要,只需在启动后将踏板踩到底,就可以立即输出最大扭矩,这也是很多高性能电动汽车加速非常快的原因。目前百公里加速最快的车(包括跑车在内),特斯拉排在第一名(特斯拉Model S 2021款 Plaid版,0到100加速时间为2.0秒)。大部分电动汽车百公里加速都能在10秒内完成,一些新的车型则能在5秒内实现0-100KM/h的加速。

电动汽车与传统汽油车的差异主要源于工作原理和结构上的不同,传统汽油车使用的是发动机和变速箱,电动汽车则使用电动机并且没有变速箱。传统汽油车轿车的发动机通常安装在车头的位置,电动汽车的电池组一般安装在底盘(部分安装在车尾),所以一般电动汽车重心比较低,且底盘比较怕磕碰;此外,电动汽车四驱与汽油车四驱的概念也是不同的,四驱的电动汽车是指前后双电机,即在前轴和后轴都有电动机,汽油汽车的四驱则是指通过特殊的传动装置把动力分配到4个轮子上。

同时,在成本差异上,无论电车采用快充还是慢充,电费与油费相比价格都要低很多,所以在使用环节电动汽车的成本也比汽油车要低很多,更具备经济性;而在续航能力上,电动汽车的续航里程主要取决于整车质量和车载电池容量,但同时受环境影响也较大,不同工况环境会使电动汽车呈现不同的续航能力,而传统汽油车的续航基本取决于整车的质量与油量,受低温等环境影响比电动车要小得多。

从出行便捷度上看,如果需要跑长途,汽油车出行途中有较多加油站可供选择, 基础设施也较为完善;但是电动车的⻓途行驶需要考虑沿途充电站的数量和充电时⻓,现在的配套设施尚不完善,很容易引起“里程焦虑”。

最后,从噪音的角度看,电动汽车行驶时车内的静谧性好,因为电动机运行时不会产生多余的噪音和抖动,而汽油车运行时则会有更大的噪音和抖动,车内静谧性不如电动汽车好。

Q2:对于电动车来说,它是依靠一套什么样的软硬件系统对车辆进行控制的?

三电系统是纯电动汽车区别于传统汽油车的最核心的技术,包括其电驱、电池和电控系统。

动力电池即高压电池(区别于低压电池“小电瓶”),它为电动汽车提供能量来源,动力电池系统通常由电芯、电池组、电池管理系统、冷却系统、高低压线束、保护外壳和其他结构件构成。

电驱系统包括传动机构、电机、逆变器。电机系统,区别于传统汽油车的发动机,是电动汽车的动力系统,决定电动汽车的加速快慢,一台车可以搭载数台电机,目前电动汽车搭载的电机有三种:直流电机、永磁同步电机、交流感应电机。

电控系统包括整车控制器、电机控制器和电池管理系统。整车控制系统主要是采集电⻔、制动踏板等信号,并且做出相应的指令,和传统汽车的整车控制系统差别并不是很大;电机控制器的作用主要是接收整车控制器的扭矩报文指令,进而控制电机的转速和转动方向;电池管理系统即BMS,主要是监测和管理电池的状况,包括电池物理参数实时监测、在线诊断与预警、充放电与预充控制、均衡管理和热管理等。

Q3:特斯拉失控事件频发背后,其被要求提供的行车数据都包括什么?

行车数据是指汽车在运行过程中产生的一系列参数,比如汽车启动与关闭时间、电机运行状态、持续工作时间、车辆的行驶速度、动力电池状态、电控系统运行状态、 转向⻆度、制动系统工作状态、各附属件运行状态、车辆的实时位置、行驶轨迹等。

Q4:为什么特斯拉不愿意将这样的数据对外公开,全球其他车企也有类似的数据记录机制吗?

车企掌握了第一手的行车数据,电动汽车的运行数据以及充电过程数据都由车企采集并统一管理。国家质量监督检验检疫总局国家标准化管理委员会在2016年发布了《电动汽车远程服务与管理系统技术规范》,即GB/T 30960-2016,规定了我国电动汽车车载终端数据需由车企上传到国家及地方监管平台,具体传输参数类型及通讯协议也需要同步上传。因此,新能源车企都搭建了自己的车辆运行大数据平台,而国家及地方平台更多关注的是运营性质车辆,如公交车、出租车、物流车等,起到运行监督与管理,以及安全预警等作用。

国际上其他车企同样也是有监控平台,实时跟踪车辆运行情况,以便于更好掌握汽车实际表现及故障发生情况,更好改进后期产品。

传统汽油车同样也可以获取行车数据,比如可通过OBD系统(On Board Diagnostics),也就是车载自动诊断系统采集。这套系统能在汽车运行过程中实时监测发动机电控系统及车辆其它功能模块的工作状况,如有发现工况异常,则根据特定的算法判断出具体故障,并以诊断故障代码的形式存储在系统内的存储器上。系统自诊断后得到的有用信息可为车辆的维修和保养提供帮助,维修人员可以利用汽车原厂专用仪器读取故障码,从而可以对故障进行快速定位,以便于对车辆的修理,减少人工诊断的时间。同时,OBD也会采集汽车尾气排放达标情况,如果超标则会立刻发出预警提示。通常在对汽油车进行年检的时候会把OBD作为排放是否达标的依据参考。

Q5:有人解读过特斯拉公布的这组数据,其中对于刹车系统的问题提出了多方质疑,重点在刹车距离、热效应、ABS介入滞后等,这些数字到底反应了什么问题?

根据特斯拉公布的数据显示,23秒17踩下制动踏板,踩踏板前车辆时速118.5KM/h;25秒74前轮ABS触发,26秒09后轮ABS触发,此前时速降到94KM/h;26秒39自动紧急制动激活,26秒40前撞预警信号激活,此时车速为74KM/h;27秒67发生碰撞,碰撞前车速48KM/h;在这个过程中制动主缸压力是在持续上升的。从数据来看刹车系统的硬件工作是正常的,但ABS的触发时间较长。

ABS触发后,制动距离取决于摩擦系数及车速。制动距离S=速度V^2/(2μg),μ为轮胎与地面之间的摩擦系数。所以如果ABS触发后车速很高,那制动距离就会较长。

刹车、动能回收与ESP(ABS)间的关系也是需要考虑的。电动汽车的制动实际上是由动能回收和刹车装置两部分共同作用,而刹车初段往往更多靠动能回收,在车辆快要停下或者大力制动时,刹车系统的比重变大。而且在动能回收时,一旦ESP(ABS)介入,系统会第一时间取消动能回收。所以有时在湿滑地面或过减速带时踩刹车,会出现车辆突然”加速前窜“的情况。

对于此次事件,为何ABS触发时间这么长,是踏板踩踏力度不足,还是踏板已经锁死无法用力,这都还需要通过更多信息来评断。

Q6:特斯拉国产Model3刹车故障投诉频发,它的刹车系统与传统汽油车刹车有什么区别?

Model3使用的刹车助力系统是博世的ibooster。传统刹车助力泵依靠真空负压提供刹车助力,从而作用于刹车卡钳,ibooster则是用电机直接驱动液压缸作用于卡钳,目前市场上很多车型都在使用ibooster刹车系统,理论上它并不会轻易失效,但也曾经发生过因 ibooster软件的缺陷导致某品牌汽车大范围召回的情况。

当前行业上普遍采用SOA架构(Service-Oriented Architecture)来操控车辆服务指令,也就是把车上各个底层的控制器集中,由中央控制器来管控。以刹车指令为例,ibooster控制器提供刹车服务,刹车踏板通过给出电信号来向中央控制器请求刹车服务,中央控制器在收到请求后根据判断会向 ibooster发出制动指令。至于施加多少制动力,则由中央控制器根据当前车速等经过计算后得出。非SOA架构下的汽车,刹车踏板会直接给ibooster刹车信号,由ibooster自己判断关于应该施加多少制动力这一点,据了解,特斯拉的软件架构是SOA化的,博世为其提供全套硬件和开发协助,特斯拉自己完成具体软件逻辑部分。一旦软件中产生BUG,就有可能直接引起车辆的某些功能失效。刹车失灵,很可能是由于ibooster没有收到正确的指令从而没有给出正确的制动力。

Q7:还有人将特斯拉事故中超速归结于单踏板模式带来的潜在问题,特斯拉推崇的单踏板模式到底是什么?

俗称的单踏板模式也就是电动汽车上的动能回收体现,在行驶中松开油⻔时会起到一个刹车的效果,将多余的动能转换,进行反向的充电,但它并不能替代刹车。

在传统汽油汽车上,当车辆减速制动时,车辆的动能通过制动系统以及轮胎与地面之间的摩擦转变为热能,并释放到空气中。而在电动车上,这部分被浪费的动能可以通过能量回收技术转变为电能储存在电池中,并进一步转化为驱动能量。相比于传统汽油汽车, 电动汽车因为本身就装备了大容量电池组,回收后的能量也有了去处,这也是为什么大部分电动车都采用了能量回收技术的原因。开惯了汽油汽车,再开电动汽车,刚开始会有不习惯的情况,同样,习惯了电车的“单踏板”,再开回油车也会不适应。

Q8:目前看单踏板模式存在哪些隐患,这种隐患应该如何借动能回收带来的续航增加平衡?

现在电动汽车都能选择不同档位的动能回收,分别适用于不同的驾驶环境和驾驶习惯,所以并不是用越强的档位就越好。

如果驾驶习惯比较平稳,掌握好不踩油⻔进行滑行的距离,其实没必要开启强回收,因为能量回收的过程中同样存在损耗,电动机的能量转换效率,电池充电放电的效率,都不是100%,这些能量用于滑行的话,其实利用效率会更高。反之,如果喜欢激烈驾驶,频繁急加速和制动,就需要选择高一些的能量回收等级,这样可以回收一部分本来浪费在刹车制动上的能量, 达到更好的节能效果。

能量回收强度的选择和路况也有一定的关系。城市路段和拥堵路段更适合使用能量回收,因为市区行驶经常走走停停,制动频率很高,开启高强度动能回收可以有效利用制动时浪费的能量,并且可以利用动能回收来控制车速。而在高速公路上行驶时,则需要相对匀速地行驶较⻓距离,能量回收就无法起到很好的节能效果,还可能会影响驾驶和乘坐的舒适性。至于在山区路段,如果有需要持续制动的⻓下坡,就有机会回收比较多由重力产生的能量,甚至可能会出现剩余续航里程越跑越多的情况。但如果遇到上坡需要一直加速, 能量回收就几乎无法发挥作用了。

Q9:我国工信部目前对于电动汽车的质量审核标准和普通汽油车有无区别?

二者有一定区别,所有机动车都需满足工信部机动车的准入标准,但考虑到电动汽车的特性, 针对电动汽车,工信部专⻔出台了系列标准和规范。

鉴于近几年频发的电动汽车安全事故,工信部组织制定的GB 18384-2020《电动汽车安全要求》、GB 38032-2020《电动客车安全要求》和GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》三项强制性国家标准,由国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会批准发布,于2021年1月1日起开始实施。这也是首批电动汽车强制性标准。

这三项电动汽车安全标准,覆盖了电动汽车和电动客车的部件、系统以及整车多层次安全要求,主要内容与联合国电动汽车安全全球技术法规(UN GTR No.20)全面接轨,部分检测指标比国际法规更加严格。

《电动汽车安全要求》主要规定了电动汽车的电气安全和功能安全,重点增加并强化了热失控报警和整车防水性能要求,以降低火灾、遇水等情况下的安全⻛险。

《电动客车安全要求》针对电动客车载客人数多、使用强度高等特点,在《电动汽车安全要求》标准基础上,对内饰阻燃、车辆结构、充电系统、整车控制、系统防水等方面提出了更严格的要求。

《电动汽车用动力蓄电池安全要求》主要规定了动力蓄电池的机械安全、电气安全和功能安全,测试项目涵盖机械冲击、模拟碰撞、湿热循环、外部火烧、振动泡水、外部短路、过温过充、系统热扩散等各种安全场景。

新标准的实施进一步保障了驾乘人员的生命安全。

从电磁辐射安全的⻆度,国家针对电动汽车也增加了相关的测试规范。我国出台的电动汽车电磁辐射测试就是一项专业的测试,考虑到电动汽车内部有大功率的整流逆变器件,电压高电流大,容易产生低频电场及磁场的辐射,早在2008年我国就发布了GB/ T 18387《电动车辆的电磁场发射强度的限值和测量方法》,测试频段要求为150kHz- 30MHz。在此项测试上,我国比欧洲国家更早提出要求。

此外,中国于2018年发布了GB/T 37130-2018《车辆电磁场相对于人体曝露的测量方法》,主要参考了国际非电离辐射防护委员会的导则,明确了电动汽车需要测试的位置,包括驾驶员及乘客的头部、心脏、生殖器等重要部位,对电动汽车人体电磁防护提出了更具体详细的要求。

Q10:我们国家目前有没有关于电动车驾驶模式的完整的体系规范, 未来有无可能电动车驾驶会成为驾驶培训的一项专门必修课?

目前尚未有针对电动汽车的驾驶操作规范,但是各车企在售车时会给消费者发送驾驶电动汽车的注意事项,提醒操作要点等。

同时现阶段我国驾校并没有专⻔针对电动汽车的相关培训课程或指导资料,部分驾校会采购一些二手电动汽车作为训练用车,但由于续航里程及充电时间的限制,并未大规模采用。考虑到电动化的大趋势下,未来电动汽车是很有可能替代汽油车作为训练车辆的。

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