（设计艺术学专业论文）电动车造型艺术与工程理论研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 2 l 世纪伊始，世界汽车工业又站在了革命的门褴上。虽然，汽车工业是推 动社会现代化进程的重要动力；然而，汽车工业的发展也带来了环境污染愈烈和 能源消耗过多两大问题。在当今世界面临能源与环境的双重危机之际，要求汽车 工业提高汽车的能源使用效率，减少污染物质的排出量。但是，仅通过改善现有 内燃机车的性能来解决这一问题是很困难的。开发电动汽车( 简称e v ，本文所 讲电动车主要就指电动汽车) 是解决这一问题的有效途径之一。为此，国家科技 部启动了十五8 6 3 电动汽车重大专项。2 0 0 3 年3 月2 7 日，总投入3 2 3 6 万美元、 为时5 年的我国燃料电池公共汽车商业化示范项目也正式启动。 进入二十一世纪，针对国内外企业不断大力发展电动车项目的现象，企业界 及学术界对电动车都投入了极大的关注。但现阶段针对电动车的研究大部分都在 工程理论和一些核心技术的研究上，忽视了作为汽车家族一员的电动车在造型艺 术上同样需要给予关注和研究。本课题研究就是要在现有的电动车工程理论和实 践基础上，以造型艺术为切入点，同时从艺术与科学的角度对电动车理论体系进 行系统研究。力图通过对电动车造型艺术与工程理论的系统研究，分析总结出电 动车的设计中造型艺术与工程的结合点。 本课题研究基于对电动车工程以及汽车造型艺术的理论成果，利用系统设计 思想以及设计方法学等，对已有工业造型设计理论和电动车工程理论的研究成果 进行必要的梳理和总结，形成比较系统的电动车造型艺术与工程的理论体系。首 先，从电动车造型艺术系统中的物因要素、人因要素以及环境要素三方面对电动 车造型艺术理论体系进行论述。其次，从电动车的能源系统、电机驱动系统、能 量管理系统和充电系统对电动车工程理论体系进行论述。另外，从设计者的视角 结合设计实践，研究电动车造型艺术与工程理论之间的矛盾关系，形成具有实际 指导意义的理论体系，为企业的设计实践提供一些可行的思路和做法，帮助企业 提高设计效果和效率。最后，本课题还结合人类行为学等理论知识综合社会发展 趋势来探讨电动车的发展趋势乃至交通体系的发展趋势。 关键词 电动车，造型艺术，工程理论 垦堡墨三查兰堡主堂堡笙苎 a b s t r a c t a tl h ef i r s tp e r i o do ft h e2 1 s tc e n t u r y , w o r l dc a r s t h ei n d u s t r ya g a i ns t a n do nt h e r e v o l u t i o n st h r e s h o l d a l t h o u g h ，t h ec a ri n d u s t r yi sa l li m p o r t a n tm o t i v et h a tp u s ht h e s o c i e t yt om o d e r n i z a t i o n h o w e v e r , t h ed e v e l o p m e n to f t h ec a ri n d u s t r ya l s ob r o u 曲t t w og r e a t e s tp r o b l e m st h a tt h ep o l l u t i o no ft h ee n v i r o n m e n ta n de x c e s s i v ec o n s u m e w i t h e n e r g y n o w a d a y s t h ew o r l di s f a c i n g t h ed u a lc r i s i so ft h e e n e r g y a n d e n v i r o n m e n t i tr e q u e s t st h ec a li n d u s t r yt oi n c r e a s et h ee f f i c i e n c yt ot h ee n e r g yo f c a r s ，a n dr e d u c ep o l l u t i o ne j e c t i n g b u ti ti sv e r yd i f f i c u l tt or e s o l v et h ep r o b l e mo n l y b yi m p r o v i n g t h ec a p a b i l i t yo fc u r r e n tg a se n g i n ec a r s i ti so n eo ft h ev a l i dp a t h st o r e s o l v et h ep r o b l e mt h a td e v e l o pe l e c t r i c i t yv e h i c l e s f o rt h i sr e a s o n ，t h en a t i o n a l t e c h n o l o g yd e p a r t m e n t s t a r t e dt h e ”8 6 3 ”s p e c i a li t e mo f d e v e l o p i n g e l e c t r i cv e h i c l e s ( e v ) o nm a r c h2 7i nt h ey e a r2 0 0 3 ，t h ec o u n t r y sf u e lc e l lb u si t e mt h a ti n p u t t e d 3 2 3 6t e nt h o u s a n dd o l l a r sf o rh o u r5y e a r sa l s of o r m a l l ys t a r t e d t ot h ep h e n o m e n o nc o m p a n i e sg o i n go nd e v e l o p i n ge vi t e m s ，a n dw i t ht h e w o r l dg o i n gi n t ot h e2 1 s tc e n t u r y ，t h ea u t oi n d u s t r ya n dt h ea c a d e m ea r ep a y i n gg r e a t a t t e n t i o n st ot h ee v b u tc u r r e n t l ym o s tr e s e a r c h e st oe va r e s t a n d i n g a tt h e e n g i n e e r i n gt h e o r i e sa n ds o m ec o r et e c h n o l o g i e s ，a n dt h et h e o r i e so fe vs t y l i n ga r t s a r en e g l e c t e d t h i sr e s e a r c hf o rt h et a s kw a n t st or e s e a r c ht h ee v t h e o r ys y s t e ma t b o t hv i e w so fa r ta n ds c i e n c eb yt h en u m b e r s ，b a s i n go nt h ec u r r e n te v e n g i n e e r i n g t h e o r i e sa n dp r a c t i c e s a n ds u m m a r i z et h er e l a t i o n s h i p sf r o mt h e s t y l i n ga r t s a n d e n g i n e e r i n gt h e o r i e si ne vd e s i g n i n g ，b ys t u d y i n gt h ea r ta n de n g i n e e r i n go fe vb y t h en u m b e r s t h er e s e a r c h p a c k su p a n ds u m s u p t h ec u r r e n tt h e o r i e sr e s u l ta b o u te v e n g i n e e r i n ga n dc a rs t y l i n ga r t s a n df o r m sam o r es y s t e m a t i ct h e o r ys y s t e mo fe v e n g i n e e r i n ga n d c a rs t y l i n ga r t s f i r s t l y , id i s c u s sa b o u tt h es t y l i n ga r t st h e o r ys y s t e m o fe vf r o mt h r e ea s p e c t s ：m a t e r i a lf a c t o r , h u m a nf a c t o r , a n de n v i r o n m e n tf a c t o r s e c o n d l y , 1d i s c u s sa b o u tt h ee n g i n e e r i n gt h e o r ys y s t e mo fe vf r o mt h e s ea s p e c t s ： e n e r g ys y s t e m ，e l e c t r i c a le n g i n e e r i n gs y s t e m ，e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ，a n d e l e c t r i f i c a t i o ns y s t e m m o r e o v e r , a tt h ep e r s p e c t i v eo fad e s i g n e r , b ys t u d y i n gt h e r e l a t i o n s h i po ft h es t y l i n ga r t sa n de n g i n e e r i n go fe vd e s i g n ，f o r mat h e o r ys y s t e m t h a tc a l lg u i d ee v d e s i g np r a c t i c e s a n do f f e rs o m ev i a b l ea p p r o a c h e sa n dm e t h o d s i i 武汉理工丈学硕士学位论文 f o rc o m p a n y d e s i g np r a c t i c ea n dh e l pt h e mi m p r o v ed e s i g ne f f e c ta n di n c r e a s ed e s i g n e f f i c i e n c y f i n a l l y , t h i sl e s s o na l s od i s c u s s e sa b o u tt h ed e v e l o p i n gt r e n d so fe va n d t h ew h o l et r a f f i c s y s t e m ，b yc o m b i n i n gt h ea n t h r o p o l o g i ct h e o r ya n ds o m eo t h e r t h e o r i e s k e y w o r d s ：e l e c t r i c v e h i c l e s ，s t y l i n ga r t s ，e n g i n e e r i n gt h e o r e t i c 1 i i 茎望墨三奎兰堡主兰垡堡苎 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景、目的及意义 1 1 1 课题研究的背景 近几十年来，人们对汽车的大量使用给环境造成了严重的污染，世界各国政 府、学术界以及工业界一直致力于研究开发和推广使用各种低排放或零排放汽 车，以解决空气污染问题。2 0 世纪6 0 年代末，美国政府率先颁布了较为严格的 汽车排放标准以来，汽车制造业一直在努力减少汽车废气的排放。与6 0 年代的 汽车相比，现在燃油汽车的非甲烷有机物和一氧化碳的排放已减少了9 6 ，氧化 氮的排放也减少了7 6 。同期，轻型货车的非甲烷有机物和一氧化碳的排放减少 了9 0 ，氧化氮的排放减少了6 7 。尽管有了如此大的进步，由于汽车总量与行 驶里程的不断增加，汽车仍然是大气的主要污染源。 今天，在汽车的生产成本里已经加入了对环境造成破坏的因素。汽车公司也 在大力开发使用新能源的汽车，以减少汽车对环境的污染。日本的丰田汽车公司 推出了种以汽油和电能为混合动力的轿车，这一汽车可以交互使用汽油和电能 源，时速可达6 6 英里4 , 时，减少了汽车尾气对城市的污染。为了更为有效地节 约地球资源，许多汽车工程师和设计师都在致力于研究完全使用电能和太阳能地 汽车。 今后的5 0 年，全球人口将由6 0 亿增加到 0 0 亿，汽车作为人们必不可少的 交通工具，也将由7 千万辆增加到2 亿5 千万辆。如果这些汽车都采用内燃机， 那所需的油从何而来? 而排出的废气又将如何处置? 因此我们必须开发清洁、高 效、智能的交通车辆，才能使2 1 世纪的交通和环境可持续发展。 新的汽车替代能源有很多种，包括混合能源、燃料电池、电、压缩空气、太 阳能以及核能等等，那么选择什么为新的汽车能源比较合适和通用呢? 对于这么 多种替代能源来说，要使之转化为车辆的动力，大部分都需要先转化为电能再来 驱动电动机。所以，实际上我们将电动车研究好了，这对将来开发可能出现的使 用各种各样能源的汽车来说，无疑也是会有极大的帮助。 实际上现在各国在这个领域研究得最多的和进展最快的也就是电动车项目。 梁梅：信息时代的设计，1 2 3 1 2 4 页南京，东南大学出版社，2 0 0 3 。 1 墨堡墨三查堂堡主堂垡堡奎 一一 作为最有发展前途的替代燃料技术，电动汽车也成为展现各个汽车公司技术实力 的旗帜。目前各国政府已认识到“电动车”的巨大前景，纷纷拨款用于技术开发， 并制订了相应的产业计划。而电动车技术的发展实际上对中国等发展中国家更有 利。理由是中国汽车工业基础、加油站基础建设还没有形成规模，完全有可能直 接跳到“电动车”时代而节省大量资金，就像中国通信没有经过有线通讯时代而 直接过渡到无线通讯阶段一样。所以，对于我们国家来说，对电动车的研究应该 刻不容缓，这将会对我国的汽车工业起到积极的作用。 目前，电动汽车项目已经得到了国家有关部门大力支持，被列入8 6 3 计划。 2 0 0 3 年3 月2 7 日，总投入3 2 3 6 万美元、为时5 年的我国燃料电池公共汽车商 业化示范项目也正式启动。 1 1 2 课题研究的目的及意义 、 进入二十一世纪，针对国内外企业不断大力发展电动车项目的现象，企业界 及学术界对电动车都投入了极大的关注。但现阶段针对电动车的研究大部分都在 工程理论和一些核心技术的研究上，忽视了作为汽车家族员的电动车在造型艺 术上同样需要给予关注和研究。本课题研究就是要在现有的电动车工程理论和实 践基础上，以造型艺术为切入点，同时从艺术与科学的角度对电动车理论体系进 行系统研究。力图通过对电动车造型艺术与工程理论的系统研究，分析总结出电 动车的设计中造型艺术与工程的结合点。 本课题研究基于对电动车工程以及汽车造型艺术的理论成果，利用系统设计 思想以及设计方法学等，对已有工业造型设计理论和电动车工程理论的研究成果 进行必要的梳理和总结，形成比较系统的电动车造型艺术与工程的理论体系。并 且以设计者的视角结合设计实 践，研究电动车造型艺术与工程 理论之间的矛盾关系，形成具有 实际指导意义的理论体系，为企 业的设计实践提供些可行的思 路和做法，帮助企业提高设计效 果和效率。同时，本课题还将结 合人类行为学来探讨电动车的发 展趋势和交通系统的发展趋势。 圈1 1 ：本田电动车最高时速3 0 0 公里 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状概述 1 2 。1 电动车( e v ) 发展简史 19 世纪末，美国新兴的工业城市迫切需要发展新型的城市交通工具，以替 代既脏又吵的火车和马车。那时，美国人拥有2 5 0 0 万匹马，而主要的个人交通 工具是马车和自行车。当时1 0 0 0 万辆既方便又安全的自行车把美国人从每天喂 养马匹中解放了出来。自行车的大量使用促进了市区道路的发展，同时也为后来 汽车工业不可缺少的冶金铸造、轴承制造、车轮工艺以及变速机构的发展奠定了 基础。 1 8 3 1 年在约亨利( j h e n r y ) 发明了直流电动机后不久，诞生了世界上第 一部电动车。而第一部真正具有实际意义的电动车是由苏格兰人德文博特 ( t d a v e n p o r t ) 于1 8 3 4 年发明的，当时这部电动车采用的能源是不可充电的简 单玻璃封装蓄电池。 1 8 5 9 年法国人普兰特( g p l a n t e ) 发明了世界第一只可充电的铅蓄电池，为 后来电动车的发展奠定了基础。而1 9 1 0 年由爱迪生( t e d i s o n ) 发明的镍铁蓄电 池一度成为电动车的主要能源。 1 8 8 1 年法国人特鲁夫( g t r o u v e ) 第一次将直流电机和可充电的电池用于私 人车辆，在同年巴黎举办的国际电器展览会上，特鲁夫展出了一辆能实际操作使 用的电动三轮车。特鲁夫的电动三轮车有两个小的转向轮和一个大的驱动轮，连 接两个转向轮的轴下面装有两个电动机，这两个电机用两根链条与大驱动轮连 接。车座后面的轴上装有6 个木盒，里面是6 节可充电电池，用来驱动两个电机。 这辆近1 6 0k g 的电动三轮车时速达到1 2 k m h ，在当时已是一个了不起的成就 了。 1 8 8 5 年，在德文博特的电动车问世半个世纪后，德国人卡尔奔驰( k b e n z ) 发明了燃油驱动的三轮车，他用火花点火来点燃压缩汽油气体和空气，制成了世 界上第一部内燃机型的汽车。一年之后，另一德国人戴姆勒( g d a i m l e r ) 制造了 第一部燃油轿车。这些发明为燃油汽车日后的迅速发展奠定了基础，成为人类汽 车史上的伟大创举。 1 8 8 8 年金鲍尔( f k i m b a l l ) 的电动轿车在美国波士顿投入了运营。而1 8 9 3 年在芝加哥的世界博览会上，电动车第一次取代了马车被用作礼宾车。 1 8 9 3 年美国人杜耶兄弟俩( f d u r y e a 和e d u r y e a ) 首先将燃油汽车投入商业 化生产，他们生产的汽车于1 8 9 5 年在美国芝加哥举办的汽车拉力赛中一举击败 武汉理工大学硕士学位论文 了奔驰汽车，而成为当时的明星汽车。这已是世界上第一辆电动车诞生半个多世 纪之后的事了。 1 8 9 5 年到1 9 1 5 年是早期电动车黄金时代。当时，美国经济正处于扩张时期， 呈现一派繁荣昌盛的气象。随着国家经济的飞速发展，美国急需寻找新型工业以 刺激经济进一步发展。电动车正是在这样的形势下发展起来的。在这个时期，电 动车占领了美国私人机动车的主要市场。 这个时期的电动车代表了当时车辆制造技术的精华。高雅的四轮轿车、双轮 轻便车、运货车都可以随时起动，加速时完全没有噪音，在欧美各大城市可以以 4 0k m h 的速度行驶，成为当时都市中的一道亮丽的风景线。 法国巴黎人克瑞基尔( k r i e g e r ) 曾为电动车的技术发展做出过重要贡献。在 1 8 9 7 年巴黎举办的汽车赛中，克瑞基尔的电动车荣获一等奖。这辆重1 1 4 7 k g 的电动车，采用了双前轮电机驱动、电动方向盘以及四轮刹车。最高时速2 4k m h ，一次充电行驶里程8 0k m 。克瑞基尔勇于创新且才华横溢，早在1 9 0 2 年他 就试验了酒精和电的混合型电动车。1 9 0 4 年他将电与汽油的混合型电动车推向 了市场，但未能成功。在1 9 0 9 年，克瑞基尔的公司破产之前，他还申请了涡轮 机和电机混合型电动车的专利，这在当时是非常先进的技术。 1 8 9 9 年，杰纳茨( cj e n a t z y ) 的“永不满足号”( t h en e v e rs a t i s f i e d ) 电 动车曾在美国创下了1 0 5 9k m h 的当时最高时速记录。 到1 9 0 0 年左右时，电动车、内燃机车以及蒸汽机车已取代了昔日的马车和 自行车成为当时的主要交通工具。在1 9 0 0 年，美国售出的4 2 0 0 辆机动车中，3 8 是电动车，2 2 是内燃机车，还有4 0 是蒸汽机车。圆到2 0 世纪初时，电动的四 轮轿车己成为纽约贵族们的宠儿。富有的家庭能够乘坐配有专职司机和跟班的豪 华型维多利亚式电动轿车出入剧院、时装商店以及其他社交场所。当时，一辆电 动轿车大约需要5 0 0 0 6 0 0 0 美金，相当于今日一辆豪华劳斯莱斯的价格。那时最 流行的车型是贝克( b a k e r ) 和底特律( d e t r o i t ) 型的电动车。1 9 1 2 年是电动车的 全盛时期，全美国注册的电动车达3 4 万辆之多，其中包括轿车、卡车等等。 早期电动车的时速通常在3 0k m 4 0k m 。由于那时的道路状况较差，城市 拥挤，并不允许车辆有太高的时速，因此那时电动车的性能足以满足人们的要求。 随着城市道路的改善，特别是1 9 1 6 年美国从芝加哥通往南部各州的州际公路的 开通，大大刺激了人们对机动车时速和行驶里程的要求，电动车渐渐难以满足这 “崔心存：现代汽车新技术，1 9 2 页，北京，人民交通出版社，2 0 0 j 。 。摧心存：现代汽车新技术，1 9 2 页，北京人民交通出版社，2 0 0 1 。 4 武汉理工大学硕士学位论文 一要求了。 电动车日渐衰落的原因是多方面的。美国人凯特林( c k e t t e r i n g ) 在1 9 1 1 年发明的燃油汽车电起动器是对电动车的重大打击之一。凯特林的发明淘汰了使 用长达2 j 年之久的汽车手摇起动曲柄，这在汽车发展史上是一项重大的革命。 电起动器的成功应用大大促进了汽车的普及，使得妇女也能够轻易地驾驶汽车。 电动车竞争不过燃油汽车的另外一个原因是它在当时无法进入乡村地区，因为那 时美国的大部分乡村地区还没有电力供应。 在1 9 2 4 年的全美汽车展中，电动车销声匿迹了，燃油汽车迎来了一个黄金 时代，而这个黄金时代一直延续到，6 0 年代末。在这段时期，除了业余爱好者 们还在锲而不舍地改装各种电动车，改善它们的性能之外，大汽车制造商们很少 再投资发展电动车了。 美国政府的高级官员6 0 年代末就曾公开指出汽车是公众健康的重大威胁。 此后于1 9 6 6 年和 9 6 7 年，美国的通用、福特和美洲汽车公司分别开发了新型电 动车，电动车进入了现代发展时期。1 9 6 7 年，美国成立了电动车协会，从此， 美国的政府部门、企业和研究机构能够在该协会的协调指导下进行电动车的研究 开发工作。 7 0 年代的一场石油危机对美国这个车轮上的国家产生了强烈的震撼，人们 不得不寻找石油以外的能源作为车辆的驱动能源。在这样的背景下，电动车复活 了。福特汽车公司开始研究先进的钠硫蓄电池。克莱斯勒与通用汽车合作开发了 e t v 一1 型电动车。除了三大汽车公司之外，许多独立的专业电动车开发公司也 纷纷成立，投入电动车的市场竞争之中。 在8 0 年代，由于石油供应充沛，油价逐步回落至7 0 年代初的水平。汽车的 燃油效率在政府的督促之下也大大改善了，因而电动车研发的动力大大减少，步 伐也显著放慢了。 1 2 2 电动车( e v ) 的特点 电动车( e v ) 与常规的内燃机车比较有以下特点： 1 效率高：现在的内燃机效率约为3 8 ，因汽车在市内行驶中有频繁的停车、 低速行驶、待信号灯等，其最终效率不过1 2 。而e v 无机器空转损失，电池的 8 0 以上的能量可由电动机转为汽车的动力，即使考虑原油的发电效率、送配电 效率、充放电效率等，其最终可得到1 9 左右的能量效率。另外，e v 在制动时有 “陈清泉詹宜巨：( 2 1 世纪的绿色交通工具电动车，1 2 1 3 ，北京，请华大学出版社，2 0 。 5 一一一 苎墨墨三查兰堡主兰垡篓奎 - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ h _ _ h _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ 一 回收能量的特点。这个比较在计算时仅以汽车行驶能量为对象，实际上电能有多 种来源方式，还需考虑制造所用能量等。 2 环境污染低：e v 在行驶中无废气排出，即使以火力发电来估计，相对于 常规汽车其废气排出量也会被大幅度减少。 3 可使用多种能源：因e v 使用2 次电力能源，其不受石油资源的限制，可 利用核能、水力、太阳能等。 4 噪音低：汽车的噪音、振动大小决定于发动机本身和行驶条件。常规汽车 和e v 比较，虽然因汽车行驶而引起的噪音、振动无显著差别，但由发动机引起 的部分e v 占有绝对的优势。 1 2 3 电动车( e v ) 研发的现状 e v 是由电池和电动机驱动。近年来，由于高性能电池的研究有了较大的进展， 出现了能在一定程度上满足用户要求的e v 。然而，e v 在价格及技术上等还有很多 待解决的课题，在性能上不如现有常规汽车，还未能普及。 1 电源技术 a e v 用蓄电池 作为e v 用蓄电池必需满足：贮能密度高( 一次充电行驶距离长) ；能量输出 密度高( 加速性能、爬坡性能好) ；寿命长；维修、保养费低；安全性高( 包括对 环境的安全性) ；价格低，有再利用性等技术要求。 现在世界很多国家政府在高性能电池开发上进行了大量的投资。美国政府能 源部和若干电力公司于1 9 9 2 年成立了u s a b c 公司联合进行新型电池的开发，目 标是2 0 0 0 年前研究开发出实用化的n i 一姗电池，在2 0 0 0 2 0 1 0 年研究开发出实 用性l i 系电池，l i f e s 2 电池等。欧洲以s a f t 为中心也在研究开发n i 一心电池 和l i i o r l 电池，同时对n i c d 电池也在进行研究开发。日本以l i b e s 公司为中 心，从1 9 9 2 年开始以1 0 年计划开发适合e v 实用的大容量l i 系电池。除各国政 府外，汽车制造业和电池制造业也联合成立了电池开发及生产企业进行积极的共 同开发。如由g m 和o v o n j c 联合成立的g m o v o n i c 公司( 开发n i 一瑚电池) ，由 丰田和松下联合成立的p a n a s o n i ce ve n e r g y 公司( 开发n 卜m 电池) ，日产和 s o n y 在共同开发l i i o n 电池，b e n z 和b a l l a r dp o w e rs y s t e m 在共同开发燃料 电池等。 、 b 燃料电池( f u e le e l l ：f c ) f c 是以燃料的电化学反应发电，只要不断提供燃料就可以不断发电，它具 武汉理工大学硕士学位论文 有发电效率高，低噪音及低公害等特点，作为将来的汽车电源可解决蓄电池的一 次充电行驶距离短等问题。近年，b a l l a r d 、b e n z 、丰田等汽车公司正在对其加 强研究开发并有所进展。各大汽车公司相继公布了将在2 0 0 3 至2 0 0 5 年燃料电池 电动汽车将投入市场。但是，现有水平的燃料电池单位体积的能量密度较低，体 积较大，今后要求其小型化、造价低、负荷变动性强、改善出力密度等。 c 太阳能电池 太阳能电池汽车无公害，而且利用取之不尽的太阳能资源，是最理想的e v 用电源。但太阳能电池的性能低，实用受天气的限制，对要求在各种环境下实用 汽车来说，作为主电源利用的可能性不大。 d 超电容器 超电容器虽不是电池，但因可辅助提高蓄电池或燃料电池在快速起动时的输 出密度，而且在汽车制动回收再生电流时可对短时间大电流急速充电起缓和作 用，所以也受到注目。超电容器的问题也是能量密度低( 比铅酸蓄电池小一个数 量级) 。最近日本和美国都在研究开发高能量密度的超电容器。 e 飞轮( f w ) - 飞轮的输出密度大，所以，它适合于加减速时的能量贮放，但其存在机械磨 损、单位重量密度低等问题。各种能量贮藏形态的贮能密度大小顺序是：汽油 甲醇 h 2 燃料电池 z i n c a i r 电池 l i 系电池 p b 系电池 飞轮 电容器。从能量输 出密度来看，飞轮和电容器的能量输出密度是p b 系电池的1 0 倍以上。现在开发 中的e v 与常规汽车相比有一次充电行驶距离短，加速和爬坡性能差，充电时间 长，需要大量的电池而使车辆性能和居住性恶化等问题，这些问题的解决都取决 于电池技术的发展，不改善电池性能，就不能改变e v 的现状。近年来，随着高 强度复合材料和低耗轴承的发展，以及电动车应用的需要，超高速飞轮技术再次 成为研究的热点。 2 驱动系统的技术 动向直流电动机适合于用作驱动电机并且其控制系统比较简单，但缺点是价 格高，重量大，而且回转部分的惯性是相同容量交流电机的3 5 倍，因此对于 需要频繁加减速的汽车来说，在加减速时回转部分的惯性将使能量消费大，所以 仅在部分轻型级e v 上被采用。作为e v 的驱动系统，交流电动机是最佳的选择， 电动机的最高效率已达9 6 ，并且其与变速机的优化系统也已开发成功。 3 其它相关技术的研究动向 a 控制系统：g v 的一个主要的优点是，电动机可以作为发动机在制动时把车 茎堡望三查主堡主兰垡笙苎 辆的运动能再生为电能回收，通过这一制动再生可节省能量，并使e v 的一次充 电行驶距离增加1 0 2 0 ，但是，因存在对满量电池的过充电及急速充电等问题， 使电动机和蓄电池的工作条件变得很复杂，对控制系统也提出了很高的要求。为 解决这些问题，现在的e v 多采用机械制动机( 油压) 和再生制动机( 电) 进行 权衡性控制的方法，并取得了很好的效果。例如丰田公司采用这一再生制动方法 的e v r a v 4 使得一次充电行驶距离提高了2 0 。 b 充电系统：短时间高效率的充电系统的开发也在受重视。现在的e v 均需 装备专用充电器，所以，充电器的通用化、充电控制系的规范化、充电联接器的 标准化等也是影响e v 普及的重要问题。为彻底消除用户触电的危险性，电磁诱 导非接触式充电器的开发在受重视。 c 空调系统：汽车的空调一般需要3 5 k w 的电力，特别是在夏季它将消费 汽车动力的1 0 2 0 ，所以，空调装置也是e v 开发的重点之一。丰田公司开发 的r a v 4 e v 采用循环室内空气，只在车窗部分通入新鲜空气消除车窗成雾的全新 空调系统，在一1 0 4 0 的外气温范围下成功地把电力消费控制在i k w 以下。 1 2 4 将工业设计创意引入到我国的电动车开发中来 在电动车的开发中，设计师关心的不仅仅是该汽车产品的外表，还必须考虑 到诸如产品特征、可制造性、成本、使用方便性、以及市场适应性等等。如果说 工程师的工作就像用砖块砌墙一样堆积设计元素，那么可以说设计师则是以完整 的形式来展示产品，尽管设计的每个元素也许有些模糊，但它必须将自己的想法 和创意融入自己的设计创造中去。那么我们所说想法是什么呢? 实际上就是：汽 车产品中蕴含着的生活文化和社会文化。我相信，面向二十一世纪的汽车设计必 能将提高大众生活质量和生活文化水平。 虽然我们刚刚进入2 1 世纪，但是我们实现梦想的时刻即将到来! 我想看到 的是：好的汽车产品不仅仅能缓解人们生活的压力，而更多的赋予生活一种积极 的态度。作为一个设计师，我希望人们只要对我的作品看上一眼，眼前便呈现一 个美好生活的画面。 事实上，要将这种“美好生活”的梦想转化为现实更需要令人惊异的新技术， 但是它绝对不需要利用技术制造“令人惊异”的产品或“令人惊异”的生活，因 为人们并不是在生活中寻求“1 惊异”。当然，我们的责任是在设计新产品的同时， 帮助人们对产品拥有“惊鸿一瞥”的满足感，这有助于鼓励人们积极生活。 设计师的工作是创造未来生活的方式。因此，追求耐看、耐用和值得拥有的 茎堡墨三查堂堡主堂竺堡茎 一 汽车应该是每一位汽车设计师的指导思想。 我国地大物博，文明历史悠久，不乏创意题材，而在我国汽车业中工业设计 创意还是显得很缺乏，电动车的研发中更是严重。我们的汽车设计知识的相对缺 乏，没有综合的知识技能，设计者不敢创意，只停留在模仿阶段。后备人才、全 面人才缺乏。高校设计专业知识陈旧，跟实际汽车工程连接不上，更不用说接触 世界前沿的汽车科技了。即使有设计创意，却因为有条件限制或者不能创造条件 去实践，胎死腹中。对比联想电脑、海尔家电等电子家电行业设计的水平，我们 汽车工业的工业设计只能是甘拜下风。整个我国的汽车工业，投入的不少，百多 家整车厂，可是有坚持自主研发的并没有几家。多数企业把汽车当成赚钱的机器， 就没有了激情去攻关创造维护自有的品牌。没有积极的研发态度，当然就没有新 技术的创新，所以只能永远步人后尘。 因此，我们必须看到自己与汽车发达国家之间的差距，觉醒起来，共同努力， 坚持将工业设计的创造性思维应用到电动车乃至整个汽车行业中。提高我国电动 车的设计水准，创造自己的设计品牌，为人类提供更完美更人性化的生活方式， 最终提升我国汽车行业在国际舞台的整体形象。 1 , 3 研究的主要内容 1 3 1 电动车造型艺术理论体系 1 电动车造型艺术系统中的物因要素 电动车作为一个工业产品首先需要满足物质技术条件，在物质层面上，最为 主要的也是研究得最多的是车用材料和汽车的空气动力学两个部分。在这里，我 们从车用非金属材料、车用塑料、车用涂料以及车用橡胶等四部分进行车用材料 的论述；并且论证空气动力学与汽车造型之间的矛盾关系以及汽车空气阻力和气 动升力的原理。 2 电动车造型艺术系统中的人因要素 电动车作为种为人使用的特殊产品必然存在着人因要素，它必须满足人类 一定的功能需求，并且在人在使用时应该具有良好的人机工程性能。在这里，我 们通过人的基本功能和附属功能两个方面对人的功能需求进行论述；从人体视觉 特征、人体形态特征、人体力量特征和人脑特征四方面对电动车造型设计中的人 机工程学进行探讨：另外，通过分析v o l v o 公司的汽车座椅开发的实际案例，总 结成功的人机工程应用案例所具有的特点。 9 武汉理工大学硕士学位论文 3 电动车造型艺术系统中的环境要素 不同的使用环境必然需要具有不同特性的电动车产品，不论是自然环境还是 社会环境。通过从自然环境和社会环境两个层面系统地分析不同环境对电动车造 型设计的影响。 1 3 2 电动车工程理论体系 1 电动车的能源系统 能源系统被看作是电动车的血液，电动车能源系统的体积、重量、形状和技 术参数，决定了电动车的行驶性能，是电动车最重要的子系统。 在该予系统中，我们将从电动车的能源特点、电动车的能源目标、其他新兴 电动车的能源系统和混合型电动车的发展四部分讲述电动车的能源系统。 2 电动车的电机驱动系统 电机驱动系统被看作是电动车的心脏，它的任务是在驾驶员的控制下，高效 率地将蓄电池的电能转化为车轮上的动能，或者将车辆上的动能反馈到蓄电池中 去，它也是电动车十分重要的一个子系统。 我们将从电动车用电动机技术的发展概况、几种电动车的驱动电动机以及用 再生制动技术弥补蓄电池的不足三个部分讲述电动车的电机驱动系统。 3 电动车的能量管理系统和充电系统 如果我们说电机驱动系统是电动车的心脏，则智能化的能量管理系统无疑就 是电动车的大脑。包括电动车的主能源、辅助电源、充电系统、能量显示系统、 驱动系统、车辆辅助系统等系统在内的整个动力系统都在能量管理系统的控制之 下。能量管理系统担负着维持电动车所有的蓄电池组件工作处于最佳状态：采集 车辆的各个子系统的运行数据，进行监控和诊断；控制充电方式和提供剩余能量 显示等职责。 对于电动车而言，蓄电池充电系统是不可缺少的。它的功能是将现有电网的 电能转化为电动车的车载蓄电池的电能。对于电动车项目而言，完善的充电系统 关系着电动车发展的商品化程度。 1 3 3 电动车设计与开发 1 汽车设计行业概况 在这一部分，我们将从汽车设计业的诞生、汽车设计业的发展历程和现况以 及汽车设计公司的主要业务三部分讲述汽车设计行业的基本概况。 武汉理工大学硕士学位论文 2 电动车的设计开发流程 作为汽车系统中的一个子系统，电动车的设计开发流程和传统的燃油汽车的 开发流程基本一致，大都是按照以下程序来进行： a 项目可行性探讨 b 造型设计 c 三维数据建立( 或三维坐标测量) d 工程设计 e 原型测试( 或c a e 分析) f 产品工程 g 产品试制 h 设计完成 1 _ 3 4 电动车的发展趋势 人类生活方式在不断地发展变化着，所以对人类生活方式发展的研究，也就 影响到对电动车的发展方向的研究。 在这一部分，我们将从人类生活方式的发展影响电动车的发展方向、电动车 基础设施系统设计与建设以及未来的交通系统( 智能交通系统) 三个部分探讨电 动车的发展趋势。 1 3 5 案例分析 在此部分，我们将理论联系实际，分析四个电动车设计的案例。 1 本田i n s i g h t 混合动力车 2 丰田p r i u s 混合动力车 3 电动g o l f 球车设计( 创新实验作品) 4 - g e r m a n t e n t ”概念车设计( 2 0 0 5 米其林汽车设计挑战赛获奖作品) 1 1 茎堡里三奎兰堡主堂垡堡苎 一一一 第2 章电动车造型艺术理论体系 2 1 电动车造型艺术中的物因要素 2 1 1 电动车涉及到的材料 新材料的应用对于汽车设计与工程来说，始终都是人们所追求的。如今每年 许多汽车公司都会推出各式各样的概念车，其中就会有很多新材料在车上的大胆 运用。它们一般都会具有独特的使用及视觉效果，或能减低生产成本或能减少污 染等，只要它们一旦得到社会的积极反映，就会有可能被运用到之后推出的量产 车之中。这样人们也就会很快感受到新材料在汽车上的运用带来的舒适感受。 1 汽车用非金属材料 a 非金属材料特点 质量轻、耐腐蚀、电绝缘性好、耐磨、消音、吸震 b 非金属材料分类 按材料来源分：天然材料( 木材、棉、麻、丝、皮革) 人造材料( 合成橡胶、合成纤维、塑料) 按化学成分分：有机高分子材料 无机非金属材料( 陶瓷、玻璃、石棉) 2 汽车用塑料 塑料是以天然或合成树脂为基本原料，在一定的温度下成型，并在常温下 形状保持不变。 a 组成：树脂( 起结作用) 添加剂：+ 填料( 增加塑料性能) ：纤维、布料( 增强机械强度) 石棉( 增强耐热性能) 云母( 增强电绝缘性) 石墨( 增加耐磨，降低成本) t 增塑剂( 可塑性、柔软性) 固化剂( 硬化) + 稳定剂( 防老化、防变型) + 润滑剂( 易脱膜) 1 2 墨坚堡三查兰至主堂垒兰兰一 s 发泡剂( 做泡沫塑料) 一着色剂( 色彩) b 分类： 按热性能分：热塑性塑料( 多次反复加热应有可塑性) 热固性塑料( 一次加热变软，固化，将不再熔融) 按使用性能分：通用塑料( 产量大、价格低、用途广) 工程塑料( 机械强度高，可替代金属) 特种塑料( 特殊功能的塑料) c 各种塑料在汽车上的应用 名称 主要使用部件 聚乙烯( p e )制动液储池、暖风道接头、坐垫靠垫嵌条、空气导管、挡 泥板衬里、车门内衬等 聚氯乙烯( p v c )排油管、车外表皮、车顶衬里、车门内表皮、防撞垫等 聚苯乙烯( p s )仪表外壳、汽车灯罩、仪器指示灯罩、储酸槽、其它无线 电外壳等 a b c 树脂车内电话机外壳等 聚碳酸酯( p c )汽车保险杠、后灯、仪表板、门把手、齿轮、凸轮、轴轴 承等 聚酰胺( p a )轴、轴承、齿轮、管子阀门、密封垫、储油容器、电池 箱、电缆等 聚甲醛( p o m )散热器排水管阀门、散热器箱盖、燃油泵、排气阀、油门 踏板、风扇、空压机阀门、照明开关、组合开关、开关手 柄、遮阳板托架、门锁、车窗玻璃框架、车厢铰链、转向 节轴承、方向盘零件、制动器零件等 聚对苯二甲酸乙配电盘罩、发火线圈、阀门、雾灯支架等 二醇酯( p e t ) 聚玎零一申睃j 天窗、挡泥板罩等 二醇脂( p b t ) 聚四氟乙烯 车身侧面装潢、装饰性标记等 ( p t f e ，f - 4 ) ( 俗称塑料王，具有耐侯性、耐紫外线) 聚苯醚( p p o ) 仪表板、汽车窗框等 表2 - 1 ：熟塑性塑料在汽车上的应用 1 3 茎墨墨三茎堂堡主兰堡笙苎一 名称 主要使用部件 环氧树脂( e p ) 汽车车身 酚醛塑料( p f ) 刹车片 不饱和聚酯树脂( u p )车身件 氨基塑料( u f )照明设备零件外壳贴面 有机硅聚合物( s i ) 电动机 表2 2 ：热固性塑料在汽车上的应用 3 汽车用涂料 涂料的旧时称为油料( 以植物油为主) 。目前，通常是有机涂料，是以各种 有机合成树脂为原料。汽车涂料的功能主要是保护和装饰的作用。 分类：根据形成漆膜的工序分：底漆、中间涂料、面漆。( 各自使用部件如 1 汽车用底漆2 中间层涂料：3 面漆：( 磁漆) 铁红醇酚醛底漆( 车身)通用底漆氨基树脂面漆 铁红醇酚醛电泳底漆( 覆盖件、翼子板) 腻子 丙稀酸树脂面漆 铁红醇( 车身、铸件)二道浆 聚氨基甲酸脂 封底漆醇酸树脂面漆 硝基树脂面漆 表2 - 3 ：汽车用涂料的分类 4 车用橡胶 车用橡胶主要分为：丙烯酸脂橡胶( a c m ) 、丙烯酸乙酸橡胶( a e m ) 、丁二 烯橡胶( b r ) 、氯化聚乙烯橡胶( c m ) 、环