未来电动汽车新产业链的理想运行模式探讨

作者:王贵明 王金懿 文章来源:浙江工业大学机电学院 华数数字电视交通节目部 发布时间:2011-05-05
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Mini-Elec电动微型轿车造型

综合运用汽车、电机和控制三大基础理论,本文提出基于四大基础部件的电动汽车最佳结构。汽车业应联合电机、电控和电子等行业,共同协作潜心于核心技术及其基础研究,制定最佳结构的各零部件标准化。

引言

电动汽车是节能环保的未来汽车已被世界所公认,为此各国均已投入大量人力、物力掀起了研发电动汽车热潮,全球各大汽车企业都在为尽快掌握其核心技术而努力。但由于电动汽车结构或其产业链发生了本质变化,需要更多的电机、电子及电池等技术行业来共同参与,并且其性价比要真正能被广大民众所接受,这就要求其各部件尽快标准化,以专业化流水线方式生产。发展电动汽车,对于我国来说确是赶超世界领先的极好机遇,但也更须实现跨行业间的联合协作。

电动汽车分为纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池汽车三大类,而且都要用电机作驱动,因此发展电机技术是基础之基础。发展混合动力电动汽车相对我国技术优势不大,成本也总难降下来。燃料电池汽车虽是理想目标,但目前在氢原料上有待做大量研究提高。而抓好纯电动汽车技术基础即可利用我国在市场、资源和技术三大优势:纯电动汽车主要存在能量不充裕的特点,特别适于制作微型车(见图1),而我国家庭也正呈小型化结构,随着生活水平提高私家车销量将占最大部分;作为车载能源蓄电池最具发展潜力是锂电池,而材料锂的储存量约一半在我国,我国已成为世界第一电池大国;对电动汽车电机驱动最具发展前途的应是轮毂电机,而轮毂电机目前又在我国应用最多,我国处于技术领先且产销量占全球90%的电动自行车均应用了轮毂电机,按技术发展需先易后难、循序渐进,这即为纯电动汽车发展打下相应基础,但在电动汽车上应用关键还需在增大功率和提高性能上下功夫,为此曾提出了两项改进的中国发明专利。

尽管对我国应优先发展哪一类电动汽车曾有较大争议,但随产业发展必将逐渐趋于一致。笔者一直认为对纯电动汽车应先着力于微型车研发,对载重量较大的才需考虑混合动力电动汽车。而且针对我国私家车销量将会持续看好,并由此引起对交通的巨大压力,结合我国家庭呈小型化,特提出节约交通资源1倍多和能源20多倍的节源环保型三人座电动微轿车作为普及型私家车,按交通现状和私家车普及趋势,应改变将私家车当作显耀富贵身份像征的奢侈品观念,私家车仅作为便捷性交通工具,需从提高人均交通资源利用率来考虑车型。近来也已有多位院士、专家学者提出须将纯电动汽车发展上升为国家战略,通过政策支持优先助力具基础技术并在我国有优势的纯电动汽车早成产业化。

为此,本文以阐述纯电动汽车为主,意欲通过分析电动汽车应有的最佳结构与其新产业链相关行业应采取的最佳生产方式,以及各行业间如何能按最佳运行模式来极大提高电动汽车性价比。

电动汽车现有研发、制作模式的弊端

分析比较现所研发的众多电动汽车,其结构均沿袭传统的设计模式,即未能从发挥电机驱动的优势来对结构作突破性改进。其最大特点是为满足车速、加速及续驶里程等指标,增大了电机功率和蓄电池容量。按车辆动力学可知,汽车的滚动阻力、爬坡阻力和加速阻力均与车载质量成正比。车载自重的增加不仅使原本为改善汽车动力性能而增大的电机功率和蓄电池容量都大打折扣,也使其性能变差,大量车载自重增加失去了小轿车轻便灵活应有的优势。该车为满足大量电池的空间布局,增大了车身尺寸和车内地板高度,外观看似大气而豪华,但车内地板的增高既影响乘坐舒适性,也增加了风阻,同时因大量电池集中安置于车中,增加了电池发热与散热难度,于是也提高了电池管理系统的复杂性,而增加了体积和重量。且如此多的蓄电池也难以采用更换法来确保续驶里程。

按电机拖动理论对电机的选型需特别注重负载特性匹配,由于调速电机有直流、交流、永磁无刷和变磁阻等多种类型,各类电机带负载特性不同,其适用性也各有区别。因此按汽车行驶工况的负载特性要求,选择合适的电机类型显得尤其重要。

对于电动汽车,若蓄电池减少一半既能极大地降低其成本,也使车载自重相应减少许多,如此又能进一步改善动力性,由此可见驱动电机的选择对提高电动汽车性价比是何等的重要。

综上,电动汽车须按电机拖动理论来分析比较各类电机的负载特性,结合汽车行驶工况的各种特点,找出最适合的电机类型和最佳的驱动结构形式,以充分发挥用电机驱动和电子控制应有的各项优势。由于采用最佳电机驱动结构既可减小电机功率和蓄电池容量,也使减轻车载自重与改善动力性达到良性循环,以此提高其性价比。而最佳电机驱动结构与其控制等部件的制作,均需以专业化生产来提高性价比。

虽然电动汽车还处于研发试制阶段,但所暴露的最大弊端是由于存在相应的行业壁垒,使得各类电机和电控等一系列配套协作厂家还难以尽快全面介入,以形成现代化生产所需的社会分工和协作,组成专业化和多样化相结合的整机厂和专业化的零部件厂。

目前,业内还主要集中于电池的制作,而像磷酸铁锂等电池是美国人的专利,国内通过引进来完善其制作工艺。电池固然重要,且我们也应设法为拥有下一代电池的核心技术而努力。但对整辆电动汽车来说,电机是“心脏”、电控是“大脑”、电池是能量之源,这些均为核心技术的关键。通过分析可说明电动汽车的最佳驱动结构应为轮毂电机,特别是曾提出的兼有电动、发电回馈和电磁制动多功能轮毂电机,它均属小型特种电机。而国资委将投资千亿元集16家央企组成的联盟中,仅有一家电机生产企业为中国东方电气集团,且又是生产巨型、大型电机的。

电动汽车未能及时推广的主要原因是性价比。目前研发的电动汽车由于受传统汽车设计思路束缚,结构基本在传统汽车基础上改装而成,如纯电动汽车把原有发动机换成蓄电池和驱动电机及控制器,其余结构几乎没变。由于没从结构上作突破性改进,因此其性价比也难有突破性提高。为此,国家近期推出私人购买新能源汽车实施财政补贴等相关措施。这虽说明国家对节能环保的重视,但没能从技术根本上解决问题。国家政策调控更应从鼓励基础的实质性研究和跨行业协调上下功夫。电动汽车研发还存在较多低档次重复性研发,许多研究成果难以得到有效的合理共享,许多有用的基础性研究和发明专利难以得到实质性应用,国内已有的研究成果还会从国外引进,甚至重复引进。

未来电动汽车最佳结构的探索

作为新兴机电一体化电动汽车的结构设计,须遵循汽车理论、电机拖动理论及其控制理论为基础。按车辆动力学分析,采用四轮驱动可全面利用车轮对地面附着力和提高汽车通过性;采用四轮转向可极大地减小低速转弯半径,提高高速转向稳定性和响应性;采用轮毂电机驱动经电子差速将去掉机械差速及左右半轴等机构即可全面降低车身高度,并使所需最大质量体积的蓄电池作为配重物经适当分散布局来尽可能降低车辆质心高度,以提高车辆侧翻阈值即侧向操纵稳定性。根据控制理论分析,改善整车性能需提高汽车对驱动、制动和转向三大执行机构的快速响应性,利用当今迅猛发展的微电子等技术,通过检测反馈控制可极大地提高汽车操控、稳定及安全性能。

汽车驱动、制动和转向三大执行机构是制约汽车性能的主要环节,其快速响应性也是决定操控汽车安全稳定行驶的重要因素。针对传统汽车的发动机驱动、由液压等方式制动和转向助力因摩擦阻尼使动态响应均较慢,从而制约了整车性能难以有效提高。为此综合多项技术深入分析研究,利用电机的电与磁转换是按光速进行的动态响应过程,提出能全面提高电动汽车驱动、制动和转向三大执行机构快速响应性和性价比的四项发明专利:兼有电动、发电回馈和电磁制动多功能磁阻式轮毂电机;具有启动绕组的单相开关磁阻式多功能轮毂电机;基于直线电机控制的汽车转向系统;四轮毂电机驱动四轮转向电子差速控制系统。

通过对发动机与电动机的调速动力特性分析比较,说明电动汽车用电机驱动相对发动机有数千倍的调速比、数百倍的快速响应性、相当的短时过载能力以及节能等诸多优势。但要使电机各项优势能充分发挥,还须对电动汽车结构作突破性变革与优化。同样上述四项发明技术在电动汽车要有效发挥,并充分利用高速发展的微机控制、传感测量和电机驱动等技术优势,全面提高整车性能,也需通过统筹考虑电动汽车的结构布局。为此综合汽车、电机和控制三大理论的分析,提出了电动汽车的最佳结构应由含多功能轮毂电机的车轮、高储能装置、高性能转向系统和数字化整车控制系统四大基础部件加车身、底盘与内饰等组成。它将极大简化机械机构、降低成本和车载自重、节能减噪、提高动态响应及控制性能,以提高电动汽车性价比来使尽快普及商品化。

(1)含多功能轮毂电机的车轮  即为采用四台含兼有电动、发电回馈和电磁制动多功能轮毂电机及其驱动控制模块的车轮,它利用前述两项专利结合轮毂电机的诸多优势,将为电动汽车确立最佳电机驱动结构。微机多CPU总线控制已是现代汽车较多采用的控制方式。对于四轮毂电机控制运用CPU总线技术,将驱动控制模块集成在车轮内,可极大简化电动汽车内部线路布局,既提高可靠性,也便于故障诊断和维修。实施该机电一体模块化控制结构将有利于提高性价比。而多功能轮毂电机采用了变磁阻电机,它具有结构简单、坚固可靠、电机与控制器综合成本低、调速性能好、效率高等优点,与目前普遍应用的交流变频或永磁无刷等电机相比,特别具有高起动转矩、可控起动电流和较高短时过载能力,更适于汽车重载起步,频繁起停、升降速的多变工况和蓄电池需避免大电流输出等各种特殊要求。为一种新兴机电一体化能量转换装置,其应用需在大功率开关管和高速数字信号处理器DSP快速发展基础上独显优势。通过结构改进又提高了电磁制动效能,而发电回馈-电磁制动相结合反复进行的制动过程,类似于ABS系统或ASR驱动防滑系统的制动过程,从而可提高车辆行驶的安全性和操控性。轮毂电机的“零传动”方式直接驱动车轮,使汽车结构发生了脱胎换骨的变革。机械传动链的缩短,极大提高了对车轮控制的快速响应性,也降低了大量机械部件成本和车载自重,提高整车驱动效率,有利于节能减噪,还腾出许多空间便于汽车总体布局。由于只有驱动轮才能实现制动能量回收,省去机械传动损耗对车轮动能回收又更直接,采用四台兼有发电回馈功能的轮毂电机,在汽车滑行、降速和下坡行驶中可成倍提高动能回收率。鉴于轮毂电机功率受结构体积限制,采用四台轮毂电机替代常规单台电机以实现小马拉大车,而四轮驱动既为高档轿车的4WD方式又可充分利用车轮对地面附着力,极大地改善车辆的越野通过性、防滑制动和快速转向等来增强操控车辆行驶的稳定性。

(2)高储能装置  即包括燃料电池和各类高性能蓄电池等。氢燃料电池因氢原料问题,现阶段还难以推广应用。对于蓄电池虽可采用目前成熟、价格低的铅酸蓄电池。但按技术发展应尽可能采用对我国有得天独厚资源优势的锂电池,如磷酸铁锂电池、聚合物锂离子蓄电池等。或采用高比功率、低比能量的超级电容与高比能量、低比功率铝空气电池相结合,以及其他的多种组合形式,通过扬长避短、优势互补,来综合提高加速、爬坡以及续驶里程等性能。近据报道,一种既可用作充电电池,也可用作燃料电池的锂-空气电池在技术上已获得突破性进展。该电池作充电电池用时,比能量可高于现有锂离子电池十几倍至几十倍。如作为燃料电池用,采用更换正极的水性电解液和负极的金属锂,其能量密度和更换时间均有望优于传统的加油方式。因此,该锂-空气电池若进入实际应用,传统汽车和处于过渡期的混合动力电动汽车就有可能被淘汰,而各类纯电动汽车和燃料电池汽车将被很快普及应用。据预估该锂-空气电池还需10年有望能进入商用,当然国家也需投巨资来加快锂-空气电池研究以促使尽早进入实际应用。而对于汽车、电机和电子等相关企业更应为各类电动汽车都需应用的电机驱动最佳方式,未来各类电动汽车最佳结构组成的四大基础部件做好技术储备,掌握该四大核心部件的关键技术即可迎接新的更大挑战。

(3)高性能转向系统  即指能极大改善转向性能由直线步进电机控制的四轮驱动四轮转向电子差速转向系统。它是在四轮毂电机驱动基础上,结合另两项相关专利技术而组成。其成熟应用将为未来各类汽车的转向技术发展打下极好基础。分析汽车转向系统各功能要求与其相应机构运行原理的关系,由于转向机构最终带动转向节臂的横拉杆均为左右直线运动,所采用直线步进电机直接带动左右横拉杆,使控制更直接,动态响应更快,且省去了大量机械或液压部件,即使结构更简捷,也能节能减噪。利用直线步进电机控制特点,即可方便地充分满足转向力随车速变化的各控制要求,又提高了转向精度和实施高性能汽车四轮转向系统的性价比。通过对电子差速转向原理分析和数学推导,提出四轮毂电机驱动四轮转向的全新电子差速计算理论及实施的结构原理。由于它主要在软件上增加相关的算法控制,所需的传感器等部件均可兼用,硬件成本增加很少。其实施即可极大地减小低速转弯半径、提高高速转向稳定性和响应快速性。

(4)数字化整车控制系统  即采用数字化液晶显示、多CPU微机总线控制方式,可分为基本型和高性能型。基本型仅满足电动汽车基本控制要求,使其尽快进入实际应用。高性能型需采用多传感器进行四轮驱动四轮转向与电子稳定系统ESP相结合的控制方式,对此,利用多功能轮毂电机四轮驱动结合直线电机控制四轮转向可极大地提高汽车驱动、制动、转向三大执行机构快速响应性,避免现有高档轿车采用传统的执行机构,动态响应较慢使性能难以有效发挥。而采用能进行数控插补实现多轴伺服联动,控制机床精确行走各种曲线、曲面轨迹的微机控制,用来控制多功能轮毂电机实现四轮驱动四轮转向,按所测信号及时准确调整前、后、左、右各车轮的驱动力、制动力、转向角将会更易实施。并利用四轮驱动提高了地面附着力(抓地能力),这可全面提高汽车行驶的稳定性、操控性、安全性以及转向性能,还将极大提高整车性价比。(待续)

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