未來電動汽車新產業鏈的理想運行模式探討

浙江工業大學機電學院 王貴明 華數數字電視交通節目部 王金懿

0 引言

電動汽車是節能環保的未來汽車已被世界所公認，為此各國均已投入大量人力、物力掀起了研發電動汽車熱，全球各大汽車業都在為盡快掌握其核心技術占領未來汽車領域而努力。但由于電動汽車結構或其產業鏈發生了本質變化，需要更多的電機、電子及電池等技術行業來共同參與，要求各部件能盡快標準化，以專業化流水線方式生產。我國在傳統汽車領域仍較大地落后于發達國家，其技術還長年受制于國外，而發展電動汽車確是趕超世界領先的極好機遇。汽車業需消除行業壁壘，聯合協作共同努力，既使相關行業能共同分享汽車龍頭產業的大蛋糕，也能使汽車業自身得到快速發展。

電動汽車共分三大類，其關系為：純電動汽車是技術基礎；混合動力電動汽車是發展中過渡模式；燃料電池汽車是理想目標。且三類電動汽車都要用電機作驅動，所發展電機技術是基礎之基礎。發展混合動力電動汽車相對我國技術優勢不大，成本也總難以下降。燃料電池汽車雖是理想目標，但目前在氫原料上有待作大量研究提高。而抓好純電動汽車技術基礎即可利用我國在市場、資源、技術三大優勢：純電動汽車主要存在能量不富裕特點，特別適于微型車制作，而我國家庭也正呈小型化結構，隨生活水平提高私家車銷量將占最大部分。作為車載能源蓄電池最具發展潛力是鋰電池，而材料鋰的儲存量約一半在我國。對電動汽車電機驅動最具發展前途的應是輪轂電機，而輪轂電機目前應用最多又在我國，我國處于技術領先且產銷量占全球90%的電動自行車均應用了輪轂電機，按技術發展需先易后難、循序漸進，這即為純電動汽車發展打下相應基礎，但在電動汽車上應用關鍵還需在增大功率和提高性能上下功夫。

盡管對我國應優先發展哪一類電動汽車曾有較大不同爭議，但隨產業發展必將逐漸趨于一致。筆者一直認為對純電動汽車應先著力于微型車研發，對載重量較大的才需考慮混合動力電動汽車。近也已有多位院士、專家學者提出須將純電動汽車發展上升為國家戰略，通過政策支持優先助力具基礎技術并在我國有優勢的純電動汽車早成產業化。

1 電動汽車現有研發、制作模式的弊端

分析比較現所研發的眾多電動汽車，結構均沿襲傳統的設計模式，即未能從發揮電機驅動的優勢來對結構作突破性改進。最大特點是為滿足車速、加速及續駛里程等指標，增大了電機功率和蓄電池容量。但由于電機功率和蓄電池容量增加，使車載自重比一般轎車增加了一倍，其中一半為電池重量。按車輛動力學可知，汽車的滾動阻力、坡度阻力、加速阻力均與車載質量成正比。因此車載自重的增加不僅使原本為改善汽車動力性能而增大的電機功率和蓄電池容量都大打折扣，也使其性能變差，大量車載自重增加如同載貨汽車，失去了小轎車輕便靈活應有優勢。

按電機拖動理論對電機的選型需特別注重負載特性匹配，由于調速電機有直流、交流、永磁無刷、變磁阻等多種類型，各類電機帶負載特性不同，其適用性也各有區別。因此按汽車行駛工況的負載特性要求，選擇合適的電機類型顯得尤其重要。但分析現有電動汽車介紹，發現所選電機幾乎應有盡有，存在盲目選擇的相應誤處。有許多品牌電動汽車竟然還采用了永磁同步電機，雖永磁同步電機效率可提高10%左右，但極差的過載能力，使得無法發揮諸多良好電機能數分鐘內過載額定功率3倍以上的優勢，在滿足起步、加速、爬短坡等短時過載要求的同時，可較大減小電機功率來降低成本、車載自重和大部分運行期的電能。這對調速精度要求不高的汽車存在顧此失彼。

綜上所述，電動汽車須按電機拖動理論來分析比較各類電機的負載特性，結合汽車多變行駛工況的各種特點，找出最適合的電機類型和最佳的驅動結構形式，以充分發揮用電機驅動和電子控制應有的各項優勢。由于采用最佳電機驅動結構即可減小電機功率和蓄電池容量，從而也使減輕車載自重與改善動力性起到良性循環，以此就能提高其性價比。而最佳電機驅動結構與其控制等部件的制作，均需以專業化生產來提高性價比。但現暴露的最大弊端是由于存在相應的行業壁壘，使得各類電機、電控等一系列配套協作廠家還沒有形成現代化生產所需的社會分工和協作，組成專業化和多樣化相結合的整機廠和專業化的零部件廠。其制作模式基本是由汽車廠以單挑一，大廠大而全、小廠小而全的落后方式在生產。

盡管對電動汽車開發已有16家龍頭央企組成的“國家隊”、T10聯盟的“行業隊”和多個“地方隊”等各種協作聯盟，但其效果不佳，根本原因還是存在相應的行業壁壘，較少有跨行業間并選擇合適的相應企業進行聯合協作。并且目前主要還集中于電池的制作，而象磷酸鐵鋰等電池是美國人的專利，國內通過引進來完善其制作工藝。電池固然重要，且我們也應設法為擁有下一代電池的核心技術而努力。但對整輛電動汽車來說電機是“心臟”；電控是“大腦”；電池是能量之源；均為核心技術的關鍵。通過分析可說明電動汽車的最佳驅動結構應為輪轂電機，特別是曾提出的兼有電動、發電回饋和電磁制動多功能輪轂電機，它均屬小型特種電機。而國資委將投資千億元集16家央企組成的聯盟中，僅有一家電機生產企業為中國東方電氣集團，且又是生產巨型、大型電機的。

電動汽車未能及時推廣的主要原因是性價比。現所研發的電動汽車由于受傳統汽車設計思路束縛，結構基本在傳統汽車基礎上改裝而成。如純電動汽車把原有發動機換成蓄電池和驅動電機及控制器，其余結構幾乎沒變。但由于現所研發的電動汽車因沒從結構上作突破性改進，使性價比也難有突破性提高以滿足民眾要求。為此國家近期推出私人購買新能源汽車實施財政補貼的相關措施，但沒能從技術上根本解決問題。作為國家政策調控更應從鼓勵基礎的實質性研究和跨行業協調上下功夫，盡管電動汽車研發熱已持續多年，但還存在較多低檔次重復性研發，許多研究成果難以得到有效的合理共享，許多有用的基礎性研究和發明專利難以得到實質性應用，國內已有的研究成果還會從國外引進，甚至重復引進。諸如此類的弊端問題需從國家體制與政策上找其根本原因。

2 未來電動汽車最佳結構的探索

作為新興機電一體化電動汽車的結構設計，須遵循汽車理論、電機拖動理論及其控制理論為基礎。對于電機拖動理論的重要性在前述分析現有電動汽車的實例中已表明，關鍵是找出最適合汽車多變行駛工況特點的電機類型和最佳驅動結構形式。按汽車理論——車輛動力學分析：采用四輪驅動可全面利用車輪對地面附著力和提高汽車通過性；采用四輪轉向可極大地減小低速轉彎半徑，提高高速轉向穩定性和響應性；采用輪轂電機驅動經電子差速將去掉機械差速及左右半軸等機構即可全面降低車身高度，并使所需最大質量體積的蓄電池作為配重物經適當分散(如安置于前后座位下)布局來盡可能降低車輛質心高度，以提高車輛側翻閾值即側向操縱穩定性。根據控制理論分析，改善整車性能需提高汽車對驅動、制動和轉向三大執行機構的快速響應性，利用當今迅猛發展的微電子等技術，通過檢測反饋控制可極大地提高汽車操控、穩定及安全性能。

汽車驅動、制動、轉向三大執行機構即是制約整輛汽車性能的主要環節，其快速響應性也是決定操控汽車安全穩定行駛的重要因素。針對傳統汽車的發動機驅動、由液壓等方式制動和轉向助力因摩擦阻尼使動態響應均較慢，從而制約了整車性能難以有效提高。為此綜合多項技術深入分析研究，利用電機的電與磁轉換是按光速進行的動態響應過程，提出能全面提高電動汽車驅動、制動、轉向三大執行機構快速響應性和性價比的四項發明專利：兼有電動、發電回饋和電磁制動多功能磁阻式輪轂電機；具有啟動繞組的單相開關磁阻式多功能輪轂電機；基于直線電機控制的汽車轉向系統；四輪轂電機驅動四輪轉向電子差速控制系統。

通過對發動機與電動機的調速動力特性分析比較，說明電動汽車用電機驅動相對發動機有數千倍的調速比、數百倍的快速響應性、相當的短時過載能力以及節能等諸多優勢。但要使電機各項優勢能充分發揮，還須對電動汽車結構作突破性變革與優化。同樣上述四項發明技術在電動汽車要有效發揮，并充分利用高速發展的微機控制、傳感測量和電機驅動等技術優勢，全面提高整車性能，也需通過統籌考慮電動汽車的結構布局。為此綜合汽車、電機、控制三大理論的分析，提出了電動汽車的最佳結構應由含多功能輪轂電機的車輪、高儲能裝置、高性能轉向系統和數字化整車控制系統四大基礎部件加車身、底盤與內飾等組成。它將極大簡化機械機構、降低成本和車載自重、節能減噪、提高動態響應及控制性能，以提高電動汽車性價比來使盡快普及商品化。圖1所示為四大基礎部件在純電動汽車上的結構布局示意圖。四大部件既具電動汽車的基本特色，也是其核心，而其他部件與傳統汽車類同，所以在此對四大基礎部件分別簡述如下。

1）含多功能輪轂電機的車輪。即為采用四臺含兼有電動、發電回饋和電磁制動多功能輪轂電機及其驅動控制模塊的車輪，它利用前述兩項專利結合輪轂電機的諸多優勢，將為電動汽車確立最佳電機驅動結構。微機多CPU總線控制已是現代汽車較多采用的控制方式。對于四輪轂電機控制運用CPU總線技術，將驅動控制模塊集成在車輪內，可極大簡化電動汽車內部線路布局，即提高可靠性，也便于故障診斷和維修。實施該機電一體模塊化控制結構將有利于提高性價比。而多功能輪轂電機采用了變磁阻電機，它具有結構簡單、堅固可靠、電機與控制器綜合成本低、調速性能好、效率高等優點，與目前普遍應用的交流變頻或永磁無刷等電機相比，特別具有高起動轉矩、可控起動電流和較高短時過載能力，更適于汽車重載起步，頻繁起停、升降速的多變工況和蓄電池需避免大電流輸出等各種特殊要求。作為一種新興機電一體化能量轉換裝置，其應用需在大功率開關管和高速數字信號處理器DSP快速發展基礎上獨顯優勢。通過結構改進又提高了電磁制動效能，而發電回饋-電磁制動相結合反復進行的制動過程，類似于防抱死制動系統或驅動防滑轉控制的制動過程，從而可提高車輛行駛的安全性和操控性。輪轂電機的“零傳動”方式直接驅動車輪，使汽車結構發生了脫胎換骨的變革。機械傳動鏈的縮短，即極大提高對車輪控制的快速響應性，也降低大量機械部件成本和車載自重，提高整車驅動效率，有利于節能減噪，還騰出許多空間便于汽車總體布局。由于只有驅動輪才能實現制動能量回收，省去機械傳動損耗對車輪動能回收又更直接，采用四臺兼有發電回饋功能的輪轂電機，在汽車滑行、降速和下坡行駛中可成倍提高動能回收率。鑒于輪轂電機功率受結構體積限制，采用四臺輪轂電機替代常規單臺電機以實現小馬拉大車，而四輪驅動即為高檔轎車的4WD方式又可充分利用車輪對地面附著力，極大改善車輛的越野通過性、防滑制動、快速轉向等來增強操控車輛行駛的穩定性。

2）高儲能裝置。高儲能裝置包括燃料電池和各類高性能蓄電池等。氫燃料電池因氫原料問題，現階段還難以推廣應用。蓄電池雖可采用目前成熟、價格低的鉛酸蓄電池，但按技術發展現狀應盡可能采用我國有得天獨厚資源優勢的鋰電池，如磷酸鐵鋰電池、聚合物鋰離子蓄電池等，或采用高比功率、低比能量的超級電容與高比能量、低比功率鋁空氣電池相結合，以及其他的多種組合形式。通過揚長避短、優勢互補，來綜合提高加速、爬坡以及續駛里程等性能。近據報道，一種既可用作充電電池、也可用作燃料電池的鋰-空氣電池在技術上已獲得突破性進展。該電池作充電電池用時，比能量可高于現有鋰離子電池十幾～數十倍，如作為燃料電池用，采用更換正極的水性電解液和負極的金屬鋰，其能量密度和更換時間均有望優于傳統的加油方式。因此，該鋰-空氣電池若進入實際應用，傳統汽車和處于過渡期的混合動力電動汽車就有可能被淘汰，而各類純電動汽車和燃料電池汽車將被很快普及應用。據預估該鋰-空氣電池還需10年有望能進入商用，當然國家也需投巨資來加快鋰-空氣電池研究以促使盡早進入實際應用。

3）高性能轉向系統。即指能極大改善轉向性能由直線步進電機控制的四輪驅動四輪轉向電子差速轉向系統。它是在四輪轂電機驅動基礎上，結合另兩項相關專利技術而組成，其成熟應用將為未來各類汽車的轉向技術發展打下極好基礎。分析汽車轉向系統各功能要求與其相應機構運行原理的關系，由于轉向機構最終帶動轉向節臂的橫拉桿均為左右直線運動，所采用直線步進電機直接帶動左右橫拉桿，使控制更直接，動態響應更快，且省去了大量機械或液壓部件，即使結構更簡捷，也能節能減噪。利用直線步進電機控制特點，即可方便地充分滿足轉向力隨車速變化的各控制要求，又提高了轉向精度和實施高性能汽車四輪轉向系統的性價比。通過對電子差速轉向原理分析和數學推導，提出四輪轂電機驅動四輪轉向的全新電子差速計算理論及實施的結構原理。由于它主要在軟件上增加相關的算法控制，所需的傳感器等部件均可兼用，硬件成本增加很少。其實施即可極大地減小低速轉彎半徑、提高高速轉向穩定性和響應快速性。

4）數字化整車控制系統。即采用數字化液晶顯示、多CPU微機總線控制方式，可分為基本型和高性能型。基本型僅滿足電動汽車基本控制要求，使其盡快進入實際應用。高性能型需采用多傳感器進行四輪驅動四輪轉向與電子穩定系統ESP相結合的控制方式，對此，利用多功能輪轂電機四輪驅動結合直線電機控制四輪轉向可極大地提高汽車驅動、制動、轉向三大執行機構快速響應性，避免現有高檔轎車采用傳統的執行機構，動態響應較慢使性能難以有效發揮。而采用能進行數控插補實現多軸伺服聯動，控制機車精確行走各種曲線、曲面軌跡的微機控制，用來控制多功能輪轂電機實現四輪驅動四輪轉向，按所測信號及時準確調整前、后、左、右各車輪的驅動力、制動力、轉向角將會更易實施。并利用四輪驅動提高了地面附著力（俗稱抓地能力），這可全面提高汽車行駛的穩定性、操控性、安全性以及轉向性能，還將極大提高整車性價比。