未來(lái)便攜電動(dòng)車設(shè)計(jì)分析

摘 要 圍繞“未來(lái)”和“便攜”這兩個(gè)關(guān)鍵詞，我們對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品和一些概念設(shè)計(jì)進(jìn)行趨勢(shì)分析，同時(shí)找出目前存在的問題并對(duì)未來(lái)可能解決這些問題的技術(shù)進(jìn)行研究。結(jié)合機(jī)械原理和電氣知識(shí)，以我們工業(yè)設(shè)計(jì)的角度去設(shè)計(jì)一款未來(lái)便攜的電動(dòng)車。

關(guān)鍵詞 未來(lái) 便攜 電動(dòng)車 電池 材料

中圖分類號(hào)：U642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract Around the \"future\" and \"portable\" two key words， some of our existing products and conceptual design for trend analysis， and to identify existing problems and possible solutions to these problems in the future technology research. Combine with mechanical and electrical principles of knowledge to design future portable electric vehicles from our industrial design point of view.

Key words future； portable； electric car； battery； material

0 引言

電動(dòng)車是人們?nèi)粘Ｉ钪斜貍涞拇焦ぞ撸瑸槲覀兊纳钐峁┝吮憷瑫r(shí)至今日，電動(dòng)車已發(fā)生了巨大變化，類型也多種多樣。但隨著人們生活空間越來(lái)越狹小，電動(dòng)車也給我們帶來(lái)了很多苦惱。設(shè)計(jì)即是改變?nèi)藗兊纳罘绞剑瑸槿藗儎?chuàng)造越來(lái)越人性化的生活氛圍，這方面需要我們?cè)O(shè)計(jì)師不斷地尋求解決方案和措施，至于當(dāng)今電動(dòng)車存在的諸多問題需要我們?cè)O(shè)計(jì)師去解決。

1 現(xiàn)有電動(dòng)車存在的問題

當(dāng)今的電動(dòng)車外形笨重，電池技術(shù)沒有突破，充電基站建設(shè)緩慢，防盜功能差，續(xù)航能力差等問題成為制約電動(dòng)車發(fā)展的主要問題，詳細(xì)分析如下：

（1）外形笨重，如圖1所示愛瑪電動(dòng)車，雖然在外形上與摩托車相比已經(jīng)顯得比較輕巧，但是輕巧得不夠微型化。

電動(dòng)車的外形其實(shí)可以歸結(jié)于電機(jī)和電瓶的技術(shù)。從一開始電動(dòng)自行車的出現(xiàn)，到人們開始熱衷于酷像摩托車的笨重電動(dòng)車，到最后希望出現(xiàn)更多輕便的電動(dòng)車，這其中體現(xiàn)了一種新產(chǎn)品外形的變化過程——從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，最后回歸簡(jiǎn)單。但是這種回歸必須依賴于更小更強(qiáng)大的電機(jī)和電瓶。

（2）電池技術(shù)在近年來(lái)一直沒有大的進(jìn)步，這是制約電動(dòng)車發(fā)展的最重要原因。現(xiàn)在的電動(dòng)車大都以鉛酸電池作為能源，這種電池制作的電瓶體積大容量小，充放電效率低，電動(dòng)車的續(xù)航可想而知。

（3）電動(dòng)自行車?yán)m(xù)行里程是這樣定義的：“新電池時(shí)充滿電，騎行者重量配置至75公斤在平坦的二級(jí)公路上（無(wú)強(qiáng)風(fēng)條件下）騎行，騎至電池電壓小于10.5V/節(jié)予以斷電，在以上條件下，得到的騎行里程被稱為電動(dòng)自行車的續(xù)行里程”。按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，一般的電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程大約都標(biāo)稱為45～60公里，有的能達(dá)到80公里。相應(yīng)地，續(xù)航能力的制約使得電動(dòng)車只是短距離交通的工具，一定程度上限制了電動(dòng)車的使用場(chǎng)合。

（4）如果充電基站建設(shè)完整，還能彌補(bǔ)由于續(xù)航能力不足引起的長(zhǎng)途旅行不能。但目前電動(dòng)車的技術(shù)難度和推廣不足反向作用于基站的建設(shè)。

（5）防盜也成為廠商絞盡腦汁想解決的問題。從電動(dòng)車的外形入手，將大小控制好，那么電動(dòng)車就可以拎著到處走了，一定程度上解決了防盜的問題。

2 電動(dòng)車的發(fā)展趨勢(shì)分析

從電動(dòng)車的出現(xiàn)到現(xiàn)在，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)同為三個(gè)發(fā)展階段：電動(dòng)自行車的初級(jí)階段、生產(chǎn)規(guī)模化階段、高速發(fā)展階段。

第一階段的電動(dòng)車電池續(xù)航能力差，充電效率低，用的是有刷無(wú)齒電機(jī)，輸出扭矩最大只有18N·m，而且使用壽命短，容易損壞。

到了第二階段，隨著電動(dòng)車的關(guān)注度提高，電動(dòng)車的發(fā)展步入大規(guī)模生產(chǎn)階段——無(wú)刷電機(jī)的出現(xiàn)，使得它的可靠性提高了，壽命也延長(zhǎng)了；還融入了多段限流軟啟動(dòng)技術(shù)，速度開環(huán)、閉環(huán)控制等新技術(shù)，使電動(dòng)車的機(jī)械和電氣性能全面加強(qiáng)。

第三階段，電動(dòng)車發(fā)展的高速階段，企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)大大刺激了新技術(shù)進(jìn)步，使得電動(dòng)車的性能有了質(zhì)的提升——無(wú)刷電機(jī)的高效率增強(qiáng)，壽命大幅度提高，使得它的爬坡和載重能力提高3倍多。盡管如此，因?yàn)橹圃旒夹g(shù)的成熟，制造成本也相應(yīng)降了下來(lái)，電動(dòng)車變得越來(lái)越便宜。但是，電池技術(shù)依舊是電動(dòng)車發(fā)展的瓶頸。近幾年來(lái)，電池技術(shù)并沒有大的突破，沒辦法適應(yīng)其他高速發(fā)展的技術(shù)。現(xiàn)在，電動(dòng)獨(dú)輪車已經(jīng)開始在市場(chǎng)上銷售，但是受限于它的安全性問題，并沒有得到大力的推廣。

現(xiàn)在很多電動(dòng)車的概念設(shè)計(jì)都趨向于獨(dú)輪，可折疊，配備高性能電池等方面，綜合電動(dòng)車發(fā)展的三個(gè)階段，不難看出，未來(lái)的電動(dòng)車發(fā)展將會(huì)呈現(xiàn)下面這些特點(diǎn)：

電機(jī)方面：無(wú)位置傳感器（霍爾元件）的三相無(wú)刷電機(jī)或者同等品次的高能低耗的電機(jī)的廣泛使用；

電池方面：更多高性能電池得到應(yīng)用，如鎳氫電池、鋰電池、燃料電池、超級(jí)電容電池、高性能磷酸鐵鋰電池等。這些電池技術(shù)要求電瓶容量較小，所以未來(lái)的電動(dòng)車將會(huì)更加輕便，達(dá)到便攜的目的；

造型方面：適應(yīng)電池技術(shù)的發(fā)展和便攜的要求，未來(lái)的電動(dòng)車會(huì)以獨(dú)輪為主，并配以折疊方式最大限度提高產(chǎn)品的便攜性；

體驗(yàn)方面：控制變得更加智能化、人性化，使用者無(wú)需額外的學(xué)習(xí)就能馬上會(huì)用。自平衡系統(tǒng)的發(fā)展使得安全性問題得到解決。

3 電動(dòng)車的設(shè)計(jì)方法

3.1 能源

適用于電動(dòng)車的電池必須滿足下面這些條件：充電效率和放電電流高，體積小，但是電儲(chǔ)存能力強(qiáng)，能給高速電機(jī)提供長(zhǎng)時(shí)間的能源。現(xiàn)在正在研發(fā)的很多電池技術(shù)都具備上面一種或者多種優(yōu)點(diǎn)，但是幾乎都處于試驗(yàn)階段，沒辦法在短時(shí)間內(nèi)應(yīng)用到電動(dòng)車上。

有關(guān)鋰電池組運(yùn)用到電動(dòng)車上最有可能最快實(shí)現(xiàn)。這種鋰電池單次充電可保證20～30公里的續(xù)航里程和15公里的最高時(shí)速。電池組配備8塊這種電池。1個(gè)電池包由30個(gè)電池單元構(gòu)成，通過層疊封裝減輕了重量。另外，正極材料使用了錳酸鋰，從而提高了安全性。另一特點(diǎn)是壽命長(zhǎng)，在電阻值增大至1.5倍前可行駛15萬(wàn)英里（約合24萬(wàn)公里）。

3.2 外形

概念設(shè)計(jì)的電動(dòng)車要滿足便攜的要求，可以達(dá)到的方式很有限。常見的有兩種方式，一種是獨(dú)輪，另一種是加入可折疊機(jī)構(gòu)。前者對(duì)于技術(shù)的要求比較高，后者則更偏向于機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)用。從用戶心理出發(fā)的話，在獨(dú)輪車安全問題還沒有得到比較好的解決的當(dāng)前，折疊式電動(dòng)車有比較大的發(fā)展空間。實(shí)現(xiàn)這樣的外觀需要涉及到的技術(shù)和機(jī)電原理，為了提電動(dòng)車的便攜性，獨(dú)輪車設(shè)計(jì)的引入對(duì)于電動(dòng)車的發(fā)展至關(guān)重要。為了達(dá)到這個(gè)外觀和功能的設(shè)計(jì)，需要有成熟的自平衡技術(shù)作為支撐。現(xiàn)在市面上銷售的獨(dú)輪車幾乎都采用陀螺儀作為平衡系統(tǒng)的核心，它的工作原理是利用車體內(nèi)部的陀螺儀和加速度傳感器來(lái)檢測(cè)車體姿態(tài)的變化，并利用伺服控制系統(tǒng)，精確地驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以保持系統(tǒng)的平衡，達(dá)到“動(dòng)態(tài)穩(wěn)定”。

3.3 結(jié)構(gòu)

可折疊式的設(shè)計(jì)也可以解決便攜性問題。車身通過轉(zhuǎn)軸或者曲柄帶動(dòng)兩部分互相咬合或者重疊。這種方式并沒有減少車體的空間體積，而是巧妙地利用車身機(jī)構(gòu)來(lái)達(dá)到空間的最大利用。

3.4 材料

為了使車身能達(dá)到便攜的要求，對(duì)于材料的選擇也要有一定的考究。目前電動(dòng)車車身鑄造上主要采用合金材料，而碳纖維有望成為它的換代材料。

碳纖維（carbon fiber，簡(jiǎn)稱CF），是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維“外柔內(nèi)剛”，質(zhì)量比金屬鋁輕，但強(qiáng)度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性，在國(guó)防軍工和民用方面都是重要材料。它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。

4 電動(dòng)車的設(shè)計(jì)案例展示

圖2所示的是一種便攜的電動(dòng)車，外形結(jié)構(gòu)方面可以折疊，并可背在肩上，方便使用者攜帶，比如爬樓梯、坐公共汽車或地鐵等都可以將車體縮小到最小；車身材料使用碳纖維，在保持一定的強(qiáng)度和剛度的情況下減輕了車體的重量，這一方面就給使用者帶來(lái)了極大的便利。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷革新，電動(dòng)車的設(shè)計(jì)越來(lái)越體現(xiàn)出“短、小、輕薄化”的特點(diǎn)，更加關(guān)愛人們的生活環(huán)境和生活方式，更多地體現(xiàn)人性化。相信在不久的將來(lái)，便攜式的電動(dòng)車將遍及千家萬(wàn)戶，在當(dāng)今人口膨脹、居住空間狹隘的背景下，這種便攜式的電動(dòng)車將發(fā)揮舉足輕重的作用。

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