联协研发电动汽车最佳结构的四大基础部件以赶超世界领先.docx

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联协研发电动汽车最佳结构的四大基础部件以赶超世界领先

联协研发电动汽车最佳结构的四大基础部件以赶超世界领先

【摘要】综合汽车、电机、控制、交通及其技术经济多学科的五大理论，经完备的深入分析研究。

提出了可极大提高电动汽车驱动、制动和转向三大执行机构快速响应性及其性价比，和基于四大基础部件的电动汽车最佳结构的五项发明专利；优化电动汽车性能和交通管理来综合解决汽车引起的能源危机、环境污染、交通事故、道路拥堵四大负面效应；结合国情和现有技术分析了适于普及的节源环保型电动微轿车，提出尽快商品化的研发模式。

为此需整合重组新汽车产业链通过联合协作攻关以赶超世界领先，从而带动国民经济腾飞，以此振兴中华。

【关键词】五大理论、快速响应、最佳结构、节源环保、电动微轿车、新产业链

电动汽车是节能环保的未来汽车已被世界所公认。

尽管各国投入了大量人力、物力，并为此也推出许多相应政策，但其性价比及实用性还迟迟未能被广大民众所接受，其原因值得分析。

一、研发电动汽车需用更完备的理论为基础

作为新兴的机电一体化电动汽车的研发除了运用传统汽车理论——车辆动力学、更应以电机拖动理论及其控制理论为基础，并还需遵循交通管理理论以及技术与市场经济须互为促进的规律。

电动汽车的最大不同点是以电机驱动为动力源，所以须按电机拖动理论来分析比较各类电机的负载特性，结合汽车多变行驶工况的各种特性要求，找出最适合的电机类型和最佳的驱动结构形式，以充分发挥电动汽车用电机驱动控制的各种应有技术优势。

由于电机控制及改善整车性能的要求，按控制理论分析，须提高汽车驱动、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、微机运算控制来准确及时调整各车轮的驱动力、制动力、转向角，以极大提高整车的操控性、稳定性和安全性。

为使汽车应有的高效、便捷功能真正得以发挥，必须以交通畅通为前提。

根据我国城市人均交通资源特为紧缺，按交通管理理论分析，还需从提高交通资源利用率来考虑车型。

按技术经济理论，产品发展须遵循技术与市场经济互为促进，循环同步发展的规律。

而技术的提高还需先易后难、循序渐进，所以电动汽车研发也应先扬长避短地绕其瓶颈口，按现有技术和国情找出可使其尽快普及商品化的突破口，再按技术进步来解决其瓶颈问题以利高效有序发展。

完备的理论是制胜的法宝或必要前提。

总结多年来的经验，综合应用各相关理论，结合实际，全面深入分析未来电动汽车应有的最佳结构和研发模式，将使当前开发电动汽车尽早走出困境，尽快向民众普及推广，并使我国在该领域能快速赶超世界领先，这正是本文所研讨的最终目标。

上述所涉及的五大理论在具体应用中也互为关联而影响，现就此展开分析研讨如下。

二、按控制理论分析提高汽车三大执行机构快速响应性是改善其性能的关键

根据控制理论分析整个闭环控制系统中每一环节的时间响应均是决定系统稳定及其性能指标的重要参数，通常一个闭环系统应包含传感测量、计算控制、执行机构三大环节。

随着电子、传感、微机控制技术发展，前两个环节以电子传输速度使响应均较快，而执行机构往往制约了整个系统的性能指标，并随所采用的机械、液压、电机执行装置不同，动态响应也将相差许多。

以汽车巡航控制所用发动机或电动机两种调速系统比较为例：

发动机调速系统需通过控制节气门来调节其喷油量，并经发动机燃爆→曲轴连杆→飞轮→变速箱→万向节→驱动桥及其差速器等多个环节才能传输至车轮；而电动机调速系统直接控制电机驱动电流的电压或频率既能实现。

所日本专家指出发动机与电动机的调速动态响应要相差２个数量级。

而电动汽车若采用“零传动”方式的轮毂电机驱动，可控车速的动态响应还要快，即能高于数百倍。

由于传统汽车巡航控制的发动机调速响应时间要比传感测量与计算控制慢几个数量级，为确保整个系统的稳定，即使车速不产生忽高忽低的震荡，俗称“游车”现象，只能降低稳态精度即调速误差和动态响应性能等，按控制理论说即需增加滞后校正环节来确保系统稳定性而降低各性能指标。

汽车执行机构应包含驱动、制动、转向三大环节，它即是制约整辆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，从而制约整车性能难以有效提高。

为此综合多项技术的深入分析与研究，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、转向三大执行机构的快速响应性和性价比的四项发明专利。

简述如下：

1）兼有电动、发电回馈和电磁制动多功能的磁阻式轮毂电机[1]。

通过对车辆起步、加速、爬坡、下坡、高速、低速、滑行、降速、制动和停车等各种行驶工况的全面特性分析，总结出电动汽车对驱动电机的六项性能要求[2]。

按电磁场理论，电机本身除了电动、发电，还应有电磁制动功能。

为此经分析比较各类调速电机结构原理后，通过对变磁阻电机的电磁转矩方程等深入分析和改进设计，提出兼有电动、发电回馈和电磁制动多功能的两种磁阻式轮毂电机。

由于变磁阻电机具有结构简单、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的短时过载能力，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。

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，类似于防抱死制动系统ABS或驱动防滑转控制ASR的制动过程，从而可提高车辆行驶的安全性、稳定性和操控性。

诸多优点既能极好地全面满足电动汽车对驱动电机的六项基本要求。

2）具有起动绕组的单相开关磁阻式多功能轮毂电机[3]。

又由于轮毂电机受车轮毂内结构体积限制，对汽车轮毂电机的单位体积功率提出了特殊的较高要求。

而单相开关磁阻电机恰好具有该特点，但缺点是无自起动功能，通过对各类电机起动机理分析比较，提出了用直流电机原理启动，按变磁阻原理运行，具有更好的电磁制动等多功能的组合式创新电机。

也使该廉价而高效电机所具有的结构更简单、坚固可靠等各项优点能得以充分发挥。

3）基于直线电机控制的汽车转向系统[4]。

通过分析汽车转向系各功能要求与其相应机构运行原理的关系，根据转向机构最终带动转向节臂的横拉杆均为左右直线运动等特点，提出了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，使结构更简捷，利用直线步进电机的控制特点，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。

4）四轮毂电机驱动四轮转向电子差速控制系统[5]。

鉴于轮毂电机驱动诸多优势[2]和其功率较难大幅提高，所以可采用四台轮毂电机替代常规的一台电机来实现小马拉大车。

而四轮驱动可充分利用地面附着力，又结合直线电机控制转向技术，更易实现全面改善转向性能的四轮转向。

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其实施的结构原理。

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。

其实施将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。

三、充分发挥电动汽车用电机驱动控制的各种应有技术优势

通过对发动机功率Pe、转矩Ttq和有效燃油消耗率b随其曲轴转速n的变化曲线即其外特性，以及发动机与电动机动力特性曲线的比较分析[2]，说明传统汽车为适应发动机能高效产生转矩的转速范围很窄等特点须采用庞大而复杂的变速机构。

而电动机可在相当宽广的调速范围高效产生转矩,现代电机直接转矩控制理论使该技术已得到越来越广应用，对此数控伺服驱动（从早期的伺服电机需经齿轮减速来放大扭矩，到后来均由电机直接带动丝杠，更有采用直线电机直接驱动机床拖板以及用电主轴进行强力切削等应用实例）早已进入实用化，调速比可高达1:

20000，远高于汽车行驶的变速要求。

而电机直接转矩控制取消了机械摩擦损耗，提高了刚性，即节能减噪、简化机构，又提高了动态响应性。

而且电动机又有相当的短时过载能力，良好电机能达数分钟内过载额定功率的３倍甚至更高倍数，满足汽车频繁重载起步、短时加速超车、爬短坡等各种行驶要求。

即电动汽车用电机驱动相对发动机有数百倍的快速响应、数千倍的调速比、相当的短时过载能力等诸多优势。

因此电动汽车需充分发挥电机驱动应有的各项技术优势，按汽车行驶工况的负载特性选择合适的电机类型，并通过对结构突破性改进变革，达到简化机械机构、降低车载自重和成本、提高动态响应性及其控制性能，即可提高电动汽车性价比，使其尽快普及商品化。

而分析比较现所研发的众多电动汽车，结构均沿袭传统的设计模式。

由于没从发挥电机驱动优势来突破性改进其结构，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。

如一款定价30万元的品牌纯电动轿车，虽采用高性能蓄电池，但由于电动机功率和蓄电池容量增加，使车载自重比一般轿车增加了一倍，其中一半为电池重量。

按车辆动力学可知，汽车的滚动阻力、坡度阻力、加速阻力均与车载质量成正比。

因此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，大量车载自重增加如同载货汽车，失去了小轿车轻便灵活应有优势。

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，但车内地板的增高即影响乘坐舒适性，也增加一定风阻。

也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。

并且如此多的蓄电池也难以采用更换法来确保续驶里程。

而且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、变磁阻等多种类型[2]，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。

但分析现有电动汽车介绍，发现所选电机几乎应有尽有，存在盲目选择的相应误区。

现有较多电动汽车竟然还选用永磁同步电机，同步电机的优点是调速精度极高（转速总与电源频率同步），也由此引起过载易失步缺点，虽永磁同步电机效率可提高10%左右，但极差的过载能力，使得无法发挥诸多良好电机能数分钟内过载额定功率３倍以上的优势，在满足起步、加速、爬短坡等短时过载要求的同时，可较大减小电机功率来降低成本、车载自重和大部分运行期的电能。

这对行驶工况多变、调速精度要求不高的汽车存在顾此失彼。

当然，如荣威E1纯电动概念车已采用了较理想的轮毂电机、奥迪e-tron为四驱超跑概念车，其性能均得以较大提升，公司也称其代表了未来汽车的发展方向。

对于电动汽车电机驱动最佳控制方式，前已介绍两项多功能磁阻式轮毂电机专利技术。

在此

还需按电机学，利用开关磁阻电机独特的电磁转矩方程式来分析说明其控制特性：

由于电机电流与转速成反比，电磁转矩Tem与电流i又成二次方关系（而对于常用的交、直流电机均为一次方），因而磁阻电机更易获得低速大扭矩，即特别适于汽车带负载起步等要求。

但由于电动汽车由蓄电池供电，过大的峰值电流极易损坏蓄电池，因此电机低速启动时须通过斩波限流控制。

即低速时采用电流斩波恒转矩调速，高速时采用角度位置恒功率调速，以获得较宽的调速范围。

并且由于Tem与i2成正比，即电磁转矩的正、负与电流的方向无关，所以每相绕组可通过单方向的电流供电。

如此，每相绕组的电流只要采用一只开关管来控制，这不仅使整个驱动变流器所用器件可减少一半，还避免了一般变流器上、下桥臂若同时导通引起电源短路，提高了系统的可靠性。

而对于电机驱动控制器的成本主要是大功率开关管，并且对单相磁阻电机其驱动控制器成本还可更低。

对于开关磁阻电机因转矩脉动引起的噪声及振动也已提出了相应改进方案，这已在数控发展初期对功率步进电机性能改进中得以证实。

开关磁阻电机是很有发展前途的新兴机电一体化能量转换装置，而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。

近已在业内得到重视和深层次研究，而应