運用逆向思維的電動汽車技術架構

文/鄭州大學 莊森 禹

運用逆向思維的電動汽車技術架構

文/鄭州大學 莊森 禹

從電動汽車應當具有遠程行駛能力的立場出發(fā)，以快速換電為切入點，描述了一個包含電力供給體系和電源及驅動系統(tǒng)的新型電動汽車技術架構。采用先期規(guī)劃電力供給體系而后開發(fā)電動汽車的策略，以人工換電、小箱標準電池、簡約換電站、充電工廠（儲能電站）以及分繞組電機等概念為基礎。

了解電動汽車的人都知道，不能遠程行駛和電池價格居高不下是電動汽車發(fā)展的兩個主要障礙，其中不能遠程行駛又歸因于續(xù)航里程短、充電時間長。剛剛過去的2014年，我國電動汽車銷量4.5萬輛，僅及燃油汽車銷量1970萬輛的千分之二。面對國家和地方政府大量行政和經濟措施扶持下獲得這一并不理想的成績單，人們是否應當深思：因循歐美第二輛車或者短途用車的概念發(fā)展電動汽車是否適合？

舊技術體系的不適應性

汽車發(fā)展的歷史表明，上個世紀前三十年曾經興盛一時的電動汽車與燃油汽車的市場地位發(fā)生了逆轉，燃油汽車后來居上成為歐美發(fā)達國家千萬家庭的寵兒，電動汽車則淪為在特定封閉區(qū)域使用的專用工具。導致這一逆轉的原因與當今電動汽車遇到的困難并無二致。近百年來，電動汽車技術雖然在電池、電機、電控等各個方面都有長足的發(fā)展，其根本技術架構卻無大的改變。在此期間燃油汽車不僅自身技術日臻完美，與其相配套的道路、停車場、加油站等服務設施也日益完備。

今日，正像“汽車社會”、“汽車文化”等學術用語所蘊含的那樣，汽車（主要是燃油汽車）不僅已經成為現(xiàn)代社會的生活必需品，也被賦予了豐富的文化內涵。在此背景下如果無視電動汽車現(xiàn)存的諸多不便，奢望人們放棄燃油汽車改用電動汽車就等于要他放棄原有的生活習慣和價值觀念，無異于讓人棄用智能手機改用固定電話，讓人棄液晶電視而改用黑白電視，其難度可想而知。

因此，在發(fā)展電動汽車已經確立為國家戰(zhàn)略的當下，重新謀定發(fā)展路線和發(fā)展策略應該成為當務之急。在我國這樣一個汽車普及率不及美國的十分之一、三分之二的新車出售給初次購車者的發(fā)展中大國，電動汽車或許只有面向家庭的首輛車，也就是說能滿足跨區(qū)域遠程行駛需求才有出路。既然源于十九世紀的現(xiàn)行電動汽車技術架構無法滿足這種需求，何不回到原點從零開始進行頂層設計，創(chuàng)造一個新的技術體系。

新技術體系探討

在續(xù)航里程短、充電時間長這兩個妨礙電動汽車遠程行駛的關鍵障礙中，續(xù)航里程雖然受電池技術制約難以比肩燃油汽車，但續(xù)航150公里～200公里還不難實現(xiàn)。這個距離相當于在高速公路上駛過三四個服務區(qū)或大多數(shù)人日常行駛兩三天的路程，只要電力耗盡時快速得到供給，駕駛電動汽車500公里一日往返、1000公里朝發(fā)夕至亦非難事。

如此，快速電力供給就成為問題的焦點。既然沿用先開發(fā)出電動汽車而后為其配套電力供給體系的傳統(tǒng)發(fā)展策略不能解決問題，那么運用一下逆向思維，先規(guī)劃一個滿足需求且容易實現(xiàn)的電力供給體系，然后再開發(fā)適應這一電力供給體系的電動汽車會怎樣。出現(xiàn)李克強總理所講的“顛覆性技術”也未可知。

說到快速電力供給，首先需要界定電力供給的快與慢。多年來，人們已經習慣于燃油汽車加油所需的數(shù)分鐘時間，電動汽車的快速電力供給采用這一標準順理成章。從物理學原理來看，現(xiàn)存的三種電動汽車電力供給方式中，快速充電相對來講接近這個標準但也需數(shù)倍于加油耗時的30分鐘（80%），普通充電所需的數(shù)小時可說是天壤之別，只有換電方式符合標準。有報道說特斯拉換電站一分半鐘可以完成一次換電操作 。

自從曾經的明星換電運營商Better Place破產以來，支持換電的觀點似乎已經銷聲匿跡。但是，既然特斯拉又開始換電了，事情看來尚存回旋余地。多數(shù)專家認為Better Place的換電方式一是換電站建設運營成本高，二是電池不能在多種車型間通用，使其最終走向破產。Better Place的失敗說明它的換電方案和商業(yè)模式行不通，但是如果據此斷定換電方式行不通特斯拉首先不會認同。

達成一個既定目標從來都不止有一種方法，能否成功在于能否尋找到技術可行、經濟合算的解決方案，將問題簡單化的最有效手段莫過于“分解”。例如古代印刷書籍采用雕版印刷技術，一頁印版雕成書頁的內容布局、字的形狀、大小無法更改，一部書的雕版需要具有高超技藝的雕刻工匠耗費大量時日，因而書籍昂貴。活字印刷技術普及之后，一套字模可以反復用來鑄造鉛字，而后隨意排成印版，字模和鉛字的通用性保證了印刷成本的低廉。

如果說快速電力供給是電動汽車的必然選擇，Better Place失敗的主要原因是沒有實現(xiàn)電池通用化，而將雕版上的字符分解為一個個鉛字可以破解通用化難題，那么何不嘗試一下將電動汽車的大箱電池組分解，代之以多個（比如說十個2kWh的）參照電動自行車鋰電池標準的小箱電池。

以小箱電池為基礎可以構建一個簡單的快速電力供給體系。只要電池體積和重量都適合人力搬動，而且借用電動自行車鋰電池適合快速裝拆的安裝結構，換電作業(yè)就可以采用純人工方式。從人工換電出發(fā)，繼而將換電站的充電功能剝離出去，剩下的數(shù)個收納電池的專用周轉貨架和兩三個操作人員就能構成一個典型的簡約換電站。接下來要做的是，將從各個換電站剝離出來的充電服務匯集到一個大型的儲能電站，充分利用夜間電網的低谷電力為電池充電。最后用貨運車輛在換電站與儲能電站之間往返穿梭，為各個換電站運來充滿的電池并帶走放空的電池。在這樣一個類似WI-FI無線局域網架構的電力供給體系中，如果說換電站好比WI-FI熱點、儲能電站好比無線路由器、貨運車輛好比無線電波，一個個標準電池好比“無線電波”所攜帶的數(shù)字信號，那么電動汽車就相當于移動終端。

可以預見，流通的商品從電轉化為標準電池、消費者支付滿電電池和空電電池之間的差價，上述電力供給體系各個利益相關方都能獲得顯而易見的經濟收益。第一個受益者是電動汽車的購買者，不為電池付費卻可以盡情享用別人提供的電，自然也就無需關心電池的價格壽命幾何。電池制造者則不再因百來個“雞肋”般的訂單而苦惱，可以日復一日地生產同樣的電池。電動汽車制造者不再為選用多大的電池而殫精竭慮，可以按自己的喜好靈活設計續(xù)航里程，只需考慮如何將所需個數(shù)的電池塞進車里。城市的管理者不必再為從哪里擠出充換電站的建設用地、為如何壓迫小區(qū)物業(yè)放行充電樁安裝、為可能到來的配電網增容改造而苦惱，只需將電動汽車的基礎設施建設交給電力供給體系的運營者就萬事大吉。

電力供給體系的運營者的收益則更大。先是從“先有雞還是先有蛋”的無休止口水官司中脫身，不說“雞”也不說“蛋”，轉而建造一個相當于自然界中“野生原雞”進化地位的儲能電站，先收獲著電網峰谷電價差的利益，隨著電動汽車擁有量的增加逐步轉身為充電工廠，等到流通中標準電池壽命期來臨梯級利用自然而然地發(fā)生，充電工廠再一次轉化為儲能電站。其次電力供給體系運營者不必煩惱換電站如何“建”只需籌劃“擱”在哪里，只要能騰出幾十平米的場地，加油站、公共停車場、居民小區(qū)、工廠商場都可以加入換電站的行列。不僅如此，這些換電站的數(shù)量、換電站的地點和容量可以隨時根據形勢的發(fā)展任意調整。長遠看，不僅這樣的儲能電站很容易與風力光伏電站相融合，如果將標準電池看作一個大的“充電寶”其應用領域甚至可以涵蓋日常生活、生產的方方面面。

有了電力供給體系和適合人工換電的小箱標準電池，接下來的課題就是能否將這些標準電池用于電動汽車的電源系統(tǒng)。其關鍵在于處理好三個問題：一是電池的安裝位置，二是電池固定可靠便于快速更換安裝結構，三是電池與電機之間的電氣連接關系。

對于采用一個大箱電池的電動汽車而言，考慮到車內空間和車輛重心、軸荷，其安裝位置大多利用座椅下的空間安裝在車輛下部中間位置。當采用多數(shù)個標準電池時，安裝位置不僅可以在前后座椅下面還可以在引擎?zhèn)}或者行李箱的邊角處分布安裝，設計者的選擇自由度大大提高。若說電池安裝結構，QB/T 4428-2012《電動自行車用鋰離子電池產品規(guī)格尺寸》所定電池外殼滑槽及配對的安裝滑道是現(xiàn)成可用的，既安裝可靠又方便插拔。

至于電池與電機間的電氣連接關系則需要多些文字加以說明。電動汽車以數(shù)個小箱標準電池為電源，除去上面所述種種以外還可為解決高電壓觸電風險、簡化整車電池管理系統(tǒng)、簡化電池熱管理等電池相關問題創(chuàng)造機會。通常的電動汽車為在限制過大電流的條件下保證驅動電機的輸出功率，單個大箱電池的工作電壓多在300V以上。將電壓分解給十個小箱標準電池，每個標準電池的電壓就低于40V，處于安全電壓范圍內。如果不將這些電池串聯(lián)一起而是分別經逆變器接入驅動電機，高電壓的弊端就可以徹底根除。驅動電機可以相應地將定子繞組分解為十個分繞組，工作時各個分繞組產生的磁通勢相疊加與原繞組相當。各個標準電池分別接入驅動電機還可以帶來一個好處，電池均衡的對象不再是整個電源系統(tǒng)而轉化為各個標準電池，所涉單體電池數(shù)量僅為整體電池的十分之一。更有意義的是，十個標準電池分別經逆變器接入具有十個分繞組的驅動電機，其功效相當于用十個小電機共同承擔電動汽車的驅動。從理論上講可以分別控制每個分繞組參與或者不參與驅動，利于電動汽車應對多種復雜工況。尤其是在電動汽車起步或者加速時確保全部分繞組參與驅動抑制大電流沖擊，巡航行駛時控制各個分繞組逐次停歇方便相應的小電池散熱，當某個分繞組或者為其供電的標準電池發(fā)生故障時其余分繞組繼續(xù)工作就能避免電動汽車突然失速。

總結

總之，既然欠缺遠途行駛能力是源于十九世紀的現(xiàn)行電動汽車技術架構的系統(tǒng)性缺陷，那么基于現(xiàn)有電池技術構建新的、技術可行經濟合算的、涵蓋電力供應和電源及驅動系統(tǒng)的電動汽車技術架構，或許是化解電動汽車諸多難題的有效路徑。本文所描述的電動汽車技術架構是運用逆向思維、采用先期規(guī)劃電力供給體系而后開發(fā)電動汽車的策略的嘗試，以人工換電、小箱標準電池、簡約換電站、充電工廠（儲能電站）以及分布電源和分繞組電機等概念為基礎，其核心技術思想已經表述于CN102044898B、CN201994360U、CN201918754U、CN 204149884 U等專利文獻，有望為電動汽車產業(yè)的發(fā)展提供幫助。

莊森，1961年生，河南省南陽市人。1992年1月赴日留學，1997年3月獲日本國立鳥取大學博士學位，1997年4月起先后在日本三家企業(yè)從事機電裝備開發(fā)，2001年8月起任鄭州大學機械工程學院教師。