文/鄭州大學(xué) 莊森 禹

運用逆向思維的電動汽車技術(shù)架構(gòu)

文/鄭州大學(xué) 莊森 禹

從電動汽車應(yīng)當(dāng)具有遠(yuǎn)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(qū)動系統(tǒng)的新型電動汽車技術(shù)架構(gòu)。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(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)。

了解電動汽車的人都知道，不能遠(yuǎn)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(yuǎn)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(jīng)濟措施扶持下獲得這一并不理想的成績單，人們是否應(yīng)當(dāng)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(shù)體系的不適應(yīng)性

汽車發(fā)展的歷史表明，上個世紀(jì)前三十年曾經(jīng)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(zhuǎn)，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(dǎo)致這一逆轉(zhuǎn)的原因與當(dāng)今電動汽車遇到的困難并無二致。近百年來，電動汽車技術(shù)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(shù)架構(gòu)卻無大的改變。在此期間燃油汽車不僅自身技術(shù)日臻完美，與其相配套的道路、停車場、加油站等服務(wù)設(shè)施也日益完備。

今日，正像“汽車社會”、“汽車文化”等學(xué)術(shù)用語所蘊含的那樣，汽車（主要是燃油汽車）不僅已經(jīng)成為現(xiàn)代社會的生活必需品，也被賦予了豐富的文化內(nèi)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(xí)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(jīng)確立為國家戰(zhàn)略的當(dāng)下，重新謀定發(fā)展路線和發(fā)展策略應(yīng)該成為當(dāng)務(wù)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(yuǎn)程行駛需求才有出路。既然源于十九世紀(jì)的現(xiàn)行電動汽車技術(shù)架構(gòu)無法滿足這種需求，何不回到原點從零開始進行頂層設(shè)計，創(chuàng)造一個新的技術(shù)體系。

新技術(shù)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(yuǎn)程行駛的關(guān)鍵障礙中，續(xù)航里程雖然受電池技術(shù)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(dāng)于在高速公路上駛過三四個服務(wù)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(yīng)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(shù)”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(jīng)習(xí)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(biāo)準(zhǔn)順理成章。從物理學(xué)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。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(jīng)的明星換電運營商Better Place破產(chǎn)以來，支持換電的觀點似乎已經(jīng)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(rèn)為Better Place的換電方式一是換電站建設(shè)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(chǎn)。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(jù)此斷定換電方式行不通特斯拉首先不會認(rèn)同。

達成一個既定目標(biāo)從來都不止有一種方法，能否成功在于能否尋找到技術(shù)可行、經(jīng)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(shù)，一頁印版雕成書頁的內(nèi)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?；钭钟∷⒓夹g(shù)普及之后，一套字?？梢苑磸?fù)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(biāo)準(zhǔn)的小箱電池。

以小箱電池為基礎(chǔ)可以構(gòu)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(jié)構(gòu)，換電作業(yè)就可以采用純?nèi)斯し绞?。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(zhuǎn)貨架和兩三個操作人員就能構(gòu)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(wù)匯集到一個大型的儲能電站，充分利用夜間電網(wǎng)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(wǎng)架構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)于移動終端。

可以預(yù)見，流通的商品從電轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)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(guān)方都能獲得顯而易見的經(jīng)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(guān)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(fù)一日地生產(chǎn)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(shè)計續(xù)航里程，只需考慮如何將所需個數(shù)的電池塞進車?yán)?。城市的管理者不必再為從哪里擠出充換電站的建設(shè)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(wǎng)增容改造而苦惱，只需將電動汽車的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(zhuǎn)而建造一個相當(dāng)于自然界中“野生原雞”進化地位的儲能電站，先收獲著電網(wǎng)峰谷電價差的利益，隨著電動汽車擁有量的增加逐步轉(zhuǎn)身為充電工廠，等到流通中標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)化為儲能電站。其次電力供給體系運營者不必?zé)罁Q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(jù)形勢的發(fā)展任意調(diào)整。長遠(yuǎn)看，不僅這樣的儲能電站很容易與風(fēng)力光伏電站相融合，如果將標(biāo)準(zhǔn)電池看作一個大的“充電寶”其應(yīng)用領(lǐng)域甚至可以涵蓋日常生活、生產(chǎn)的方方面面。

有了電力供給體系和適合人工換電的小箱標(biāo)準(zhǔn)電池，接下來的課題就是能否將這些標(biāo)準(zhǔn)電池用于電動汽車的電源系統(tǒng)。其關(guān)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(jié)構(gòu)，三是電池與電機之間的電氣連接關(guān)系。

對于采用一個大箱電池的電動汽車而言，考慮到車內(nèi)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(dāng)采用多數(shù)個標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計者的選擇自由度大大提高。若說電池安裝結(jié)構(gòu)，QB/T 4428-2012《電動自行車用鋰離子電池產(chǎn)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(guān)系則需要多些文字加以說明。電動汽車以數(shù)個小箱標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)險、簡化整車電池管理系統(tǒng)、簡化電池?zé)峁芾淼入姵叵嚓P(guān)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(qū)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(biāo)準(zhǔn)電池，每個標(biāo)準(zhǔn)電池的電壓就低于40V，處于安全電壓范圍內(nèi)。如果不將這些電池串聯(lián)一起而是分別經(jīng)逆變器接入驅(qū)動電機，高電壓的弊端就可以徹底根除。驅(qū)動電機可以相應(yīng)地將定子繞組分解為十個分繞組，工作時各個分繞組產(chǎn)生的磁通勢相疊加與原繞組相當(dāng)。各個標(biāo)準(zhǔn)電池分別接入驅(qū)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(zhuǎn)化為各個標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)電池分別經(jīng)逆變器接入具有十個分繞組的驅(qū)動電機，其功效相當(dāng)于用十個小電機共同承擔(dān)電動汽車的驅(qū)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(qū)動，利于電動汽車應(yīng)對多種復(fù)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(qū)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(yīng)的小電池散熱，當(dāng)某個分繞組或者為其供電的標(biāo)準(zhǔn)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(jié)

總之，既然欠缺遠(yuǎn)途行駛能力是源于十九世紀(jì)的現(xiàn)行電動汽車技術(shù)架構(gòu)的系統(tǒng)性缺陷，那么基于現(xiàn)有電池技術(shù)構(gòu)建新的、技術(shù)可行經(jīng)濟合算的、涵蓋電力供應(yīng)和電源及驅(qū)動系統(tǒng)的電動汽車技術(shù)架構(gòu)，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(shù)架構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)，其核心技術(shù)思想已經(jīng)表述于CN102044898B、CN201994360U、CN201918754U、CN 204149884 U等專利文獻，有望為電動汽車產(chǎn)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(xué)，1997年3月獲日本國立鳥取大學(xué)博士學(xué)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(xué)機械工程學(xué)院教師。