运用逆向思维的电动汽车技术架构

文/郑州大学 庄森 禹

运用逆向思维的电动汽车技术架构

文/郑州大学 庄森 禹

从电动汽车应当具有远程行驶能力的立场出发，以快速换电为切入点，描述了一个包含电力供给体系和电源及驱动系统的新型电动汽车技术架构。采用先期规划电力供给体系而后开发电动汽车的策略，以人工换电、小箱标准电池、简约换电站、充电工厂（储能电站）以及分绕组电机等概念为基础。

了解电动汽车的人都知道，不能远程行驶和电池价格居高不下是电动汽车发展的两个主要障碍，其中不能远程行驶又归因于续航里程短、充电时间长。刚刚过去的2014年，我国电动汽车销量4.5万辆，仅及燃油汽车销量1970万辆的千分之二。面对国家和地方政府大量行政和经济措施扶持下获得这一并不理想的成绩单，人们是否应当深思：因循欧美第二辆车或者短途用车的概念发展电动汽车是否适合？

旧技术体系的不适应性

汽车发展的历史表明，上个世纪前三十年曾经兴盛一时的电动汽车与燃油汽车的市场地位发生了逆转，燃油汽车后来居上成为欧美发达国家千万家庭的宠儿，电动汽车则沦为在特定封闭区域使用的专用工具。导致这一逆转的原因与当今电动汽车遇到的困难并无二致。近百年来，电动汽车技术虽然在电池、电机、电控等各个方面都有长足的发展，其根本技术架构却无大的改变。在此期间燃油汽车不仅自身技术日臻完美，与其相配套的道路、停车场、加油站等服务设施也日益完备。

今日，正像“汽车社会”、“汽车文化”等学术用语所蕴含的那样，汽车（主要是燃油汽车）不仅已经成为现代社会的生活必需品，也被赋予了丰富的文化内涵。在此背景下如果无视电动汽车现存的诸多不便，奢望人们放弃燃油汽车改用电动汽车就等于要他放弃原有的生活习惯和价值观念，无异于让人弃用智能手机改用固定电话，让人弃液晶电视而改用黑白电视，其难度可想而知。

因此，在发展电动汽车已经确立为国家战略的当下，重新谋定发展路线和发展策略应该成为当务之急。在我国这样一个汽车普及率不及美国的十分之一、三分之二的新车出售给初次购车者的发展中大国，电动汽车或许只有面向家庭的首辆车，也就是说能满足跨区域远程行驶需求才有出路。既然源于十九世纪的现行电动汽车技术架构无法满足这种需求，何不回到原点从零开始进行顶层设计，创造一个新的技术体系。

新技术体系探讨

在续航里程短、充电时间长这两个妨碍电动汽车远程行驶的关键障碍中，续航里程虽然受电池技术制约难以比肩燃油汽车，但续航150公里～200公里还不难实现。这个距离相当于在高速公路上驶过三四个服务区或大多数人日常行驶两三天的路程，只要电力耗尽时快速得到供给，驾驶电动汽车500公里一日往返、1000公里朝发夕至亦非难事。

如此，快速电力供给就成为问题的焦点。既然沿用先开发出电动汽车而后为其配套电力供给体系的传统发展策略不能解决问题，那么运用一下逆向思维，先规划一个满足需求且容易实现的电力供给体系，然后再开发适应这一电力供给体系的电动汽车会怎样。出现李克强总理所讲的“颠覆性技术”也未可知。

说到快速电力供给，首先需要界定电力供给的快与慢。多年来，人们已经习惯于燃油汽车加油所需的数分钟时间，电动汽车的快速电力供给采用这一标准顺理成章。从物理学原理来看，现存的三种电动汽车电力供给方式中，快速充电相对来讲接近这个标准但也需数倍于加油耗时的30分钟（80%），普通充电所需的数小时可说是天壤之别，只有换电方式符合标准。有报道说特斯拉换电站一分半钟可以完成一次换电操作 。

自从曾经的明星换电运营商Better Place破产以来，支持换电的观点似乎已经销声匿迹。但是，既然特斯拉又开始换电了，事情看来尚存回旋余地。多数专家认为Better Place的换电方式一是换电站建设运营成本高，二是电池不能在多种车型间通用，使其最终走向破产。Better Place的失败说明它的换电方案和商业模式行不通，但是如果据此断定换电方式行不通特斯拉首先不会认同。

达成一个既定目标从来都不止有一种方法，能否成功在于能否寻找到技术可行、经济合算的解决方案，将问题简单化的最有效手段莫过于“分解”。例如古代印刷书籍采用雕版印刷技术，一页印版雕成书页的内容布局、字的形状、大小无法更改，一部书的雕版需要具有高超技艺的雕刻工匠耗费大量时日，因而书籍昂贵。活字印刷技术普及之后，一套字模可以反复用来铸造铅字，而后随意排成印版，字模和铅字的通用性保证了印刷成本的低廉。

如果说快速电力供给是电动汽车的必然选择，Better Place失败的主要原因是没有实现电池通用化，而将雕版上的字符分解为一个个铅字可以破解通用化难题，那么何不尝试一下将电动汽车的大箱电池组分解，代之以多个（比如说十个2kWh的）参照电动自行车锂电池标准的小箱电池。

以小箱电池为基础可以构建一个简单的快速电力供给体系。只要电池体积和重量都适合人力搬动，而且借用电动自行车锂电池适合快速装拆的安装结构，换电作业就可以采用纯人工方式。从人工换电出发，继而将换电站的充电功能剥离出去，剩下的数个收纳电池的专用周转货架和两三个操作人员就能构成一个典型的简约换电站。接下来要做的是，将从各个换电站剥离出来的充电服务汇集到一个大型的储能电站，充分利用夜间电网的低谷电力为电池充电。最后用货运车辆在换电站与储能电站之间往返穿梭，为各个换电站运来充满的电池并带走放空的电池。在这样一个类似WI-FI无线局域网架构的电力供给体系中，如果说换电站好比WI-FI热点、储能电站好比无线路由器、货运车辆好比无线电波，一个个标准电池好比“无线电波”所携带的数字信号，那么电动汽车就相当于移动终端。

可以预见，流通的商品从电转化为标准电池、消费者支付满电电池和空电电池之间的差价，上述电力供给体系各个利益相关方都能获得显而易见的经济收益。第一个受益者是电动汽车的购买者，不为电池付费却可以尽情享用别人提供的电，自然也就无需关心电池的价格寿命几何。电池制造者则不再因百来个“鸡肋”般的订单而苦恼，可以日复一日地生产同样的电池。电动汽车制造者不再为选用多大的电池而殚精竭虑，可以按自己的喜好灵活设计续航里程，只需考虑如何将所需个数的电池塞进车里。城市的管理者不必再为从哪里挤出充换电站的建设用地、为如何压迫小区物业放行充电桩安装、为可能到来的配电网增容改造而苦恼，只需将电动汽车的基础设施建设交给电力供给体系的运营者就万事大吉。

电力供给体系的运营者的收益则更大。先是从“先有鸡还是先有蛋”的无休止口水官司中脱身，不说“鸡”也不说“蛋”，转而建造一个相当于自然界中“野生原鸡”进化地位的储能电站，先收获着电网峰谷电价差的利益，随着电动汽车拥有量的增加逐步转身为充电工厂，等到流通中标准电池寿命期来临梯级利用自然而然地发生，充电工厂再一次转化为储能电站。其次电力供给体系运营者不必烦恼换电站如何“建”只需筹划“搁”在哪里，只要能腾出几十平米的场地，加油站、公共停车场、居民小区、工厂商场都可以加入换电站的行列。不仅如此，这些换电站的数量、换电站的地点和容量可以随时根据形势的发展任意调整。长远看，不仅这样的储能电站很容易与风力光伏电站相融合，如果将标准电池看作一个大的“充电宝”其应用领域甚至可以涵盖日常生活、生产的方方面面。

有了电力供给体系和适合人工换电的小箱标准电池，接下来的课题就是能否将这些标准电池用于电动汽车的电源系统。其关键在于处理好三个问题：一是电池的安装位置，二是电池固定可靠便于快速更换安装结构，三是电池与电机之间的电气连接关系。

对于采用一个大箱电池的电动汽车而言，考虑到车内空间和车辆重心、轴荷，其安装位置大多利用座椅下的空间安装在车辆下部中间位置。当采用多数个标准电池时，安装位置不仅可以在前后座椅下面还可以在引擎仓或者行李箱的边角处分布安装，设计者的选择自由度大大提高。若说电池安装结构，QB/T 4428-2012《电动自行车用锂离子电池产品规格尺寸》所定电池外壳滑槽及配对的安装滑道是现成可用的，既安装可靠又方便插拔。

至于电池与电机间的电气连接关系则需要多些文字加以说明。电动汽车以数个小箱标准电池为电源，除去上面所述种种以外还可为解决高电压触电风险、简化整车电池管理系统、简化电池热管理等电池相关问题创造机会。通常的电动汽车为在限制过大电流的条件下保证驱动电机的输出功率，单个大箱电池的工作电压多在300V以上。将电压分解给十个小箱标准电池，每个标准电池的电压就低于40V，处于安全电压范围内。如果不将这些电池串联一起而是分别经逆变器接入驱动电机，高电压的弊端就可以彻底根除。驱动电机可以相应地将定子绕组分解为十个分绕组，工作时各个分绕组产生的磁通势相叠加与原绕组相当。各个标准电池分别接入驱动电机还可以带来一个好处，电池均衡的对象不再是整个电源系统而转化为各个标准电池，所涉单体电池数量仅为整体电池的十分之一。更有意义的是，十个标准电池分别经逆变器接入具有十个分绕组的驱动电机，其功效相当于用十个小电机共同承担电动汽车的驱动。从理论上讲可以分别控制每个分绕组参与或者不参与驱动，利于电动汽车应对多种复杂工况。尤其是在电动汽车起步或者加速时确保全部分绕组参与驱动抑制大电流冲击，巡航行驶时控制各个分绕组逐次停歇方便相应的小电池散热，当某个分绕组或者为其供电的标准电池发生故障时其余分绕组继续工作就能避免电动汽车突然失速。

总结

总之，既然欠缺远途行驶能力是源于十九世纪的现行电动汽车技术架构的系统性缺陷，那么基于现有电池技术构建新的、技术可行经济合算的、涵盖电力供应和电源及驱动系统的电动汽车技术架构，或许是化解电动汽车诸多难题的有效路径。本文所描述的电动汽车技术架构是运用逆向思维、采用先期规划电力供给体系而后开发电动汽车的策略的尝试，以人工换电、小箱标准电池、简约换电站、充电工厂（储能电站）以及分布电源和分绕组电机等概念为基础，其核心技术思想已经表述于CN102044898B、CN201994360U、CN201918754U、CN 204149884 U等专利文献，有望为电动汽车产业的发展提供帮助。

庄森，1961年生，河南省南阳市人。1992年1月赴日留学，1997年3月获日本国立鸟取大学博士学位，1997年4月起先后在日本三家企业从事机电装备开发，2001年8月起任郑州大学机械工程学院教师。