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pc蛋蛋幸运28害死人:未来电动汽车新产业链的理想运行模式探讨

【摘要】分析现有电动汽车由汽车厂家单挑一研发制作的弊端,为使未来电动汽车即能满足用户多样化需求,又可达到大批量专业化精益生产条件的最佳运行模式。综合运用汽车、电机、控制三大基础理论,提出基于四大基础部件的电动汽车最佳结构。要求汽车业联合电机、电控、电子等行业,共同协作潜心于核心技术及其基础研究,制定最佳结构的各零部件标准化,多品种电动汽车即可由多规格零部件组成的多系列基础部件选配组装,以专业化精益生产来极大提高性价比。为此各相关执政部门及行业协会需通过协调,以消除行业壁垒来整合重组新汽车产业链。使我国电动汽车业不失时机地赶超世界领先,并以龙头产业振兴整个民族工业。
论文关键词:电动汽车,最佳结构,基础部件,新产业链,精益生产,运行模式

1 引言

电动汽车是节能环保的未来汽车已被世界所公认,为此各国均已投入大量人力、物力掀起了研发电动汽车热,全球各大汽车业都在为尽快掌握其核心技术占领未来汽车领域而努力。但由于电动汽车结构或其产业链发生了本质变化,需要更多的电机、电子及电池等技术行业来共同参与,并且其性价比要真正能被广大民众所接受,要求各部件能尽快标准化,以专业化流水线方式生产。对于我国在传统汽车领域仍较大地落后于发达国家,其技术还长年受制于国外,而发展电动汽车确是赶超世界领先的极好机遇,但也更须实现跨行业间的联合协作??銮叶嗄昀此媸?、计算机、手机等技术的发展,电动汽车所需的相关产业在我国也已具备相当的实力基础,即应通过各相关执政部门的协调,尤其面对当前我国极好的汽车市场前景,汽车业需消除行业壁垒,以振兴民族工业为前提,通过联合协作共同努力,即使相关行业能共同分享汽车龙头产业的大蛋糕,也才能使汽车业自身得到快速发展。犹如当年数控机床发展初期,机床需有更好的伺服电机和数控系统来控制,要求电机、电子等行业来共同协作开发,即使当初还属两个部门管辖的机械与电子紧密联合,从而促进了我国机床数控化率的快速提高,也使相关行业得到共同发展。这是迅猛发展的电子技术使更多机械产品向机电一体化发展的需要。

电动汽车三大类间关系为:纯电动汽车是技术基??;混合动力电动汽车是发展中过渡模式;燃料电池汽车是理想目标。且三类电动汽车都要用电机作驱动,所发展电机技术是基础之基础。发展混合动力电动汽车相对我国技术优势不大,成本也总难以下降。燃料电池汽车虽是理想目标,但目前在氢原料上有待作大量研究提高。而抓好纯电动汽车技术基础即可利用我国在市场、资源、技术三大优势:纯电动汽车主要存在能量不富裕特点,特别适于微型车制作,而我国家庭也正呈小型化结构,随生活水平提高私家车销量将占最大部分。作为车载能源蓄电池最具发展潜力是锂电池,而材料锂的储存量约一半在我国。并且我国近几年随电动自行车、手机、笔记本电脑等的发展也极大地带动了电池产业,据去年深圳国际电池会议获悉,世界三分之二的电池产自中国,我国已成为世界第一电池大国。对电动汽车电机驱动最具发展前途的应是轮毂电机,而轮毂电机目前应用最多又在我国,我国处于技术领先且产销量占全球90%的电动自行车均应用了轮毂电机,按技术发展需先易后难、循序渐进,这即为纯电动汽车发展打下相应基础,但在电动汽车上应用关键还需在增大功率和提高性能上下功夫,为此曾提出了两项改进的中国发明专利[1][2]。

尽管对我国应优先发展哪一类电动汽车曾有较大不同争议,但随产业发展必将逐渐趋于一致。笔者一直认为对纯电动汽车应先着力于微型车研发,对载重量较大的才需考虑混合动力电动汽车。而且针对我国私家车销量将会持续看好,并由此引起对交通的巨大压力,结合我国家庭呈小型化,特提出节约交通资源1倍多和能源20多倍的节源环保型三人座电动微轿车[3]作为普及型私家车,按交通现状和私家车普及趋势,应改变将私家车当作显耀富贵身份象征的奢侈品观念,私家车仅作为便捷性交通工具,需从提高人均交通资源利用率来考虑车型。近也已有多位院士、专家学者提出须将纯电动汽车发展上升为国家战略,通过政策支持优先助力具基础技术并在我国有优势的纯电动汽车早成产业化。为此本文即以阐述纯电动汽车为主,意欲通过分析电动汽车应有的最佳结构与其新产业链相关行业应采取的最佳生产方式,以及各行业间如何能按最佳运行模式来极大提高电动汽车性价比。作为抛砖引玉,希望能引发汽车及相关产业更深层次的广泛研讨,使我国既能尽快掌握其核心技术赶超世界领先,也能使电动汽车的生产模式尽早以精益的专业化流水线方式运行。即鉴证于诸类产业的发展,要求相关执政部门及行业协会通过有效的协调,引导本属机电一体化的未来电动汽车产业也能象造PC机、手机那样生产,以提高性价比来真正使广大民众所接受,并努力走向世界,将未来电动汽车产业做大做强。

2 电动汽车现有研发、制作模式的弊端

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,即未能从发挥电机驱动的优势来对结构作突破性改进。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。且如此多的蓄电池也难以采用更换法来确保续驶里程。

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[3],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处。有许多品牌电动汽车竟然还采用了永磁同步电机,同步电机的优点是调速精度极高(转速总与电源频率同步),也由此引起不能过载的缺点,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。这对调速精度要求不高的汽车存在顾此失彼。

在此再举一简单实例,对于电动自行车在相同蓄电池容量前提下,若采用优质高性能轮毂电机与劣质低性能电机相比其续驶里程将相差一倍。如在相同续驶里程要求下其蓄电池容量即可减少一半,而对于电动汽车若蓄电池减少一半即能极大地降低成本,也使车载自重相应减少许多,如此又能进一步改善动力性,所以驱动电机的选择对提高电动汽车性价比是何等的重要。
综上实例所述,电动汽车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点,找出最适合的电机类型和最佳的驱动结构形式,以充分发挥用电机驱动和电子控制应有的各项优势。由于采用最佳电机驱动结构[3]即可减小电机功率和蓄电池容量,从而也使减轻车载自重与改善动力性起到良性循环,以此就能提高其性价比。而最佳电机驱动结构与其控制等部件的制作,均需以专业化生产来提高性价比。虽然电动汽车还处于研发试制阶段,但所暴露的最大弊端是由于存在相应的行业壁垒,使得各类电机、电控等一系列配套协作厂家还难以能尽快全面介入,以形成现代化生产所需的社会分工和协作,组成专业化和多样化相结合的整机厂和专业化的零部件厂。其制作模式基本是由汽车厂以单挑一,大厂大而全、小厂小而全的落后方式在生产。使得整个经济处于投入多、产出少、消耗高、效益低的粗放型发展工业生产体系,这种传统生产管理模式的弊端早有论述,在此无需赘述。


尽管对电动汽车开发需联合协作早有共识,已有16家龙头央企组成的“国家队”、T10联盟的“行业队”和多个“地方队”等各种协作联盟,但其效果不佳的根本原因还是存在相应的行业壁垒,较少有跨行业间并选择合适的相应企业进行联合协作,或未能展开实质性的项目协作研发。并且目前主要还集中于电池的制作,而象磷酸铁锂等电池是美国人的专利,国内通过引进来完善其制作工艺。对电池固然重要,且我们也应设法为拥有下一代电池的核心技术而努力。但对整辆电动汽车来说电机是“心脏”;电控是“大脑”;电池是能量之源;均为核心技术的关键。前述优选电机可提高电池双倍功效的实例也说明了加强改进电机研发的重要性。通过分析可说明电动汽车的最佳驱动结构应为轮毂电机,特别是曾提出的兼有电动、发电回馈和电磁制动多功能轮毂电机[1],它均属小型特种电机。而国资委将投资千亿元集16家央企组成的联盟中,仅有一家电机生产企业为中国东方电气集团,且又是生产巨型、大型电机的。

电动汽车未能及时推广的主要原因是性价比。现所研发的电动汽车由于受传统汽车设计思路束缚,结构基本在传统汽车基础上改装而成。如纯电动汽车把原有发动机换成蓄电池和驱动电机及控制器,其余结构几乎没变。这从设计制造来讲是最简单方便,也是众多汽车厂家快速研发所谓新能源汽车的捷径,分析其原因与目的也就不言而喻。由于现所研发的电动汽车因没从结构上作突破性改进,使性价比也难有突破性提高以满足民众要求。为此国家近期推出私人购买新能源汽车实施财政补贴的相关措施。这虽说明国家对节能环保的重视,但没能从技术根本上解决问题,所以即为被动,也只能为短期。作为国家政策调控更应从鼓励基础的实质性研究和跨行业协调上下功夫,尽管电动汽车研发热已持续多年,但还存在较多低档次重复性研发,许多研究成果难以得到有效的合理共享,许多有用的基础性研究和发明专利难以得到实质性应用,国内已有的研究成果还会从国外引进,甚至重复引进。诸如此类的弊端问题需从国家体制与政策上找其根本原因。为什么中国企业的仿制能力特别强,而创新开发就较弱?为何有许多技术创新的创业者会无奈地感慨:“中国企业的创新产品只有先在国外打响,回过头来才能引入国内市场?!背つ攴獗展淌厮纬傻摹耙桓鲋泄耸翘趿?,三个中国人是条虫”而阻碍科研发展的非协作精神须根除。未来更多含多项技术于一体包括电动汽车在内的产品开发均需要跨行业的紧密协作。

3 未来电动汽车最佳结构的探索

作为新兴机电一体化电动汽车的结构设计,须遵循汽车理论、电机拖动理论及其控制理论为基础。对于电机拖动理论的重要性在前述分析现有电动汽车的实例中已表明,关键是找出最适合汽车多变行驶工况特点的电机类型和最佳驱动结构形式。按汽车理论——车辆动力学分析:采用四轮驱动可全面利用车轮对地面附着力和提高汽车通过性;采用四轮转向可极大地减小低速转弯半径,提高高速转向稳定性和响应性;采用轮毂电机驱动经电子差速将去掉机械差速及左右半轴等机构即可全面降低车身高度,并使所需最大质量体积的蓄电池作为配重物经适当分散(如安置于前后座位下)布局来尽可能降低车辆质心高度,以提高车辆侧翻阈值即侧向操纵稳定性。根据控制理论分析,改善整车性能需提高汽车对驱动、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,通过检测反馈控制可极大地提高汽车操控、稳定及安全性能。

汽车驱动、制动、转向三大执行机构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,从而制约了整车性能难以有效提高。为此综合多项技术深入分析研究,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、转向三大执行机构快速响应性和性价比的四项发明专利:兼有电动、发电回馈和电磁制动多功能磁阻式轮毂电机[1];具有启动绕组的单相开关磁阻式多功能轮毂电机[2];基于直线电机控制的汽车转向系统[4];四轮毂电机驱动四轮转向电子差速控制系统[5]。

通过对发动机与电动机的调速动力特性分析比较[3],说明电动汽车用电机驱动相对发动机有数千倍的调速比、数百倍的快速响应性、相当的短时过载能力以及节能等诸多优势。但要使电机各项优势能充分发挥,还须对电动汽车结构作突破性变革与优化。同样上述四项发明技术在电动汽车要有效发挥,并充分利用高速发展的微机控制、传感测量和电机驱动等技术优势,全面提高整车性能,也需通过统筹考虑电动汽车的结构布局。为此综合汽车、电机、控制三大理论的分析,提出了电动汽车的最佳结构应由含多功能轮毂电机的车轮、高储能装置、高性能转向系统和数字化整车控制系统四大基础部件[6]加车身、底盘与内饰等组成。它将极大简化机械机构、降低成本和车载自重、节能减噪、提高动态响应及控制性能,以提高电动汽车性价比来使尽快普及商品化。附图所示为四大基础部件在纯电动汽车上的结构布局示意图。四大部件即具电动汽车的基本特色,也是其核心,而其他部件与传统汽车类同,所以在此仅对四大基础部件分别简述如下。

1)含多功能轮毂电机的车轮。即为采用四台含兼有电动、发电回馈和电磁制动多功能轮毂电机及其驱动控制??榈某德?,它利用前述两项专利结合轮毂电机的诸多优势,将为电动汽车确立最佳电机驱动结构[3]。微机多CPU总线控制已是现代汽车较多采用的控制方式。对于四轮毂电机控制运用CPU总线技术,将驱动控制??榧稍诔德帜?,可极大简化电动汽车内部线路布局,即提高可靠性,也便于故障诊断和维修。实施该机电一体??榛刂平峁菇欣谔岣咝约郾?。而多功能轮毂电机采用了变磁阻电机,它具有结构简单、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。为一种新兴机电一体化能量转换装置,其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。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或驱动防滑转控制的制动过程,从而可提高车辆行驶的安全性和操控性。轮毂电机的“零传动”方式直接驱动车轮,使汽车结构发生了脱胎换骨的变革。
北京辛运28 | 论文范文 | 0 | 2019/2/19 10:51:23 | 曹晓妍
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