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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

时间:2015-10-07  作者:王贵明王金懿

【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。
论文关键词: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

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得到充分发挥。

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。而四轮驱动可充分提高地面附着力,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。

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