如果本文所寫三電方案將產(chǎn)業(yè)化，實(shí)踐證明有成本優(yōu)勢(shì)，那么三年之后，每家每戶都可以有一輛純電動(dòng)汽車。這種三電方案比目前特斯拉、比亞迪等技術(shù)更先進(jìn)。

這種三電方案可以用一個(gè)句話來(lái)概括：通過(guò)按需配置，特性匹配地有序掌控電動(dòng)車車輛能源。按需配置就是車輛需要消耗多少電能就在車上放置多少電能。特性匹配是指車輛能源處理（功率、轉(zhuǎn)矩）特性曲線要跟車輛運(yùn)動(dòng)特性相符。有序掌控能源是指合理地利用機(jī)電磁基礎(chǔ)理論，找到一種最佳的能源方案。

我們先從微型車說(shuō)起，介紹這種三電控制方案，當(dāng)然重型卡車，超大功率工程車同樣適用該種新三電方案。

目前中國(guó)電單車存量3.5億輛，摩托車存量1億輛。如果這些出行需求能夠使用廉價(jià)便宜的純電動(dòng)汽車來(lái)滿足。假定三分之一的摩托車、電單車改為純電動(dòng)車，那么至少有1.5億輛市場(chǎng)規(guī)模。

什么樣的純電動(dòng)汽車才能夠替代摩托車、電單車呢？

假設(shè)一輛不存在里程焦慮的寶駿E100，其售價(jià)在3萬(wàn)元以內(nèi)。百公里電耗9度電費(fèi)5.4元，首付20%，即6000元不到一個(gè)月工資。車輛保險(xiǎn)只有現(xiàn)在普通家用汽車的三分之一（全保1500元一年以內(nèi)）。那么這樣的交通工具相比較摩托車、電單車來(lái)說(shuō)是很有競(jìng)爭(zhēng)力的。

寶駿E100的配置如下，以裸車售價(jià)3.8萬(wàn)寶駿E100 2019款 250km 智行版為參考。

這一款車用市場(chǎng)最低價(jià)是3.8萬(wàn)。其中電池24度，按當(dāng)前電池成本800~1000元每度計(jì)算。其電池成本在1.92萬(wàn)~2.4萬(wàn)。也就是說(shuō)電池成本才是這輛車的占比最大的。如果電池容量降為一半。即續(xù)航里程為125公里。那么車輛售價(jià)可以在3萬(wàn)元以內(nèi)。在使用雙電壓換電的模式下。行駛到半路出現(xiàn)電量不足、或出行距離超過(guò)125公里?？梢宰庥?2~24度電池。

這樣的短的續(xù)航里程，如果用來(lái)替代電單車、摩托車是足夠的。用來(lái)替代二手燃油車也是足夠的，行駛幾十萬(wàn)輛的二手燃油車，售價(jià)不過(guò)幾萬(wàn)，但是頻繁的保養(yǎng)維修可以不說(shuō)，燃油車即便按最低4l百公里燃料計(jì)算，一年2萬(wàn)公里，6.8元每升。每年需要5000元燃料，而電動(dòng)車僅需要1080元（當(dāng)然燃油車是4座，但4升已是最低油耗）。

由上面的分析得到，一輛沒(méi)有里程焦慮的125公里巡航以上的3萬(wàn)寶駿E100是有市場(chǎng)價(jià)值的。即便是當(dāng)前售價(jià)4~6萬(wàn)其銷量也還行。

那么一輛沒(méi)有里程焦慮，充電難題的寶駿E100是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？有什么技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)？

寶駿E100的電動(dòng)機(jī)是峰值30KW。不考慮現(xiàn)有車型三電（電池、電控和電機(jī)是什么樣的）。通過(guò)重新設(shè)計(jì)寶駿E100的三電系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)沒(méi)有里程焦慮、充電難題的新寶駿E100。

將三相異步電動(dòng)機(jī)選為峰值30KW。原寶駿是永磁同步電動(dòng)機(jī)。改為過(guò)載、超溫能力更好的牢固可靠三相異步電動(dòng)其成本會(huì)降低。至于效率相差不到5個(gè)百分點(diǎn)，也就是每百公里續(xù)航縮減量少于5公里。但電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自冷風(fēng)冷不需要額外溫控。

電池系統(tǒng)采用最低12度，125公里以上續(xù)航。其中12度是車載固定電池，此外車主可以自主選擇12度可以替換電池模組，最多兩個(gè)模組。即車載空間可以最多安裝12度固定電池+24度可替換電池。續(xù)航在375公里。

電控是實(shí)現(xiàn)這樣的系統(tǒng)的關(guān)鍵。新寶駿E100的電控原理圖如下

圖 1 新寶駿E100電控主回路圖示

圖1中，有50V電池4個(gè)模組。每個(gè)模組電池容量是3度，采用磷酸鋰鐵電池，能量密度在160wh/kg以上，每個(gè)電池組重量在18公斤左右。50V60AH電池組。充放電是均衡的。車載電池組充電倍率在0.5C以內(nèi)，放電倍率可以高達(dá)3C。可替換電池組充電倍率0.25C，放電倍率1C。

圖1中開關(guān)器件選用價(jià)格低廉的MOSFET，如果選用100V60A MOSFET，那么需要三套如圖1所示的主回路并聯(lián)到三相電機(jī)繞組。每套主回路功率是12KW，三套并聯(lián)是36KW。足夠的余量。并且將其中兩套的儲(chǔ)能部件改為超級(jí)電容，利用超級(jí)電容的高功率密度作為加速時(shí)的功率放電?？梢詫㈦姵亟M的放電倍率降低到1C。

三電平逆變器的控制電路和邏輯目前市面還沒(méi)有成熟產(chǎn)品，這是設(shè)計(jì)的難處。但當(dāng)這個(gè)技術(shù)的普及，控制電路的成本也較低廉。

這是一個(gè)三相異步電動(dòng)機(jī)，當(dāng)電機(jī)是六相異步電動(dòng)機(jī)，九相異步電動(dòng)機(jī)時(shí)。主回路翻倍即可。而電機(jī)峰值功率也會(huì)翻倍成為30KW、90KW。同時(shí)，這樣的電控模式可以將圓柱形電動(dòng)機(jī)應(yīng)用到電動(dòng)車上，通過(guò)合理的補(bǔ)能方式解決里程焦慮、充電難題。這才是這種電控方式魔力所在。

新三電方案原理說(shuō)明

1989年 Isao 提出了將電機(jī)定子繞組打開，將兩個(gè)將兩個(gè)逆變器從繞組兩端分別供電的結(jié)構(gòu)如圖2所示

圖 2 雙逆變變頻與異步電動(dòng)機(jī)較早電控圖示

電動(dòng)機(jī)需要根據(jù)車輛的運(yùn)動(dòng)特性來(lái)需求調(diào)配電力。所以呢，什么樣的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)才是最佳的電控系統(tǒng)呢？

調(diào)配電力能力跟車輛需求特性匹配的電控系統(tǒng)。

異步（同步）電動(dòng)機(jī)定子需求的是正弦波。而電池供給的直流小幅波動(dòng)電壓（電池電量不同會(huì)有偏移）。這就要求逆變器使用高速開關(guān)器件（IGBT,GTO,MEOST）將電池電能調(diào)配成正弦波。這正弦波是不同電壓，不同頻率的。

根據(jù)'solar to service'（太陽(yáng)能到服務(wù)人們生產(chǎn)生活的效率）的三個(gè)效率，及電動(dòng)車電能使用調(diào)配補(bǔ)能方式的分析中，我們知道，60V以內(nèi)的安全電壓適用于補(bǔ)能方式補(bǔ)充。所以有了一個(gè)雙電壓的方案。

按這個(gè)方向去優(yōu)化純電動(dòng)汽車的電驅(qū)系統(tǒng)，并給出一個(gè)可行的控制方案。新三電方案的思路。

圖1的雙逆變器異步（同步）電動(dòng)機(jī)控制原理是一種推拉式供電方式，有利于提高電機(jī)供電電壓。此外還有人提出過(guò)雙定子繞組，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)等等。這些都是可以用來(lái)作為雙電壓系統(tǒng)的方式。但這些方式中，有且只有一種在一定工況下是最優(yōu)的。

因電能的使用方式千變?nèi)f化，條條道路通北京，目前作者也無(wú)法判斷哪一種電池+逆變器+電機(jī)是新能源汽車電控的最佳控制方式，只是利用所有時(shí)間去深入淺出學(xué)習(xí)這方面的知識(shí)。

目前找到的電機(jī)+電控+電池的電控方案比較好的方式如下，我認(rèn)為這種方式仍有很大的優(yōu)化空間，分享出來(lái)給廣大專業(yè)人員參考，拋磚引玉。

圖 3 簡(jiǎn)單48V電控主回路a）和控制回路b）示意圖

我們?cè)O(shè)定Ud/2為48V~60V。暫定額定值為50V

圖 4 工況1方案48V系統(tǒng)逆變器輸出電壓

根據(jù) 劉鳳君 著作《多電平逆變技術(shù)及其應(yīng)用》課本。異步電機(jī)兩端的逆變器可以是三相兩電平SPWM逆變器，也可以是三相三電平或多電平逆變器。交流電機(jī)兩端的逆變器橋臂是可以對(duì)稱，也可以是非對(duì)稱的，每一相繞組逆變器兩端直流電壓可以是相等，也可以不相等。

這樣的技術(shù)原理給電動(dòng)車電控設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的方便。

為了最簡(jiǎn)單易于理解，我們?cè)O(shè)定4個(gè)電池組供電都是額定電壓50V直流。逆變器是三電平三相逆變器。

在這樣的設(shè)計(jì)下主回路如下圖

圖 5 三電平雙逆變器異步電機(jī)開繞組主回路圖示

在圖5中50V額定電池電壓，加在一個(gè)等效電機(jī)繞組兩端的線電壓峰谷差是200V,故電機(jī)線電壓等效有效值約為141V。當(dāng)電機(jī)額定是70KW最高電機(jī)線電流在300A以內(nèi)。這是較經(jīng)濟(jì)的電機(jī)電流。也就是說(shuō)，這種控制方案中單個(gè)三相電機(jī)做到70KW是經(jīng)濟(jì)可行的。

新三電電控方案可以命名為：調(diào)相調(diào)極變頻控制。這種方案將會(huì)未來(lái)廣泛應(yīng)用在帶儲(chǔ)能裝置、或者高壓直流供電的電力拖動(dòng)中。

在所有的電機(jī)控制課本中，交流直流電機(jī)的調(diào)速的本質(zhì)是什么？如何從調(diào)速的本質(zhì)優(yōu)化電動(dòng)車電控方案？

在學(xué)習(xí)時(shí)，這兩個(gè)問(wèn)題帶來(lái)了解決問(wèn)題的方向。根據(jù)鄭萍《電機(jī)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理》

圖 6 機(jī)電換能器方框圖

調(diào)速屬于機(jī)電換能器。在這本書中，盡管用數(shù)學(xué)很詳盡地解釋了機(jī)電能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。卻沒(méi)有給出電機(jī)調(diào)速的本質(zhì)。

通過(guò)學(xué)習(xí)總結(jié)得出：電動(dòng)機(jī)調(diào)速的本質(zhì)是能量有序地轉(zhuǎn)換為變化的磁場(chǎng)，通過(guò)磁力作用到機(jī)械形變。

那么如何通過(guò)這樣的本質(zhì)特性優(yōu)化電機(jī)調(diào)速，并形成一種較優(yōu)的電動(dòng)車電控方案呢？

抓住兩個(gè)字'有序能量轉(zhuǎn)換'

圖 7 電機(jī)調(diào)速的本質(zhì)

如圖7，所有的電機(jī)都是利用導(dǎo)體產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)獲得動(dòng)力。如何有序地掌控能量，如何合理地調(diào)速成為電動(dòng)車電控的關(guān)鍵。

電場(chǎng)和磁場(chǎng)的變化耦合的最佳形式是正弦波式變化。故交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速也是最佳的。

通過(guò)工況匹配，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的篩選。得到三相同步或異步電動(dòng)機(jī)是最佳的。

但目前電動(dòng)車電控方案存在一個(gè)很大的問(wèn)題，有序的能量變換方式不是最佳的。

為什么這樣說(shuō)呢？

當(dāng)前的三相異步電機(jī)控制方案中，電池里的負(fù)電荷從負(fù)極出發(fā)，經(jīng)過(guò)SPWM變換，到達(dá)電機(jī)實(shí)現(xiàn)電磁耦合能量變化，然后從正極回來(lái)鋰離子上，實(shí)現(xiàn)電荷中和。這個(gè)負(fù)電荷走完了一整個(gè)閉環(huán)回路。

圖 8 雙逆變器三相電機(jī)開繞組理想電路

如8中，負(fù)電荷只需要經(jīng)過(guò)一半的路徑。這樣的路徑短了之后呢？負(fù)電荷走的路短，消耗的能量就少了。

我們進(jìn)一步簡(jiǎn)化

圖 9 單相開繞組雙逆變器簡(jiǎn)化電路

如圖9是一個(gè)單相電感，兩邊是變化的有序正弦波電壓，能量可以從左右兩邊的電池向電機(jī)繞組移動(dòng)，也可以在制動(dòng)時(shí)將能量反饋給電池。當(dāng)然也可以在左右電池流動(dòng)。當(dāng)這是單相的 時(shí)候，其優(yōu)勢(shì)不能發(fā)揮。當(dāng)3~9相并實(shí)現(xiàn)變相變極的時(shí)候，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)這是一種有序控制電磁能量的較佳方式。

圖 10 九相變相變極異步電動(dòng)機(jī)控制主回路

如10所示。4個(gè)獨(dú)立的50V電池組、若干逆變器組和一個(gè)九相異步電動(dòng)機(jī)。我們假定每相繞組功率在5~10KW，那么九相可以得到45~90KW的總功率。而通過(guò)控制每一相的電壓、電位角、及串接接線方式。我們就能夠得到一個(gè)變相變極的調(diào)速方式。外加簡(jiǎn)單調(diào)頻，就可以得到超越現(xiàn)在所有電動(dòng)車電控方案的調(diào)速方式。

這種調(diào)速方式的調(diào)速性能不只是調(diào)速性能好，更多的是實(shí)現(xiàn)了能量的有序控制。此外，如果優(yōu)先實(shí)現(xiàn)將其中一個(gè)或多個(gè)電池組電量用完，可以停車就更換電池組。以一輛百公里10~20度耗電量的車輛計(jì)算，每行駛一百公里，更換掉其中一個(gè)電量最少的電池組。那么其更換電池的重量較輕，便捷性超過(guò)加油。從而解決了電動(dòng)車的里程焦慮、充電難題。

然而，這種電控方式的還會(huì)帶來(lái)更多的變化，尤其是電動(dòng)機(jī)。我曾花非常多的時(shí)間去學(xué)習(xí)電動(dòng)機(jī)構(gòu)造設(shè)計(jì)，認(rèn)為圓柱形電動(dòng)機(jī)比輪轂電機(jī)更適合電動(dòng)車，因圓柱形電機(jī)可以將定子繞組融入車身，成為為車體的一部分且傳動(dòng)結(jié)構(gòu)也較輪轂電機(jī)簡(jiǎn)單，更重要的是其散熱性能更高。軸向電機(jī)的高功率密度是電磁耦合面更寬，而圓柱形電機(jī)可以超越軸向電機(jī)的功率密度。

比如，如果我們將一個(gè)30KW的三相異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)成長(zhǎng)達(dá)1米的，細(xì)長(zhǎng)圓柱電機(jī)。定子是殼體與車身融為一體，定子是車軸與傳動(dòng)融為一體。而雙逆變器開繞組的接線方式可以讓電控及整車布局更加節(jié)省空間。將電機(jī)做成圓柱形還能節(jié)省電纜。

如果沒(méi)有變相變極的調(diào)速，沒(méi)有采用開繞組雙逆變器。圓柱形電機(jī)沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。

目前市面上沒(méi)有這樣的產(chǎn)品，更多是長(zhǎng)寬接近的矩形電機(jī)，大直徑電機(jī)扭矩更高。

以上內(nèi)容是作者一年多前的筆記心得整理得來(lái)。還有更多已初步形成想法在未來(lái)跟讀者分享。敬請(qǐng)關(guān)注