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电动汽车的“精髓”在于马达对车轮的精密控制 |
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| http://cn.newmaker.com
6/4/2012 10:35:00 AM
日经能源环境网
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从保护环境及能源问题的角度出发，汽车行业试图把能源从汽油转换为电力。不过，即使能够保护环境、解决能源问题，由于在性能及易用性方面不具优势，因此大概不会立即让人产生想换成电动汽车的念头。而东京大学新领域创建学研究科尖端能源工学专业教授堀洋一着眼于电力所独有的特点，正在致力于电动汽车的研究开发。
上一篇文章中，介绍了堀教授正在研发的无电池、以无线方式补充电能的电动汽车。不过，堀教授称：“电动汽车的精髓实际上在于马达。”东京大学新领域创建学研究科尖端能源工学专业副教授藤本博志目前正与堀教授共同致力于电动汽车运动控制的研究，本文介绍他对电动汽车马达控制的研究。
突然加速的列车车轮空转并发出刺耳的声音；急刹车的列车车轮打滑且火花四溅——
电影中的镜头暂且不说，应该几乎没有人在铁路上看到过这种情景。这是为什么呢，不觉得不可思议吗？这其中就隐藏着堀教授所说的“电动汽车的精髓”。
轮胎再细也不会打滑
堀教授说：“大家可以想一下新干线。轨道和车轮均由铁制成，非常容易打滑，但却仍能以时速300～400km的速度持续行驶，车轮不会出现空转，这究竟是为什么？其原因就在于马达对车轮进行着高度的控制。”
相反，汽车利用以橡胶制成的轮胎的物理特性，使之不会在路面上打滑。但也正因为如此，路面与轮胎之间产生了摩擦能量，也成为降低能源效率的一大原因。
堀教授提出一个问题：“汽车为何需要使用摩擦如此之大的轮胎行驶。有许多人会认为，轮胎是否打滑，取决于轮胎材质、气压及路面状况，但如果能较好地进行控制，轮胎再细也不会打滑。”
列车的能源效率显著高于汽车，主要原因在于使用的是摩擦极小的铁制轨道及车轮。而摩擦小却不会打滑，是因为通过马达对车轮旋转进行了较好的控制。
也就是说，今后如果汽油车换成电动汽车，便可容易地将列车的车轮控制技术应用于电动汽车。
马达具有一个较大的优势，就是容易利用电压、电流、转速等信息。如果加以充分利用，便可同时提高轮胎控制性能及能源效率。这样一来，电动汽车不仅有益于环保，而且会成为更安全舒适且易于操纵的交通工具。
对轨道和车轮进行 “粘着控制”
列车的轨道和车轮均由铁制成。因此与汽车相比，车轮更易于空转和打滑。电气列车之所以能够在铁制的轨道上行驶而不打滑，其原因就在于，作为车轮驱动源的马达能够掌握车轮状态，对其旋转进行控制。
当车轮旋转力过大，将要出现空转时，会减小旋转力，而刹车时会在车轮锁定之前降低制动力。通过这样进行控制，使得本来易于滑动的轨道与车轮之间紧密粘着。这被称为“粘着控制”。
早已应用于汽车领域的防抱死制动系统（Anti-lock Braking System，ABS）也是起这个作用。电气列车的防抱死制动系统是根据从各个车轮配备的车轮转速传感器传送过来的电力信号检测打滑。当判断出现打滑时，会迅速调节制动器，使之恢复正常旋转。
堀教授的研究室正在进行着关于电动汽车马达控制的研究。其核心人物就是藤本博志副教授。藤本副教授是堀教授的学生，专业是关于机器人、电动汽车的运动控制的理论研究。
藤本副教授为了实现终极控制性能，在政府的资助下，开发出了名为“FPEV-2 Kanon”的完全自主开发的电动汽车。现在正以FPEV-2 Kanon为基础，进行与马达控制有关的多项实证实验。
扭矩响应比汽油车快2位数
FPEV-2 Kanon的特点在于四个车轮全部配备了轮毂电机。轮毂电机正如其名，是指内置于轮毂部位的马达。通过在各个车轮处设置马达，可独立驱动各个车轮。
并且还在各个车轮上配备了可感知横向作用力、减轻侧滑的侧滑传感器。电池采用锂离子电池，由10个电池单元连接在而成，每个单元的输出为15伏特。
藤本副教授列出了电动汽车与汽油车相比所具备三个优势：
第一个优势是，控制轮胎的马达的扭矩响应，也就是对汽车发出“发力”的命令之后，汽车做出响应并输出动力的速度为1000分之1秒，与汽油发动机的10分之1秒相比，快2位数。
第二个优势在于，由于能够比较容易地为每个轮胎配备马达，因此可独立且正确地高速控制每个轮胎。第三个优势在于，能够通过马达电流的变化，掌握行驶路面的状况。
首先，如果马达的扭矩响应较快，便可对轮胎进行更快、精度更高的控制。还可瞬间检测出轮胎的空转，立即阻止轮胎打滑。这样一来，即使在雪道上，也能更稳定地行驶。
如果想进一步提高轮胎的控制性能，在每个轮胎上安装一台马达，进行独立控制即可。如果在汽油车的每个轮胎上都安装动力源，从成本方面来看并不现实，但如果是马达的话，就不会产生太大的负担。这样便可提高汽车的稳定性，乘坐舒适性及安全性也会随之提升。
汽车向信息中心自动传送信息
同时，马达通过对电流进行监测，可正确掌握目前正在输出多大功率。输出功率大便意味着路面状况较差。也就是说，通过电流值即可了解轮胎与路面的粘着程度，可由此推测路面状况。
这样的话，如果路面已经结冰，便可获得“路面结冰”的信息。
如果能够将这些信息自动传送给管理道路的道路信息中心，便可在道路上设置的电子布告牌上显示“目前此处道路已结冰”等警示信息，或者向周围行驶的车辆发送信息。汽车之间也可直接交换信息。也就是说，汽车自身成为传感器，可便捷地与其他汽车共享获得的路面信息。
而且，如果结合利用GPS，便可事先了解前方道路的转弯情况及坡度，因此还可对轮胎进行预测控制。从而进一步提高安全性和舒适性。
堀教授补充道：“如果能够根据路面状况及地形对轮胎进行高度控制，也有可能将轮胎宽度减小到现在的一半。从而可将燃效提高几倍。这样一来便可延长续航距离。”
续航距离延长10～20km
因此，藤本副教授目前正致力于通过马达控制来延长续航距离的研究。
藤本副教授说：“比如汽车可通过打方向盘，使轮胎转向一侧，以驶过弯道。不过，在我看来，现在的汽车打方向盘都打得太大。这就意味着浪费了能源。希望能借助马达控制使能源浪费控制在最低限度内。”
于是，藤本副教授以“匹配控制（Matching Control）”为基础，开发出了“雪道旋转姿势控制系统”及“续航距离延长控制系统”。目前正使用FPEV-2 Kanon进行控制实验。匹配控制是指使用计算机实时控制轮胎马达，使实际的汽车行驶尽可能接近理想行驶状态的方法。
雪道旋转姿势控制系统通过分别对四个车轮进行独立控制，即使在雪道及结冰路面上也不会打滑或者大幅偏离拐角处，实现稳定转弯。
另一方面，续航距离延长控制系统可在实时计算路面状况的同时，对各个马达的驱动力进行控制，使所有马达的综合效率达到最大。
藤本副教授自信地说：“目前已确认，使用多个马达对轮胎进行高度控制，可改善行驶效率，延长续航距离。”
现在，三菱汽车公司的电动汽车“i-MiEV”充电一次的续航距离最长为160公里，通过提高控制性能，将这一距离延长10～20公里左右并不困难。
这样一来，电动汽车通过推进马达控制，除了可提高安全性及舒适性之外，还可提高能源效率，延长续航距离。的确是“电动汽车的精髓在于马达”。
如上文所述，电动汽车具有汽油车无法模仿的多个特技。通过利用这些特技，我们的生活方式或许会发生巨大改变。
堀教授说：“不过，几乎没有人去强调这一点，对此我感到非常着急。这是我将研究重心从列车转移到电动汽车领域的最大原因。”
实际上，堀教授原先的专业领域是铁路。多年来一直进行利用马达控制列车车轮的研究。
“此前对汽车完全没有兴趣。不过，最近电动汽车受到越来越多的关注，我想向大家展示一个令人吃惊的事实，那就是电动汽车还能做这样的事。”
于是，堀教授迅速将汽油车改装成了配备铅蓄电池的电动汽车，开始进行通过马达控制轮胎的控制实验。这是大约10年前的事。汽油车使用的是日产的“March”，因此命名为“东大3月号”。
真正的电动汽车即将登场
不过，由于东大3月号比较大，因此电池电力只能使用2～3个小时。然后就需要进行长时间充电，实验不能按计划顺利进行。控制实验由于并不是每次连续行驶几个小时，因此驱动时间短一些也没关系。与之相比更希望得到可立即充电的装置。
就在这时，日清纺公司送来了超级电容器（Capacitor）。“这个好”，掘教授对此表示非常满意。由此便开始了不使用电池，而是是利用电容器进行驱动的电动汽车的开发。这在上篇文章已经介绍过。也就是说，通过电容器驱动的电动汽车，最初实际上是作为马达控制实验的“实验装置”开发的。
堀教授最后这样说道：“电动汽车的进化还有很大的可能性。实际上，真正的电动汽车今后才会出现！”（《日经商务在线》特约撰稿人：山田久美）
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