未来出行最佳方式探讨论文

2021-06-12 论文

　　论文摘要：本着节能环保对未来出行的最佳方式进行探讨，提出长途出行应采用高铁和真空管道磁悬浮列车两种方式；针对未来城市人口和私家车将成数倍增加，而使城市交通供需矛盾日趋加剧，提出了采用可节约能源20多倍和交通资源1倍多的节源环保型电动微轿车作为自助刷卡租用自驾车的一种短途换乘方式。

　　论文关键词：磁悬浮列车，交通资源，节源环保，电动微轿车

　　人类必须的三大生活“吃住行”随着社会的发展进步，其侧重顺序也将发生根本变化，随贸易、旅游、交往等的发展和频繁需求，人们对出行交通的便捷、舒适、安全及准点率均寄予厚望，但随之出现的大量交通堵塞、航班延误与人们的意愿背道而驰。并且结合能源危机、环境保护呼声的日趋高涨，未来出行究竟哪种方案既能更节源环保，又能更易被广大民众所选择，为未来的相关决策调控作参考，在此值得预测探讨。显然，出行分长途与短途，而在快速长途行程前、后也均需通过短途的换乘方式，并且该短途换乘方式的选择往往会在整个行程的时间中占取相当比例。而单独的短途行程又与该短途换乘存在完全类似的方式。所以为表述方便，在此，就按长途行程和短途换乘两大方式来讨论。

　　一、长途行程的方式

　　长途行程的方式虽有飞机、火车、轮船、汽车多种。针对远程，在此主要讨论飞机与火车的比较。对于旅程超过1000公里时，目前人们较多地选择航空。但随着高铁的发展，该选择将有改变的趋势。目前民航班机的飞行时速大约为800公里/小时，加上起降时间，特别是登机前的一系列安检手续等，所以从进机场到出机场扣除空中飞行时间就要化去约3个小时。即航班行程的实际时速随旅程的不同需打一个较大的相应折扣。

　　对于火车，目前高铁动车组（高速轮轨列车时速）已可达350公里/小时。而世界第一条商业运营的上海磁悬浮列车最高时速为430公里，目前磁悬浮列车最高时速在日本山梨县载人实验运行中已达５８０公里/小时。据分析，磁悬浮列车是借助于电磁力将车辆悬浮在轨道上方，由于没有车轮与轨道接触所带来的阻力，在高速行驶时就像一架超低空飞行的飞机，预估时速可达600～1000公里。但由于存在地面空气摩擦阻力，按车辆动力学，空气阻力随行驶速度成二次方增加，而为空气阻力所耗功率将随行驶速度以三次方倍增加，所以地面稠密的大气层将使行驶速度超过一定值时，其能耗、噪音会急剧增加，难以被市场所接受。

　　据分析，理想的真空管道磁悬浮列车的理论极限速度接近于第一宇宙速度（7。9公里/秒=2。844万公里/小时），即真空管道磁悬浮的运输时速可达2万公里。乍一听，这确如同天方夜谭，可以想象，如此高的车速，即使列车能达到，乘客也会因各种因素而难以接受。据报道，目前世界上有美国、瑞士、中国3个国家正在研究真空管道磁悬浮技术。由于美国搞的是高真空管道交通，而瑞士是把真空管放在地下隧道中，两种方案均存在成本、难度极高，使其难以进入实际应用，所以美国和瑞士还处于理论阶段。而我国采用了降低要求和分步实施的方案，使该项目能尽快进入试验阶段。即将管道内只降低约0。5个大气压，以适当控制其成本，来较大地减少空气对机车的阻力。而时速提高又分三步进行：第一步采用普通真空高铁，使时速达到500～600公里，技术上预计10年可达到运营要求。第二步采用低真空磁悬浮，使时速达到1000公里以上。第三步采用高真空磁悬浮，时速可望超4000公里。

　　为保持真空管道内相应的真空度，管道与管道间的接头处必须密封严实，管道沿线需有多个抽气泵站。并还需为维修、检查等情况时预留其可打开的通道口，而这些通道口在正常运行期均为密闭，确保不漏气。更难的是在沿线各车站车辆进出的管道处也需实施防漏气密封措施。另外，在管道中虽是真空状态，但在其中运行的磁悬浮列车内仍须保持适宜人乘坐的大气环境，因此车辆也必须具有良好的密封。据分析，真空管道磁悬浮列车与现有磁悬浮列车相比，主要增加真空管道的造价，但运行时由于减少了空气阻力，将极大地减小其能耗费用。按理论计算即使时速达4000公里时，其能耗也不到民航客机的1/10。

　　可以想象，如能使真空磁悬浮列车时速达到1000公里（常人可接受的范围）以上，民航就有被淘汰的趋势，这对民航业可能是一种不中听的打击。但是世界的石油资源终将趋于枯竭，并随着现已可达到的高铁时速350公里和磁悬浮时速500公里的进一步实施推广，人们对民航的选择将会从旅程1000公里提升为2000公里以上。更可以利用卧铺在车上睡一夜，早晨到达目的地正好办事。而从节能要求来说也更应提倡人们采用能耗低的交通方式。针对节能环保要求，结合科技发展趋势，国家对铁路运输业与航空业的建设投资应有相应调整。

　　但再结合太阳能技术发展，在此也对飞机能耗的改进提点技术设想：根据飞机航行时要求在天气睛好，即基本在烈日当空下飞行。而庞大的机身、机翼等部位上若能覆盖一层太阳能电池板，按空气动力学将太阳能电池板定做成与其机身、机翼等部位的'弧形类似形状。如此庞大的太阳能电池板在高空烈日下将能接受大量太阳能用作发电。即成为太阳能与发动机相结合的混合动力飞机，如此，即可适当减小发动机功率和油箱体积，适当增加蓄电池。而覆盖在机身的太阳能电池板还可起到一定的隔热效果，以减少客舱的空调能耗。由于太阳能是世界上最清洁，用之不竭的能源，一架太阳能混合动力飞机所起到的节能减排效果能抵于几十辆电动汽车。有关科研机构应尽早对其实施有所计划。

　　二、短途换乘的方式

　　短途换乘主要在城市区域内进行，要求以交通畅通为前提。但由于我国城市人均可用交通资源（据分析比发达国家相差十几至几十倍）甚为紧缺，并随城市人口扩展和汽车保有量迅猛增加，城市交通供需矛盾和交通拥堵正日趋加剧。为此作者通过多年来对各种交通问题的长期观察和结合相关理论的深入分析研究，提出了改善交通必须从提高汽车对交通资源的人均利用率和改进交通服务设施两者双管齐下地进行。并对此具体提出了多项改进措施，由于实施中涉及到汽车制造、交通管理等多个专业，需要多个政府部门协调而存在相应难度。但面对当前日益突出、牵扯多方利益而阻碍城市发展的交通难题，相信通过各方多种呼吁，政府必能尽早研究实施。如此各种短途换乘方式在交通畅通前提下就能真正被各类人群所接受。

　　在此限于篇幅仅对各项改进措施简述如下：通过汽车性能优化来减小转弯半径及滞留时间、提高汽车通过性和道路通行能力；推广可提高交通资源利用率1倍多的节源环保型电动微轿车作为普及型私家车；通过优化公交线路布局、多形式快速公交专车及改善公交设施等多项改进公交服务措施来提高公交车的载坐率；推出增加相应辅助设施与服务功能的高效出租车以提高其车载率；通过互通交叉立交桥、环岛形交叉路口、智能交通灯控制、经喇叭形延伸扩展交叉路口等多项措施解决最易引起拥堵的交叉十字路瓶颈口；推出可专载行人和非机动车的低平板轮毂式电动过渡车以解决交叉路口机非交织混行问题；建造占地面积小的立体车库以解决市区停车难；充分发挥交警在交通管理中的重要作用，将工作变被动为主动来提高实效性。

　　短途换乘方式主要有出租车、公交车、自驾车或自行车等，对此在前述为改善交通所提的多项改进措施中均有相应阐述。由于人们对此除了希望便捷、舒适、安全和准时，还有随机性与个性化要求，为能同时满足该多项要求，特提出一种可供自助刷卡租用的自驾车，所以在此重点说明该自驾车短途换乘方式。该车以前述可提高交通资源利用率1倍多的3人座节源环保型电动微轿车为基型。其自动租用方式可参考杭州早已推出的采用公交信用卡自动借用公交自行车的服务形式。即凭具有数年无相关违章驾驶记录的驾照和身份证，预交相应保证金办理电动微轿车自动租用信用卡，而电动微轿车租用点主要设在火车站、飞机场，并在市区设置多个蓄电池快速更换服务站（由于所配蓄电池容量不大，若采用专用器具更换约2分钟就可完成，比传统加油还快）。用户最终按所驶里程数缴纳租金。当然该电动微轿车还须配有GPS自动导航系统，使外地游客也能以自驾游方式便利地到达随意要去的地方。可以想象该电动微轿车租用服务的实施和推广，将为我们的出行带来极大的方便，并为节能减排、资源共享以及推广电动汽车等都将开辟一种良好的先河。由于该车成本估计仅为1。5～3万元，即可便于实施。

　　为弄明白电动微轿车为何成本能如此低，以及它的结构、性能特点和运行成本等。还需先概况说明如何提高电动汽车性价比的有关研究，这也是对电动汽车迟迟未能普及商品化的原因分析。现所研发的电动汽车由于受传统汽车设计思路所束缚，其结构没能从充分发挥电机驱动应有的各种技术优势作突破性改进，使性价比也难有突破性提高。通过对发动机与电动机的调速动力特性分析比较，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。而电机各项优势的充分发挥，必须通过对电动汽车的结构作突破性变革与优化，以此达到简化机械机构、降低成本和车载自重、节能减噪、提高动态响应及控制性能，即提高电动汽车性价比来使其尽快普及商品化。

　　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。为改善整车性能和电机控制要求，按控制理论分析，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，通过检测反馈控制来极大地提高性能。为使汽车高效、便捷功能真正发挥，须以交通畅通为前提，按交通管理理论分析，即需从提高交通资源利用率来考虑车型。为使技术与经济互为促进发展，需按现有技术绕其瓶颈找出即刻可使电动车普及商品化的突破口。

　　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，从而制约整车性能难以有效提高。为此综合多项技术深入分析与研究，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：兼有电动、发电回馈和电磁制动功能的磁阻式轮毂电机；具有启动绕组的单相开关磁阻式多功能轮毂电机；基于直线电机控制的汽车转向系统；四轮毂电机驱动四轮转向电子差速控制系统。汽车驱动电机采用结构简单、坚固可靠、电机与控制器综合成本低、调速性能好、效率高等优点的变磁阻电机，它与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、升降速的多变工况以及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，提高了安全制动效果。而采用“零传动”方式的轮毂电机直接驱动车轮，极大地简化机械传动结构，降低了成本和车载自重，提高了车轮控制的快速响应性、驱动效率和制动能量回收率，有利于节能减噪，还腾出许多空间便于汽车总体布局。鉴于轮毂电机功率受结构体积限制，采用四台轮毂电机替代常规的一台电机以实现小马拉大车，而四轮驱动提高了地面附着力以增强操控车辆行驶稳定性等。为电动汽车确立了最佳电机驱动方式。

　　高储能装置可用燃料电池或各类蓄电池等。鉴于现有技术主要为蓄电池，并应尽可能采用对我国有得天独厚资源优势的锂电池。另据报道有一种即可作充电电池，也可作燃料电池的锂—空气电池，按理论分析作充电电池用，比能量可高于现有锂离子电池十几～数十倍，而作燃料电池用，能量密度和更换时间均有望优于传统的加油方式，但要进入实际应用还有待时日。

　　由直线步进电机控制的四轮驱动四轮转向电子差速转向系统是在四轮毂电机驱动基础上，结合另两项专利技术而组成。由直线步进电机直接带动转向机构的左右横拉杆，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，可方便地充分满足转向力随车速变化的各控制要求，并提高了转向精度和其性价比。采用四轮转向又可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。

　　数字化整车控制系统采用数字化液晶显示、多CPU微机总线控制方式，分为基本型和高性能型。基本型仅满足电动汽车基本控制要求，使其尽快进入实际应用。高性能型采用多传感器进行四轮驱动四轮转向与电子稳定系统ESP相结合的控制方式，由于采用多功能轮毂电机四轮驱动结合直线电机控制四轮转向可极大地提高汽车驱动、制动、转向三大执行机构快速响应性，按所测信号通过微机控制即可及时准确调整前、后、左、右各车轮的驱动力、制动力、转向角，从而全面提高汽车行驶的稳定性、操控性、安全性以及转向性能，并极大提高整车性价比。

　　由四大基础部件组成的电动汽车充分发挥了迅猛发展的微机控制、传感测量和电机驱动等各项技术优势，也更便于实施专业化流水生产模式来极大地提高性价比。这也是未来各类电动汽车的最佳结构，掌握该四大核心部件的关键技术是赶超世界领先，提升未来汽车业竞争力的基本前提，以此即可摆脱我国汽车业长期受国外技术的束缚。

　　纯电动汽车按现有技术，由于受轮毂电机功率和蓄电池比能量、比功率的限制，特别适于微型车制作。而我国家庭正呈小型化结构，随生活水平提高私家车销量将占最大部分。又针对我国交通资源紧缺特点，提出了可提高交通资源利用率1倍多的3人座节源环保型电动微轿车，即该车设置为前排驾驶1人座，后排2人座，驾驶位于车前正中央，对车两边瞭望视觉一致，更便于把握方向和安全行驶。车宽定为0。8～1M，它小于公交车一半，大于轿车一半。如此，将现有车道宽3。5～3。75M一分为二即可节约交通资源。该车在车道宽减半为1。75～1。87M，而侧向净宽还有0。75～1。07M的节源型车道行驶。它与公交车各行其道，即可提高该车的快捷性和安全性。也使公交车自然有专用车道，为改善公交服务及整个交通畅通建立了必要前提。该车尺寸缩小后也利于解决停车难。为满足各类层次人群需求，又提出3排5座加长型；为购物可方便改装的皮卡型；配有专供领导办公用的各种无线通讯设施的2排2座专车型等多项款式。

　　对于电动微轿车因轮距减小会降低侧翻阈值，需通过四轮毂电机驱动电子差速转向等措施来降低车辆质心高度，使其具有与豪华轿车相同或更好的侧向稳定性。该车载荷与正面迎风面积（随车宽）的减小，将使滚动和空气两种常存阻力都减少许多。而坡度和加速两种短时阻力可利用电机的短时过载能力。现以3人座的基本型电动微轿车为例，说明其规格、性能和成本。它由最佳结构的四大基础部件加车身与内饰组成，结构与造型可参考前述附图。车的长/宽/高约为2800×900×1400mm，车的自重约为280kg，允许加载220kg，即车辆额定负荷500kg。由四台功率均为800W的多功能轮毂电机驱动，蓄电池容量约为5。4kWh。参考电动自行车重40kg，加载1人重75kg，即车额定负荷115kg，电机功率为200W，蓄电池容量为430Wh。两者相比：车载负荷增加4。4倍，电机总功率增大16倍，蓄电池容量增加12。6倍。按此配置估计车速可达市区实际可能行驶的60km/h，续驶里程可达100公里，利用电机短时过载能力可使0～50km/h的加速时间≤8s。该车蓄电池如采用锂电池需三块体积约为400×300×70mm（如同厚坐垫）、重量约为18公斤。如此体积、重量的蓄电池若采用专用器具更换约2分钟就可完成，即为解决纯电动汽车续驶里程的致命缺陷提供了有效途径。各部件按一定批量生产，车的总成本估计为3万元，其中锂电池占2万元。若采用铅酸蓄电池，其价格为4800元，车的总成本可降为1。5万元，但蓄电池体积和重量均需增加近3倍，就较难适用快速更换法，而且蓄电池寿命及性能也相应下降。并且该四大基础部件还将随生产批量增加，及生产工艺的成熟完善，价格还会随之大幅下降。该车的百公里耗电约6度，合电费约3元，如采用谷时充电仅为1。8元。即比现有轿车油耗费可节省近30倍。加上蓄电池折旧费，使整个养车费比传统轿车还省许多。如此就能被广大民众接受而快速普及推广，并经技术与经济良性循环得到发展。

　　值得可庆的是：即将出台《新能源汽车产业发展规划》的意见征询稿，其中也已提到：“要建立和完善小型低速纯电动汽车标准法规体系”。针对该类所谓非道路车辆，从反对到鼓励的过程，也说明国家已切实体验到：纯电动微轿车即有适合我国家庭小型化的市场优势，又可打开纯电动汽车能量不富裕的瓶颈口。对纯电动汽车车速和续驶里程两项指标，按现有技术，它与电机功率和蓄电池容量确是一对矛盾。两项指标增加必增加车载自重和成本，且车载自重增加也使动力性大打折扣，即会引起相应的恶性循环。而由四大基础部件组成的电动汽车最佳结构优点之一是简化结构而减轻车重，相对动力性起到相应的良性循环。所以该两项指标的提升也应遵循技术与市场经济须互为促进的规律。回顾当初发动机技术还不成熟时，其车速也均较低。反过来目前要人们再来接受较低车速确有难度，但在城市区域现可行驶的实际车速也只能是60km/h。即按实际可能行驶路况，对车速和续驶里程相对电机功率和蓄电池容量的匹配应有一最佳选择。且恰如其分的指标对节能起到更直接效果。

　　根据技术发展需先易后难、循序渐进，使技术与经济互为促进以形成良性循环的发展规律。而所述电动汽车最佳结构的四大基础部件也更易在该小而全的微型车上实施，通过突破性结构改进以极大提高性价比。所以电动微轿车是未来电动汽车最佳结构的发展雏形，它以安全经济实用适于向民众推广为前提，是一种高起点、低要求的现实型发展模式。这即为尽快掌握未来汽车关键技术建立必要的技术储备，也使电动汽车尽快普及商品化找到突破口。该廉价的节源环保型电动微轿车即适用于我国家庭普遍为1～3人的工薪阶层和欲添置第二辆私家车的需求，也为1～3人内的大部分出差旅行通过自助刷卡租用提供良好的换乘方式。可极大提高电动汽车的应用面，通过技术与经济良性循环促进电动汽车发展，以尽快解决节源环保交通等难题。

　　综上所述，由于从节能环保、安全舒适来说，高速列车比飞机或汽车都更好。所以未来出行最佳选择可能为：旅程大于1500公里以上，最好采用时速能达800公里以上的真空管道磁悬浮列车；旅程在100～1500公里间，采用时速达350公里的高铁列车较佳；而两种长途行程都需要的换乘方式或在100公里内的短途行程，可采用自助租用自驾电动微轿车、电动出租车和公交电动车，并结合适于更短途的公交自行车进行。

　　参考文献

　　1 王贵明、王金懿编著。电动汽车及其性能优化[M]。北京：机械工业出版社，2010。

　　2 王贵明、王金懿。兼有电动、发电回馈和电磁制动功能的可调速旋转电机：中国，ZL2。5[P]

　　3 王贵明、王金懿。具有启动绕组的单相开关磁阻式多功能电机：中国，2。6[P]

　　4 王贵明、王金懿。基于直线电动机控制转向力的汽车转向系统：中国，2。7[P]

　　5 王贵明、王金懿。电动汽车用四轮毂电机驱动实现四轮转向的电子差速转向控制系统：中国，2。1[P]

　　6 王贵明、王金懿。基于四大基础部件的电动汽车结构：中国，2。5[P]

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