比特斯拉、比亚迪更牛的三电方案，电动车将完全替代燃油车

如果本文所写三电方案将产业化，实践证明有成本优势，那么三年之后，每家每户都可以有一辆纯电动汽车。这种三电方案比目前特斯拉、比亚迪等技术更先进。

这种三电方案可以用一个句话来概括：通过按需配置，特性匹配地有序掌控电动车车辆能源。按需配置就是车辆需要消耗多少电能就在车上放置多少电能。特性匹配是指车辆能源处理（功率、转矩）特性曲线要跟车辆运动特性相符。有序掌控能源是指合理地利用机电磁基础理论，找到一种最佳的能源方案。

我们先从微型车说起，介绍这种三电控制方案，当然重型卡车，超大功率工程车同样适用该种新三电方案。

目前中国电单车存量3.5亿辆，摩托车存量1亿辆。如果这些出行需求能够使用廉价便宜的纯电动汽车来满足。假定三分之一的摩托车、电单车改为纯电动车，那么至少有1.5亿辆市场规模。

什么样的纯电动汽车才能够替代摩托车、电单车呢？

假设一辆不存在里程焦虑的宝骏E100，其售价在3万元以内。百公里电耗9度电费5.4元，首付20%，即6000元不到一个月工资。车辆保险只有现在普通家用汽车的三分之一（全保1500元一年以内）。那么这样的交通工具相比较摩托车、电单车来说是很有竞争力的。

宝骏E100的配置如下，以裸车售价3.8万宝骏E100 2019款 250km 智行版为参考。

这一款车用市场最低价是3.8万。其中电池24度，按当前电池成本800~1000元每度计算。其电池成本在1.92万~2.4万。也就是说电池成本才是这辆车的占比最大的。如果电池容量降为一半。即续航里程为125公里。那么车辆售价可以在3万元以内。在使用双电压换电的模式下。行驶到半路出现电量不足、或出行距离超过125公里。可以租用12~24度电池。

这样的短的续航里程，如果用来替代电单车、摩托车是足够的。用来替代二手燃油车也是足够的，行驶几十万辆的二手燃油车，售价不过几万，但是频繁的保养维修可以不说，燃油车即便按最低4l百公里燃料计算，一年2万公里，6.8元每升。每年需要5000元燃料，而电动车仅需要1080元（当然燃油车是4座，但4升已是最低油耗）。

由上面的分析得到，一辆没有里程焦虑的125公里巡航以上的3万宝骏E100是有市场价值的。即便是当前售价4~6万其销量也还行。

那么一辆没有里程焦虑，充电难题的宝骏E100是怎么实现的呢？有什么技术能够实现？

宝骏E100的电动机是峰值30KW。不考虑现有车型三电（电池、电控和电机是什么样的）。通过重新设计宝骏E100的三电系统，可以实现没有里程焦虑、充电难题的新宝骏E100。

将三相异步电动机选为峰值30KW。原宝骏是永磁同步电动机。改为过载、超温能力更好的牢固可靠三相异步电动其成本会降低。至于效率相差不到5个百分点，也就是每百公里续航缩减量少于5公里。但电机可以实现自冷风冷不需要额外温控。

电池系统采用最低12度，125公里以上续航。其中12度是车载固定电池，此外车主可以自主选择12度可以替换电池模组，最多两个模组。即车载空间可以最多安装12度固定电池+24度可替换电池。续航在375公里。

电控是实现这样的系统的关键。新宝骏E100的电控原理图如下

图 1 新宝骏E100电控主回路图示

图1中，有50V电池4个模组。每个模组电池容量是3度，采用磷酸锂铁电池，能量密度在160wh/kg以上，每个电池组重量在18公斤左右。50V60AH电池组。充放电是均衡的。车载电池组充电倍率在0.5C以内，放电倍率可以高达3C。可替换电池组充电倍率0.25C，放电倍率1C。

图1中开关器件选用价格低廉的MOSFET，如果选用100V60A MOSFET，那么需要三套如图1所示的主回路并联到三相电机绕组。每套主回路功率是12KW，三套并联是36KW。足够的余量。并且将其中两套的储能部件改为超级电容，利用超级电容的高功率密度作为加速时的功率放电。可以将电池组的放电倍率降低到1C。

三电平逆变器的控制电路和逻辑目前市面还没有成熟产品，这是设计的难处。但当这个技术的普及，控制电路的成本也较低廉。

这是一个三相异步电动机，当电机是六相异步电动机，九相异步电动机时。主回路翻倍即可。而电机峰值功率也会翻倍成为30KW、90KW。同时，这样的电控模式可以将圆柱形电动机应用到电动车上，通过合理的补能方式解决里程焦虑、充电难题。这才是这种电控方式魔力所在。

新三电方案原理说明

1989年 Isao 提出了将电机定子绕组打开，将两个将两个逆变器从绕组两端分别供电的结构如图2所示

图 2 双逆变变频与异步电动机较早电控图示

电动机需要根据车辆的运动特性来需求调配电力。所以呢，什么样的电机驱动系统才是最佳的电控系统呢？

调配电力能力跟车辆需求特性匹配的电控系统。

异步（同步）电动机定子需求的是正弦波。而电池供给的直流小幅波动电压（电池电量不同会有偏移）。这就要求逆变器使用高速开关器件（IGBT,GTO,MEOST）将电池电能调配成正弦波。这正弦波是不同电压，不同频率的。

根据"solar to service"（太阳能到服务人们生产生活的效率）的三个效率，及电动车电能使用调配补能方式的分析中，我们知道，60V以内的安全电压适用于补能方式补充。所以有了一个双电压的方案。

按这个方向去优化纯电动汽车的电驱系统，并给出一个可行的控制方案。新三电方案的思路。

图1的双逆变器异步（同步）电动机控制原理是一种推拉式供电方式，有利于提高电机供电电压。此外还有人提出过双定子绕组，双转子电机等等。这些都是可以用来作为双电压系统的方式。但这些方式中，有且只有一种在一定工况下是最优的。

因电能的使用方式千变万化，条条道路通北京，目前作者也无法判断哪一种电池+逆变器+电机是新能源汽车电控的最佳控制方式，只是利用所有时间去深入浅出学习这方面的知识。

目前找到的电机+电控+电池的电控方案比较好的方式如下，我认为这种方式仍有很大的优化空间，分享出来给广大专业人员参考，抛砖引玉。

图 3 简单48V电控主回路a）和控制回路b）示意图

我们设定Ud/2为48V~60V。暂定额定值为50V

图 4 工况1方案48V系统逆变器输出电压

根据 刘凤君 著作《多电平逆变技术及其应用》课本。异步电机两端的逆变器可以是三相两电平SPWM逆变器，也可以是三相三电平或多电平逆变器。交流电机两端的逆变器桥臂是可以对称，也可以是非对称的，每一相绕组逆变器两端直流电压可以是相等，也可以不相等。

这样的技术原理给电动车电控设计带来了极大的方便。

为了最简单易于理解，我们设定4个电池组供电都是额定电压50V直流。逆变器是三电平三相逆变器。

在这样的设计下主回路如下图

图 5 三电平双逆变器异步电机开绕组主回路图示

在图5中50V额定电池电压，加在一个等效电机绕组两端的线电压峰谷差是200V,故电机线电压等效有效值约为141V。当电机额定是70KW最高电机线电流在300A以内。这是较经济的电机电流。也就是说，这种控制方案中单个三相电机做到70KW是经济可行的。

新三电电控方案可以命名为：调相调极变频控制。这种方案将会未来广泛应用在带储能装置、或者高压直流供电的电力拖动中。

在所有的电机控制课本中，交流直流电机的调速的本质是什么？如何从调速的本质优化电动车电控方案？

在学习时，这两个问题带来了解决问题的方向。根据郑萍《电机机电能量转换原理》

图 6 机电换能器方框图

调速属于机电换能器。在这本书中，尽管用数学很详尽地解释了机电能量转换关系。却没有给出电机调速的本质。

通过学习总结得出：电动机调速的本质是能量有序地转换为变化的磁场，通过磁力作用到机械形变。

那么如何通过这样的本质特性优化电机调速，并形成一种较优的电动车电控方案呢？

抓住两个字"有序能量转换"

图 7 电机调速的本质

如图7，所有的电机都是利用导体产生变化的磁场获得动力。如何有序地掌控能量，如何合理地调速成为电动车电控的关键。

电场和磁场的变化耦合的最佳形式是正弦波式变化。故交流电动机调速也是最佳的。

通过工况匹配，对现有技术的筛选。得到三相同步或异步电动机是最佳的。

但目前电动车电控方案存在一个很大的问题，有序的能量变换方式不是最佳的。

为什么这样说呢？

当前的三相异步电机控制方案中，电池里的负电荷从负极出发，经过SPWM变换，到达电机实现电磁耦合能量变化，然后从正极回来锂离子上，实现电荷中和。这个负电荷走完了一整个闭环回路。

图 8 双逆变器三相电机开绕组理想电路

如8中，负电荷只需要经过一半的路径。这样的路径短了之后呢？负电荷走的路短，消耗的能量就少了。

我们进一步简化

图 9 单相开绕组双逆变器简化电路

如图9是一个单相电感，两边是变化的有序正弦波电压，能量可以从左右两边的电池向电机绕组移动，也可以在制动时将能量反馈给电池。当然也可以在左右电池流动。当这是单相的 时候，其优势不能发挥。当3~9相并实现变相变极的时候，你就会发现这是一种有序控制电磁能量的较佳方式。

图 10 九相变相变极异步电动机控制主回路

如10所示。4个独立的50V电池组、若干逆变器组和一个九相异步电动机。我们假定每相绕组功率在5~10KW，那么九相可以得到45~90KW的总功率。而通过控制每一相的电压、电位角、及串接接线方式。我们就能够得到一个变相变极的调速方式。外加简单调频，就可以得到超越现在所有电动车电控方案的调速方式。

这种调速方式的调速性能不只是调速性能好，更多的是实现了能量的有序控制。此外，如果优先实现将其中一个或多个电池组电量用完，可以停车就更换电池组。以一辆百公里10~20度耗电量的车辆计算，每行驶一百公里，更换掉其中一个电量最少的电池组。那么其更换电池的重量较轻，便捷性超过加油。从而解决了电动车的里程焦虑、充电难题。

然而，这种电控方式的还会带来更多的变化，尤其是电动机。我曾花非常多的时间去学习电动机构造设计，认为圆柱形电动机比轮毂电机更适合电动车，因圆柱形电机可以将定子绕组融入车身，成为为车体的一部分且传动结构也较轮毂电机简单，更重要的是其散热性能更高。轴向电机的高功率密度是电磁耦合面更宽，而圆柱形电机可以超越轴向电机的功率密度。

比如，如果我们将一个30KW的三相异步电动机设计成长达1米的，细长圆柱电机。定子是壳体与车身融为一体，定子是车轴与传动融为一体。而双逆变器开绕组的接线方式可以让电控及整车布局更加节省空间。将电机做成圆柱形还能节省电缆。

如果没有变相变极的调速，没有采用开绕组双逆变器。圆柱形电机没有优势。

目前市面上没有这样的产品，更多是长宽接近的矩形电机，大直径电机扭矩更高。

以上内容是作者一年多前的笔记心得整理得来。还有更多已初步形成想法在未来跟读者分享。