未來出行最佳方式探討論文

時間：2021-06-12 20:47:41 論文我要投稿

有關未來出行最佳方式探討論文

　　論文摘要：本著節能環保對未來出行的最佳方式進行探討，提出長途出行應采用高鐵和真空管道磁懸浮列車兩種方式；針對未來城市人口和私家車將成數倍增加，而使城市交通供需矛盾日趨加劇，提出了采用可節約能源20多倍和交通資源1倍多的節源環保型電動微轎車作為自助刷卡租用自駕車的一種短途換乘方式。

有關未來出行最佳方式探討論文

　　論文關鍵詞：磁懸浮列車，交通資源，節源環保，電動微轎車

　　人類必須的三大生活“吃住行”隨著社會的發展進步，其側重順序也將發生根本變化，隨貿易、旅游、交往等的發展和頻繁需求，人們對出行交通的便捷、舒適、安全及準點率均寄予厚望，但隨之出現的大量交通堵塞、航班延誤與人們的意愿背道而馳。并且結合能源危機、環境保護呼聲的日趨高漲，未來出行究竟哪種方案既能更節源環保，又能更易被廣大民眾所選擇，為未來的相關決策調控作參考，在此值得預測探討。顯然，出行分長途與短途，而在快速長途行程前、后也均需通過短途的換乘方式，并且該短途換乘方式的選擇往往會在整個行程的時間中占取相當比例。而單獨的短途行程又與該短途換乘存在完全類似的方式。所以為表述方便，在此，就按長途行程和短途換乘兩大方式來討論。

　　一、長途行程的方式

　　長途行程的方式雖有飛機、火車、輪船、汽車多種。針對遠程，在此主要討論飛機與火車的比較。對于旅程超過1000公里時，目前人們較多地選擇航空。但隨著高鐵的發展，該選擇將有改變的趨勢。目前民航班機的飛行時速大約為800公里/小時，加上起降時間，特別是登機前的一系列安檢手續等，所以從進機場到出機場扣除空中飛行時間就要化去約3個小時。即航班行程的實際時速隨旅程的不同需打一個較大的相應折扣。

　　對于火車，目前高鐵動車組（高速輪軌列車時速）已可達350公里/小時。而世界第一條商業運營的上海磁懸浮列車最高時速為430公里，目前磁懸浮列車最高時速在日本山梨縣載人實驗運行中已達５８０公里/小時。據分析，磁懸浮列車是借助于電磁力將車輛懸浮在軌道上方，由于沒有車輪與軌道接觸所帶來的阻力，在高速行駛時就像一架超低空飛行的飛機，預估時速可達600～1000公里。但由于存在地面空氣摩擦阻力，按車輛動力學，空氣阻力隨行駛速度成二次方增加，而為空氣阻力所耗功率將隨行駛速度以三次方倍增加，所以地面稠密的大氣層將使行駛速度超過一定值時，其能耗、噪音會急劇增加，難以被市場所接受。

　　據分析，理想的真空管道磁懸浮列車的理論極限速度接近于第一宇宙速度（7。9公里/秒=2。844萬公里/小時），即真空管道磁懸浮的運輸時速可達2萬公里。乍一聽，這確如同天方夜譚，可以想象，如此高的車速，即使列車能達到，乘客也會因各種因素而難以接受。據報道，目前世界上有美國、瑞士、中國3個國家正在研究真空管道磁懸浮技術。由于美國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，兩種方案均存在成本、難度極高，使其難以進入實際應用，所以美國和瑞士還處于理論階段。而我國采用了降低要求和分步實施的方案，使該項目能盡快進入試驗階段。即將管道內只降低約0。5個大氣壓，以適當控制其成本，來較大地減少空氣對機車的阻力。而時速提高又分三步進行：第一步采用普通真空高鐵，使時速達到500～600公里，技術上預計10年可達到運營要求。第二步采用低真空磁懸浮，使時速達到1000公里以上。第三步采用高真空磁懸浮，時速可望超4000公里。

　　為保持真空管道內相應的真空度，管道與管道間的接頭處必須密封嚴實，管道沿線需有多個抽氣泵站。并還需為維修、檢查等情況時預留其可打開的通道口，而這些通道口在正常運行期均為密閉，確保不漏氣。更難的是在沿線各車站車輛進出的管道處也需實施防漏氣密封措施。另外，在管道中雖是真空狀態，但在其中運行的磁懸浮列車內仍須保持適宜人乘坐的大氣環境，因此車輛也必須具有良好的密封。據分析，真空管道磁懸浮列車與現有磁懸浮列車相比，主要增加真空管道的造價，但運行時由于減少了空氣阻力，將極大地減小其能耗費用。按理論計算即使時速達4000公里時，其能耗也不到民航客機的1/10。

　　可以想象，如能使真空磁懸浮列車時速達到1000公里（常人可接受的范圍）以上，民航就有被淘汰的趨勢，這對民航業可能是一種不中聽的打擊。但是世界的石油資源終將趨于枯竭，并隨著現已可達到的高鐵時速350公里和磁懸浮時速500公里的進一步實施推廣，人們對民航的選擇將會從旅程1000公里提升為2000公里以上。更可以利用臥鋪在車上睡一夜，早晨到達目的地正好辦事。而從節能要求來說也更應提倡人們采用能耗低的交通方式。針對節能環保要求，結合科技發展趨勢，國家對鐵路運輸業與航空業的建設投資應有相應調整。

　　但再結合太陽能技術發展，在此也對飛機能耗的改進提點技術設想：根據飛機航行時要求在天氣睛好，即基本在烈日當空下飛行。而龐大的'機身、機翼等部位上若能覆蓋一層太陽能電池板，按空氣動力學將太陽能電池板定做成與其機身、機翼等部位的弧形類似形狀。如此龐大的太陽能電池板在高空烈日下將能接受大量太陽能用作發電。即成為太陽能與發動機相結合的混合動力飛機，如此，即可適當減小發動機功率和油箱體積，適當增加蓄電池。而覆蓋在機身的太陽能電池板還可起到一定的隔熱效果，以減少客艙的空調能耗。由于太陽能是世界上最清潔，用之不竭的能源，一架太陽能混合動力飛機所起到的節能減排效果能抵于幾十輛電動汽車。有關科研機構應盡早對其實施有所計劃。

　　二、短途換乘的方式

　　短途換乘主要在城市區域內進行，要求以交通暢通為前提。但由于我國城市人均可用交通資源（據分析比發達國家相差十幾至幾十倍）甚為緊缺，并隨城市人口擴展和汽車保有量迅猛增加，城市交通供需矛盾和交通擁堵正日趨加劇。為此作者通過多年來對各種交通問題的長期觀察和結合相關理論的深入分析研究，提出了改善交通必須從提高汽車對交通資源的人均利用率和改進交通服務設施兩者雙管齊下地進行。并對此具體提出了多項改進措施，由于實施中涉及到汽車制造、交通管理等多個專業，需要多個政府部門協調而存在相應難度。但面對當前日益突出、牽扯多方利益而阻礙城市發展的交通難題，相信通過各方多種呼吁，政府必能盡早研究實施。如此各種短途換乘方式在交通暢通前提下就能真正被各類人群所接受。

　　在此限于篇幅僅對各項改進措施簡述如下：通過汽車性能優化來減小轉彎半徑及滯留時間、提高汽車通過性和道路通行能力；推廣可提高交通資源利用率1倍多的節源環保型電動微轎車作為普及型私家車；通過優化公交線路布局、多形式快速公交專車及改善公交設施等多項改進公交服務措施來提高公交車的載坐率；推出增加相應輔助設施與服務功能的高效出租車以提高其車載率；通過互通交叉立交橋、環島形交叉路口、智能交通燈控制、經喇叭形延伸擴展交叉路口等多項措施解決最易引起擁堵的交叉十字路瓶頸口；推出可專載行人和非機動車的低平板輪轂式電動過渡車以解決交叉路口機非交織混行問題；建造占地面積小的立體車庫以解決市區停車難；充分發揮交警在交通管理中的重要作用，將工作變被動為主動來提高實效性。

　　短途換乘方式主要有出租車、公交車、自駕車或自行車等，對此在前述為改善交通所提的多項改進措施中均有相應闡述。由于人們對此除了希望便捷、舒適、安全和準時，還有隨機性與個性化要求，為能同時滿足該多項要求，特提出一種可供自助刷卡租用的自駕車，所以在此重點說明該自駕車短途換乘方式。該車以前述可提高交通資源利用率1倍多的3人座節源環保型電動微轎車為基型。其自動租用方式可參考杭州早已推出的采用公交信用卡自動借用公交自行車的服務形式。即憑具有數年無相關違章駕駛記錄的駕照和身份證，預交相應保證金辦理電動微轎車自動租用信用卡，而電動微轎車租用點主要設在火車站、飛機場，并在市區設置多個蓄電池快速更換服務站（由于所配蓄電池容量不大，若采用專用器具更換約2分鐘就可完成，比傳統加油還快）。用戶最終按所駛里程數繳納租金。當然該電動微轎車還須配有GPS自動導航系統，使外地游客也能以自駕游方式便利地到達隨意要去的地方。可以想象該電動微轎車租用服務的實施和推廣，將為我們的出行帶來極大的方便，并為節能減排、資源共享以及推廣電動汽車等都將開辟一種良好的先河。由于該車成本估計僅為1。5～3萬元，即可便于實施。

　　為弄明白電動微轎車為何成本能如此低，以及它的結構、性能特點和運行成本等。還需先概況說明如何提高電動汽車性價比的有關研究，這也是對電動汽車遲遲未能普及商品化的原因分析。現所研發的電動汽車由于受傳統汽車設計思路所束縛，其結構沒能從充分發揮電機驅動應有的各種技術優勢作突破性改進，使性價比也難有突破性提高。通過對發動機與電動機的調速動力特性分析比較，說明電動汽車用電機驅動相對發動機有數千倍的調速比、數百倍的快速響應性、相當的短時過載能力以及節能等諸多優勢。而電機各項優勢的充分發揮，必須通過對電動汽車的結構作突破性變革與優化，以此達到簡化機械機構、降低成本和車載自重、節能減噪、提高動態響應及控制性能，即提高電動汽車性價比來使其盡快普及商品化。

　　作為新興的機電一體化電動汽車的研發，除了運用傳統汽車理論——車輛動力學，更應以電機拖動理論及其控制理論為基礎，并還需遵循交通管理理論及技術與市場經濟須互為促進的規律。電動汽車的最大不同點是以電機驅動為動力源，所以須按電機拖動理論找出最適合汽車多變行駛工況特點的電機類型和最佳驅動結構形式。為改善整車性能和電機控制要求，按控制理論分析，需提高汽車對驅動、制動和轉向三大執行機構的快速響應性，利用當今迅猛發展的微電子等技術，通過檢測反饋控制來極大地提高性能。為使汽車高效、便捷功能真正發揮，須以交通暢通為前提，按交通管理理論分析，即需從提高交通資源利用率來考慮車型。為使技術與經濟互為促進發展，需按現有技術繞其瓶頸找出即刻可使電動車普及商品化的突破口。

　　汽車驅動、制動、轉向三大執行機構即是制約整輛汽車性能的主要環節，其快速響應性也是決定操控汽車安全穩定行駛的重要因素。針對傳統汽車的發動機驅動、由液壓等方式制動和轉向助力因摩擦阻尼使動態響應均較慢，從而制約整車性能難以有效提高。為此綜合多項技術深入分析與研究，利用電機的電與磁轉換是按光速進行的動態響應過程，提出能全面提高電動汽車驅動、制動、轉向三大執行機構的快速響應性和性價比的四項發明專利：兼有電動、發電回饋和電磁制動功能的磁阻式輪轂電機；具有啟動繞組的單相開關磁阻式多功能輪轂電機；基于直線電機控制的汽車轉向系統；四輪轂電機驅動四輪轉向電子差速控制系統。汽車驅動電機采用結構簡單、堅固可靠、電機與控制器綜合成本低、調速性能好、效率高等優點的變磁阻電機，它與交流變頻或永磁無刷等電機相比，特別具有高起動轉矩、可控起動電流和較高的短時過載能力，更適于汽車重載起步，頻繁起停、升降速的多變工況以及蓄電池需避免大電流輸出等各種特殊要求。通過結構改進又提高了電磁制動效能，而發電回饋—電磁制動相結合反復進行的制動過程，類似于防抱死制動系統ABS或驅動防滑轉控制ASR的制動過程，提高了安全制動效果。而采用“零傳動”方式的輪轂電機直接驅動車輪，極大地簡化機械傳動結構，降低了成本和車載自重，提高了車輪控制的快速響應性、驅動效率和制動能量回收率，有利于節能減噪，還騰出許多空間便于汽車總體布局。鑒于輪轂電機功率受結構體積限制，采用四臺輪轂電機替代常規的一臺電機以實現小馬拉大車，而四輪驅動提高了地面附著力以增強操控車輛行駛穩定性等。為電動汽車確立了最佳電機驅動方式。

　　高儲能裝置可用燃料電池或各類蓄電池等。鑒于現有技術主要為蓄電池，并應盡可能采用對我國有得天獨厚資源優勢的鋰電池。另據報道有一種即可作充電電池，也可作燃料電池的鋰—空氣電池，按理論分析作充電電池用，比能量可高于現有鋰離子電池十幾～數十倍，而作燃料電池用，能量密度和更換時間均有望優于傳統的加油方式，但要進入實際應用還有待時日。

　　由直線步進電機控制的四輪驅動四輪轉向電子差速轉向系統是在四輪轂電機驅動基礎上，結合另兩項專利技術而組成。由直線步進電機直接帶動轉向機構的左右橫拉桿，使控制更直接，動態響應更快，且省去了大量機械或液壓部件，使結構更簡捷。利用直線步進電機的控制特點，可方便地充分滿足轉向力隨車速變化的各控制要求，并提高了轉向精度和其性價比。采用四輪轉向又可極大地減小低速轉彎半徑、提高高速轉向穩定性和響應快速性。

　　數字化整車控制系統采用數字化液晶顯示、多CPU微機總線控制方式，分為基本型和高性能型。基本型僅滿足電動汽車基本控制要求，使其盡快進入實際應用。高性能型采用多傳感器進行四輪驅動四輪轉向與電子穩定系統ESP相結合的控制方式，由于采用多功能輪轂電機四輪驅動結合直線電機控制四輪轉向可極大地提高汽車驅動、制動、轉向三大執行機構快速響應性，按所測信號通過微機控制即可及時準確調整前、后、左、右各車輪的驅動力、制動力、轉向角，從而全面提高汽車行駛的穩定性、操控性、安全性以及轉向性能，并極大提高整車性價比。

　　由四大基礎部件組成的電動汽車充分發揮了迅猛發展的微機控制、傳感測量和電機驅動等各項技術優勢，也更便于實施專業化流水生產模式來極大地提高性價比。這也是未來各類電動汽車的最佳結構，掌握該四大核心部件的關鍵技術是趕超世界領先，提升未來汽車業競爭力的基本前提，以此即可擺脫我國汽車業長期受國外技術的束縛。

　　純電動汽車按現有技術，由于受輪轂電機功率和蓄電池比能量、比功率的限制，特別適于微型車制作。而我國家庭正呈小型化結構，隨生活水平提高私家車銷量將占最大部分。又針對我國交通資源緊缺特點，提出了可提高交通資源利用率1倍多的3人座節源環保型電動微轎車，即該車設置為前排駕駛1人座，后排2人座，駕駛位于車前正中央，對車兩邊瞭望視覺一致，更便于把握方向和安全行駛。車寬定為0。8～1M，它小于公交車一半，大于轎車一半。如此，將現有車道寬3。5～3。75M一分為二即可節約交通資源。該車在車道寬減半為1。75～1。87M，而側向凈寬還有0。75～1。07M的節源型車道行駛。它與公交車各行其道，即可提高該車的快捷性和安全性。也使公交車自然有專用車道，為改善公交服務及整個交通暢通建立了必要前提。該車尺寸縮小后也利于解決停車難。為滿足各類層次人群需求，又提出3排5座加長型；為購物可方便改裝的皮卡型；配有專供領導辦公用的各種無線通訊設施的2排2座專車型等多項款式。

　　對于電動微轎車因輪距減小會降低側翻閾值，需通過四輪轂電機驅動電子差速轉向等措施來降低車輛質心高度，使其具有與豪華轎車相同或更好的側向穩定性。該車載荷與正面迎風面積（隨車寬）的減小，將使滾動和空氣兩種常存阻力都減少許多。而坡度和加速兩種短時阻力可利用電機的短時過載能力。現以3人座的基本型電動微轎車為例，說明其規格、性能和成本。它由最佳結構的四大基礎部件加車身與內飾組成，結構與造型可參考前述附圖。車的長/寬/高約為2800×900×1400mm，車的自重約為280kg，允許加載220kg，即車輛額定負荷500kg。由四臺功率均為800W的多功能輪轂電機驅動，蓄電池容量約為5。4kWh。參考電動自行車重40kg，加載1人重75kg，即車額定負荷115kg，電機功率為200W，蓄電池容量為430Wh。兩者相比：車載負荷增加4。4倍，電機總功率增大16倍，蓄電池容量增加12。6倍。按此配置估計車速可達市區實際可能行駛的60km/h，續駛里程可達100公里，利用電機短時過載能力可使0～50km/h的加速時間≤8s。該車蓄電池如采用鋰電池需三塊體積約為400×300×70mm（如同厚坐墊）、重量約為18公斤。如此體積、重量的蓄電池若采用專用器具更換約2分鐘就可完成，即為解決純電動汽車續駛里程的致命缺陷提供了有效途徑。各部件按一定批量生產，車的總成本估計為3萬元，其中鋰電池占2萬元。若采用鉛酸蓄電池，其價格為4800元，車的總成本可降為1。5萬元，但蓄電池體積和重量均需增加近3倍，就較難適用快速更換法，而且蓄電池壽命及性能也相應下降。并且該四大基礎部件還將隨生產批量增加，及生產工藝的成熟完善，價格還會隨之大幅下降。該車的百公里耗電約6度，合電費約3元，如采用谷時充電僅為1。8元。即比現有轎車油耗費可節省近30倍。加上蓄電池折舊費，使整個養車費比傳統轎車還省許多。如此就能被廣大民眾接受而快速普及推廣，并經技術與經濟良性循環得到發展。

　　值得可慶的是：即將出臺《新能源汽車產業發展規劃》的意見征詢稿，其中也已提到：“要建立和完善小型低速純電動汽車標準法規體系”。針對該類所謂非道路車輛，從反對到鼓勵的過程，也說明國家已切實體驗到：純電動微轎車即有適合我國家庭小型化的市場優勢，又可打開純電動汽車能量不富裕的瓶頸口。對純電動汽車車速和續駛里程兩項指標，按現有技術，它與電機功率和蓄電池容量確是一對矛盾。兩項指標增加必增加車載自重和成本，且車載自重增加也使動力性大打折扣，即會引起相應的惡性循環。而由四大基礎部件組成的電動汽車最佳結構優點之一是簡化結構而減輕車重，相對動力性起到相應的良性循環。所以該兩項指標的提升也應遵循技術與市場經濟須互為促進的規律。回顧當初發動機技術還不成熟時，其車速也均較低。反過來目前要人們再來接受較低車速確有難度，但在城市區域現可行駛的實際車速也只能是60km/h。即按實際可能行駛路況，對車速和續駛里程相對電機功率和蓄電池容量的匹配應有一最佳選擇。且恰如其分的指標對節能起到更直接效果。

　　根據技術發展需先易后難、循序漸進，使技術與經濟互為促進以形成良性循環的發展規律。而所述電動汽車最佳結構的四大基礎部件也更易在該小而全的微型車上實施，通過突破性結構改進以極大提高性價比。所以電動微轎車是未來電動汽車最佳結構的發展雛形，它以安全經濟實用適于向民眾推廣為前提，是一種高起點、低要求的現實型發展模式。這即為盡快掌握未來汽車關鍵技術建立必要的技術儲備，也使電動汽車盡快普及商品化找到突破口。該廉價的節源環保型電動微轎車即適用于我國家庭普遍為1～3人的工薪階層和欲添置第二輛私家車的需求，也為1～3人內的大部分出差旅行通過自助刷卡租用提供良好的換乘方式。可極大提高電動汽車的應用面，通過技術與經濟良性循環促進電動汽車發展，以盡快解決節源環保交通等難題。

　　綜上所述，由于從節能環保、安全舒適來說，高速列車比飛機或汽車都更好。所以未來出行最佳選擇可能為：旅程大于1500公里以上，最好采用時速能達800公里以上的真空管道磁懸浮列車；旅程在100～1500公里間，采用時速達350公里的高鐵列車較佳；而兩種長途行程都需要的換乘方式或在100公里內的短途行程，可采用自助租用自駕電動微轎車、電動出租車和公交電動車，并結合適于更短途的公交自行車進行。

　　參考文獻

　　1 王貴明、王金懿編著。電動汽車及其性能優化[M]。北京：機械工業出版社，2010。

　　2 王貴明、王金懿。兼有電動、發電回饋和電磁制動功能的可調速旋轉電機：中國，ZL2。5[P]

　　3 王貴明、王金懿。具有啟動繞組的單相開關磁阻式多功能電機：中國，2。6[P]

　　4 王貴明、王金懿。基于直線電動機控制轉向力的汽車轉向系統：中國，2。7[P]

　　5 王貴明、王金懿。電動汽車用四輪轂電機驅動實現四輪轉向的電子差速轉向控制系統：中國，2。1[P]

　　6 王貴明、王金懿。基于四大基礎部件的電動汽車結構：中國，2。5[P]

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