淺談微型汽車的電動(dòng)化改裝方案

【摘 要】本文對大眾桑塔納轎車為例，提出了汽車電動(dòng)化改裝的整車布置方案，并進(jìn)行了路面試驗(yàn)。試驗(yàn)表明改裝汽車的各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。這說明電動(dòng)機(jī)、電池的選擇和改裝車整體結(jié)構(gòu)布置合理，改裝方案是具有一定的可行性。

【關(guān)鍵詞】微型汽車；動(dòng)力系統(tǒng)；改裝

0 引言

微型純電動(dòng)汽車具有無污染、低噪聲、小體積、低速度和易駕駛等優(yōu)點(diǎn)，是解決能源危機(jī)和環(huán)境污染的重要途徑，已成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)[1]。它能夠穿梭于城市的各種道路，最高時(shí)速一般為 50km/h，因此微型純電動(dòng)汽車作為代步或教學(xué)工具是相當(dāng)合適的，不僅適合上班族的快速交通需要，也能為普通人短距離慢速交通提供方便。它的總體開發(fā)主要有兩種方式，即改裝和全新設(shè)計(jì)，但由于技術(shù)上的制約，我國對微型電動(dòng)汽車的研究絕大多數(shù)建立在改裝車的基礎(chǔ)上，并且對電動(dòng)汽車改裝方面的研究還不夠深入，有些文獻(xiàn)只是從理論上分析，沒有路面試驗(yàn)，因此，本文在介紹電動(dòng)汽車改裝理論的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了將大眾桑塔納轎車改裝為純電動(dòng)轎車的工作，并對改裝車進(jìn)行了路面性能試驗(yàn)。

1 微型電動(dòng)汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

微型純電動(dòng)汽車已成為國外市場、商業(yè)化的輕型純電動(dòng)汽車新品種。在日本，微型電動(dòng)汽車享有不用年檢、不用車位證，還有停車優(yōu)惠的政策，并且日本有一些企業(yè)和社區(qū)內(nèi)還設(shè)置了微型純電動(dòng)車的停放站，一般會(huì)停放著二三十輛微型純電動(dòng)汽車，使用者打卡就能夠開走車，用完汽車后放回停放站車子就可以充電，因此擁有不錯(cuò)的市場。在美國，微型純電動(dòng)汽車電機(jī)額定功率一般為3-7.5kw，最高速度為60km/h，續(xù)駛里程為50-80km，只能用作城市內(nèi)街道和社區(qū)交通、高爾夫球場和特殊場合，不能上高速公路[2]；在歐洲，純電動(dòng)汽車經(jīng)過十幾年的發(fā)展，已經(jīng)在歐洲各國尤其是在政府部門當(dāng)中擁有大量的用戶。但商業(yè)化進(jìn)程緩慢，原因是沒有成功地解決續(xù)駛里程問題，而且各大汽車廠商發(fā)展電動(dòng)汽車的熱情明顯不如日本和美國，其注意力更多地轉(zhuǎn)向了其它新能源車的開發(fā)和發(fā)展。

我國電動(dòng)汽車的研發(fā)也有一定的歷史，基本與國外處于同一起跑線?！笆濉逼陂g，國家設(shè)立“電動(dòng)汽車重大科技專項(xiàng)”，目的就是通過組織企業(yè)、高等院校和科研院所等方面力量進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)從而維護(hù)我國能源安全、改善大氣環(huán)境、提高汽車工業(yè)競爭力。中國加人WTO后，國內(nèi)企業(yè)將面對開放市場和經(jīng)濟(jì)全球化的壓力和沖擊，中國汽車工業(yè)更是面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，要在電動(dòng)汽車產(chǎn)品上與國外開展競爭，就必須通過技術(shù)創(chuàng)新和組織管理創(chuàng)新，以高新技術(shù)帶動(dòng)傳統(tǒng)汽車工業(yè)，在新一代汽車技術(shù)上取得突破， 實(shí)現(xiàn)我國工業(yè)的跨越式發(fā)展[6，7，8]。目前，我國的部分高校、汽車研究所以及生產(chǎn)企業(yè)正在聯(lián)合開發(fā)充電電池和純電動(dòng)汽車，已取得了一些成果。根據(jù)國情，我國企業(yè)還開發(fā)了各種形式的微型純電動(dòng)汽車，如“Micro 哈里”，它是由清華大學(xué)與清能華通共同研發(fā)，采用了自主研發(fā)的新型四輪智能驅(qū)動(dòng)技術(shù)和高性能鋰離子動(dòng)力蓄電池，百公里能耗低，續(xù)駛里程大于120km，最高車速 65km/h。2010年7月，清華大學(xué)、常州市政府及潤物控股有限公司簽訂協(xié)議，在常州共建微型純電動(dòng)汽車試運(yùn)行示范基地，以推動(dòng)微型純電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

2 改裝電動(dòng)車的總體方案

設(shè)計(jì)中將原有大眾桑塔納汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、電器及控制系統(tǒng)、儀表板及相關(guān)附屬件拆除，保留變速箱、行走、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)系統(tǒng)。為減輕車重，將車殼去掉，改敞蓬。電動(dòng)汽車總體布置如圖1所示。

圖1 電動(dòng)汽車總體布置圖

圖1 為微型純電動(dòng)汽車的總體布置圖，從圖中可以看出，微型純電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)主要由電氣系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)兩部分組成，其中電氣系統(tǒng)主要由蓄電池組、電動(dòng)機(jī)及其控制器組成；機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)主要是由變速傳動(dòng)裝置以及驅(qū)動(dòng)車輪構(gòu)成。動(dòng)力系統(tǒng)的控制器可以根據(jù)制動(dòng)踏板和加速踏板輸入的信號，發(fā)出相應(yīng)的控制指令來控制功率轉(zhuǎn)換器。功率轉(zhuǎn)換器的功能是調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)和電源之間的功率流，控制功率電路的功率輸出，實(shí)時(shí)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，然后電機(jī)輸出的動(dòng)力再通過變速器傳動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)車輪按駕駛員要求行駛[3]，因此選電動(dòng)機(jī)及控制系統(tǒng)是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

3 微型電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 電動(dòng)汽車電動(dòng)機(jī)的選擇

本次設(shè)計(jì)選用了三種類型的電動(dòng)機(jī)，即有刷直流電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)和永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)。

（1）有刷直流電動(dòng)機(jī)。其優(yōu)點(diǎn)是控制簡單、技術(shù)成熟，但其過載能力與轉(zhuǎn)速提升能力不足。如長時(shí)間運(yùn)行，要經(jīng)常維護(hù)，更換電刷和換向器，而且轉(zhuǎn)子散熱條件差，限制了電機(jī)轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比的進(jìn)一步提高。由于上述缺陷，在新研制的電動(dòng)汽車上已不采用。

（2）開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。其結(jié)構(gòu)上省去了轉(zhuǎn)子上的滑環(huán)、繞組和永磁體等，是一種新型電動(dòng)機(jī)。具有維修容易，可靠性好，易冷卻，調(diào)速范圍寬，控制靈活等特點(diǎn)，而且效率比交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)高，但由于其具有較高的非線性特性，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜，輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大，功率變換器的直流電流波動(dòng)也大，因此需要在直流母線上需裝一很大的濾波電容，不符合本文汽車改裝方案的設(shè)計(jì)要求。

（3）永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)。由于利用了電子換相器取代了傳統(tǒng)的機(jī)械電刷和機(jī)械換相器，因此結(jié)構(gòu)簡單、無機(jī)械磨損、運(yùn)行可靠。同時(shí)還具有調(diào)速精度高、高效率、高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點(diǎn)[4]，是一種高性能的電動(dòng)機(jī)，而且永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)無換向火花和無線電干擾，壽命長，運(yùn)行可靠，維修簡便，具有更高的能量密度和效率，在電動(dòng)汽車中有很好的應(yīng)用前景。

經(jīng)過上述三種電動(dòng)機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)的比較以及性能的分析，采用永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)作為本次電動(dòng)汽車改裝的動(dòng)力機(jī)較合適。

3.2 電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)的參數(shù)選擇

（1）電動(dòng)機(jī)的額定功率

由于改裝用于研究或代步工具使用，設(shè)計(jì)時(shí)速為最高40公里/小時(shí)，電機(jī)的額定功率，公式為：

根據(jù)上述設(shè)計(jì)計(jì)算的電動(dòng)機(jī)的額定功率和額定轉(zhuǎn)速，選擇額定電壓96伏，額定功率5kW，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min的永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)較為合適。

3.3 對電池的選擇

本次設(shè)計(jì)選用鉛酸電池，其可靠性高、原料易得、價(jià)格便宜，是電動(dòng)汽車儲(chǔ)能動(dòng)力源中較為成熟的一種，而且它的比功率基本上能滿足電動(dòng)汽車加速和爬坡要求。電池容量的選擇主要考慮最大輸出功率和輸出能量，其中電池單節(jié)容量為150A·h，電壓為12V，尺寸為300×170 ×210mm，電池?cái)?shù)目為8節(jié)，以保證電動(dòng)汽車的動(dòng)力性和續(xù)駛里程。

4 結(jié)論與展望

我們對改裝后的微型純電動(dòng)汽車進(jìn)行了路面行駛試驗(yàn)，其最大行駛里程45km，最大爬坡度15%，最大速度大于25km/h，可作日常代步或教學(xué)工具。本次改裝試驗(yàn)說明利用普通汽油車改微型純電動(dòng)汽車方案可行，稍加改進(jìn)就可應(yīng)用于人們的日常需求，實(shí)現(xiàn)日常代步，同時(shí)也減少了廢氣污染，減輕了能源危機(jī)。

但本文的方案設(shè)計(jì)還有許多需要改進(jìn)的地方，如動(dòng)力系統(tǒng)系統(tǒng)，它是微型純電動(dòng)汽車的關(guān)鍵系統(tǒng)，關(guān)乎微型純電動(dòng)汽車整車的動(dòng)力性能，詳細(xì)敘述如下：

（1）本文只對動(dòng)力系統(tǒng)的主要部件電動(dòng)機(jī)、蓄電池和改裝車整體結(jié)構(gòu)選型進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，沒有涉及到動(dòng)力系統(tǒng)的具體部件及電路方面的設(shè)計(jì)分析，對動(dòng)力系統(tǒng)的具體部件和電路加以設(shè)計(jì)分析是后續(xù)研究工作的重點(diǎn)。

（2）在微型電動(dòng)汽車改裝過程中，由于受原車結(jié)構(gòu)及蓄電池性能的影響，電動(dòng)汽車的整車動(dòng)力性能仍存在缺陷，以后的工作中應(yīng)繼續(xù)對整車結(jié)構(gòu)和蓄電池的布置進(jìn)行優(yōu)化，提高整車的動(dòng)力性能。

（3）本文對微型純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)只是進(jìn)行了初步布置設(shè)計(jì)，對動(dòng)力系統(tǒng)在整車上進(jìn)行詳細(xì)的布置設(shè)計(jì)，并建模型分析動(dòng)力系統(tǒng)布置對車架受力的影響，以及對整車舒適性的影響將是下一步應(yīng)該進(jìn)行的工作。

【參考文獻(xiàn)】

[1]孫逢春，張承寧，祝嘉光.電動(dòng)汽車[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1997.

[2]郭自強(qiáng).輕型電動(dòng)車發(fā)展動(dòng)向[C]//上海：第五次全國輕型電動(dòng)車會(huì)議論文，2005.

[3]萬沛霖.電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1998.

[4]王勇.永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展[J].上海：科技資訊，2008，28：127.

[5]劉剛，劉傳濤.皮卡車改裝電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)[J].中國高新技術(shù)企業(yè).2010，31：19-20.

[6]張智文，申金升，徐一非.國家重大科技項(xiàng)目組織管理[M].北京：中國鐵道出版社，2000.

[7]張智文，申金升，李佩琦.城市交通的社會(huì)成本與我國電動(dòng)汽車的發(fā)展[J].中國軟科學(xué)，1998（4）：82-87.

[8]張智文，申金升.國家重大科技項(xiàng)目組織管理的若干思考[J].中國軟科學(xué)，1998（12）：50-53.

[責(zé)任編輯：周娜]