新能源小型車輛的設計與制作研究

曾清德+韋桂鴻+李蘭

摘 要：以太陽能為輔助能源的電動小型車輛，電機采用永磁無刷電機，太陽能電池采用單晶硅太陽能電池板，并以太陽能控制器對蓄電池和太陽能電池的電壓進行控制，車輛控制系統(tǒng)用型號為PIC16F72的單片機作為主控芯片，輔助系統(tǒng)主要由電壓轉換器和周圍電路組成。

關鍵詞：新能源小車；永磁無刷電機；單晶硅太陽能電池板；單片機；電壓轉換器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.056

因為環(huán)境污染和不可再生能源短缺等問題日益嚴峻，所以最近幾年來全球大力發(fā)展新能源汽車，尤其是電動汽車。本項目設計和制作出一款造價低廉且使用太陽能充電方便實用的代步電動小車。與目前市場保有量巨大的電動車相比它具有更強的操作穩(wěn)定性和安全性以及可遮風擋雨等優(yōu)點，又具有使用太陽能作為能源，且尺寸小，造價和維修成本低，充電方便等特點。這是一款全新的以太陽能作為輔助能源的新能源小車。

新能源小車主要由驅動控制系統(tǒng)、電池組、底盤、電氣系統(tǒng)、太陽能輔助充電系統(tǒng)組成。整車采用動力裝置后置后輪驅動。車架使用矩形鋼焊接而成，使其更加輕量化。

1 電機的選擇

永磁無刷電機是總體上來說是一種高性能的電機。具有直流電機的良好外特性而沒有有刷電機那樣的機械換向結構是直流無刷電機最大的特點。另外，它的轉子是用永磁體制成的，所以沒有勵磁損耗，并且容易發(fā)熱的電樞繞組是裝在外面的定子上的，因此不存在散熱困難這一問題。同時具有沒有換向火花，不受無線電干擾，使用壽命長，運行穩(wěn)定可靠，維修方便，轉速不受機械換向，效率和能量密度高等優(yōu)點。

因為本款小車主要特點是輕便和低價，所以對電機功率和轉速的要求并不算高，更多考慮的是價格和質量體積等因素，所以綜合考慮本款小車最終選用的是永磁無刷直流電機。經(jīng)過計算滿足小車最高車速35km/h的設計要求

2 電池的選擇及容量的確定

鉛酸蓄電池技術最成熟，最安全，成本也低，是電動汽車的可選動力電源，但比能量、比功率都比較低。因為本款小車對續(xù)航里程的要求不是非常，而更多考慮的是成本問題和安全性問題，最終選擇鉛酸蓄電池作為本款小車的能量來源。

假設汽車在中等載荷150kg的狀態(tài)下以車速35km/h連續(xù)行駛設計續(xù)航里程40km，則經(jīng)過計算，同時考慮到價格因素和市場上鉛酸蓄電池的規(guī)格，最終選定電池組的容量為20AH。

3 太陽能電池板

（1）太陽能電池板充電過程。一般對蓄電池而言充電方式主要有三種，分別是恒流充電方式、恒壓充電方式、脈沖充電方式?？紤]到太陽能電池板的發(fā)電特性及控制的難易程度，選擇恒壓充電方式對蓄電池進行充電比較合適。恒壓充電是指對蓄電池充電時電壓恒定，充電電流隨著蓄電池電壓升高而逐漸減小，直至為零。實踐證明，當充電電壓低于電池電壓允許最大上限時恒壓充電是安全的，即使是長時間充電也不會產(chǎn)生危險，而且如果需要的話電池還可以工作在浮充狀態(tài)。

（2）太陽能控制器?？紤]太陽光的光照強度變化很大，使得太陽能電池板的輸出電壓和輸出電流亦隨之變化很大，最大輸出電壓甚至可達20V，電流可達5A。如果直接將太陽能電池板與蓄電池相連，那么蓄電池會因充電電壓和電流的劇烈變化而造成壽命減短甚至損壞的后果，因此必須在太陽能電池板和蓄電池之間安裝一個太陽能控制器，用來穩(wěn)定充電電壓和充電電流，使其充電電壓穩(wěn)定在14V左右，同時太陽能控制器還起到過充和限流保護及阻止反向放電等作用，從而使得蓄電池在安全高效的情況下長期穩(wěn)定工作。

太陽能控制器對蓄電池和太陽能電池的電壓進行實時采集，然后經(jīng)過A/D轉化將采集到的電壓值轉換為數(shù)字信號輸入到單片機中進行處理，單片機對接收到的信號進行分析判斷后輸出指令經(jīng)過光耦來驅動MOSFET的導通與截止。并通過控制MOSFET的導通時間來控制給蓄電池充電的電壓。當蓄電池的電壓達到14.5V時，單片機控制MOSFET管截止，太陽能電池板停止對蓄電池充電。其控制流程簡圖如下：

太陽能電池板在給蓄電池充電的時候要考慮到蓄電池的過充和使用壽命等問題，所以在采用恒壓充電方式給蓄電池充電的過程中存在三種模式，這三種模式分別是快充模式、過充模式以及浮充模式。單片機根據(jù)采集到的蓄電池的電壓值來決定太陽能電池板使用哪種模式來給蓄電池充電。具體來說就是單片機根據(jù)蓄電池電壓值輸出相應的脈寬調制PWM來調制MOSFET管柵偏置，控制其導通時間。當檢測到蓄電池電壓在12V以下時使用快充模式，也就是使MOSFET管導通的PWM脈沖占空比達到最大；當檢測到的蓄電池電壓在12V—14V之間時使用過充模式，依然是通過調節(jié)PWM脈沖的占空比來實現(xiàn)；當檢測到蓄電池電壓達到14.5V時，MOSFET截止，太陽能電池板停止對蓄電池充電。通過三種模式的精準控制可以使得太陽能電池板對蓄電池的充電達到最優(yōu)狀態(tài)。

因為單晶硅太陽能電池板具有轉換效率高，技術成熟等優(yōu)點，所以本款小車選用單晶硅太陽能電池板作為輔助電源為電池組充電。

考慮到小車的尺寸，在價格和裝配尺寸允許的情況下，選用功率盡可能大的太陽能電池板，所以經(jīng)過綜合考慮最終選用功率為100W的單晶硅太陽能電池板，其尺寸為1200mm*540mm*30mm。

4 控制系統(tǒng)

小車的工作過程大致如下圖所示，太陽能電池板發(fā)的電經(jīng)過太陽能控制器穩(wěn)壓后給蓄電池充電，蓄電池與主控制器相連，主控制器根據(jù)加速踏板電壓信號，電機轉子位置霍爾傳感器信號及其他各種輸入信號等綜合判斷分析，產(chǎn)生相應的PWM脈寬信號，用以控制電機驅動器的導通與關閉，進而控制電機的通電時間，以實現(xiàn)電機轉速的調節(jié)，最后電機通過減速裝置將驅動力傳遞給驅動輪，進而實現(xiàn)小車不同速度的前進或后退。

控制系統(tǒng)大體上可由電機驅動系統(tǒng)、主控制器系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)三大部分組成，由于本款小車的控制不是很復雜，所以將電機驅動系統(tǒng)與主控制器系統(tǒng)做為了一體，具體來說就是將電機驅動器和主控器封裝在了一起。

（1）主控制器系統(tǒng)。信號接收和處理部分是控制器中最為核心的控制部分，其由型號為PIC16F72的單片機作為主控芯片。如下圖3所示：

（2）輔助系統(tǒng)。輔助系統(tǒng)主要由電壓轉換器和周圍電路組成。也就是說整個小車的電路其實是分成兩個部分，一個是強電部分，這個部分由電池組直接給電機和控制器供電；另一個部分是弱電部分，這個部分由電池組經(jīng)電壓轉換器轉換而來。本次設計電動小車電壓轉換器為三線制，其中紅線接電池組正極，黑線接電池組負極，黃線是12V電壓輸出線，各用電設備以并聯(lián)方式接于其上，并共用黑線作為負極。

本文來源于2016年廣西科技大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐國家級項目

作者簡介：曾清德（1966-），男，廣西融安人，副教授，研究方向：車輛工程、職業(yè)教育。