微型汽车的电动化改装方案

【摘 要】本文对大众桑塔纳轿车为例,提出了汽车电动化改装的整车布置方案,并进行了路面试验.试验表明改装汽车的各项性能指标均满足设计要求.这说明电动机、电池的选择和改装车整体结构布置合理,改装方案是具有一定的可行性.

【关 键 词】微型汽车；动力系统；改装

0引言

微型纯电动汽车具有无污染、低噪声、小体积、低速度和易驾驶等优点,是解决能源危机和环境污染的重要途径,已成为当今研究的热点[1].它能够穿梭于城市的各种道路,最高时速一般为50km/h,因此微型纯电动汽车作为代步或教学工具是相当合适的,不仅适合上班族的快速交通需要,也能为普通人短距离慢速交通提供方便.它的总体开发主要有两种方式,即改装和全新设计,但由于技术上的制约,我国对微型电动汽车的研究绝大多数建立在改装车的基础上,并且对电动汽车改装方面的研究还不够深入,有些文献只是从理论上分析,没有路面试验,因此,本文在介绍电动汽车改装理论的基础上,进行了将大众桑塔纳轿车改装为纯电动轿车的工作,并对改装车进行了路面性能试验.

1微型电动汽车的发展现状

微型纯电动汽车已成为国外市场、商业化的轻型纯电动汽车新品种.在日本,微型电动汽车享有不用年检、不用车位证,还有停车优惠的政策,并且日本有一些企业和社区内还设置了微型纯电动车的停放站,一般会停放着二三十辆微型纯电动汽车,使用者打卡就能够开走车,用完汽车后放回停放站车子就可以充电,因此拥有不错的市场.在美国,微型纯电动汽车电机额定功率一般为3-7.5kw,最高速度为60km/h,续驶里程为50-80km,只能用作城市内街道和社区交通、高尔夫球场和特殊场合,不能上高速公路[2]；在欧洲,纯电动汽车经过十几年的发展,已经在欧洲各国尤其是在政府部门当中拥有大量的用户.但商业化进程缓慢,原因是没有成功地解决续驶里程问题,而且各大汽车厂商发展电动汽车的热情明显不如日本和美国,其注意力更多地转向了其它新能源车的开发和发展.

我国电动汽车的研发也有一定的历史,基本与国外处于同一起跑线.“十五”期间,国家设立“电动汽车重大科技专项”,目的就是通过组织企业、高等院校和科研院所等方面力量进行联合攻关从而维护我国能源安全、改善大气环境、提高汽车工业竞争力.中国加人WTO后,国内企业将面对开放市场和经济全球化的压力和冲击,中国汽车工业更是面临严峻挑战,要在电动汽车产品上与国外开展竞争,就必须通过技术创新和组织管理创新,以高新技术带动传统汽车工业,在新一代汽车技术上取得突破,实现我国工业的跨越式发展[6,7,8].目前,我国的部分高校、汽车研究所以及生产企业正在联合开发充电电池和纯电动汽车,已取得了一些成果.根据国情,我国企业还开发了各种形式的微型纯电动汽车,如“Micro哈里”,它是由清华大学与清能华通共同研发,采用了自主研发的新型四轮智能驱动技术和高性能锂离子动力蓄电池,百公里能耗低,续驶里程大于120km,最高车速65km/h.2010年7月,清华大学、常州市政府及润物控股有限公司签订协议,在常州共建微型纯电动汽车试运行示范基地,以推动微型纯电动汽车的产业化发展.

2改装电动车的总体方案

设计中将原有大众桑塔纳汽车的发动机系统、传动系统、电器及控制系统、仪表板及相关附属件拆除,保留变速箱、行走、转向和制动系统.为减轻车重,将车壳去掉,改敞蓬.电动汽车总体布置如图1所示.

图1电动汽车总体布置图

图1为微型纯电动汽车的总体布置图,从图中可以看出,微型纯电动汽车的动力系统主要由电气系统和机械传动系统两部分组成,其中电气系统主要由蓄电池组、电动机及其控制器组成；机械传动系统主要是由变速传动装置以及驱动车轮构成.动力系统的控制器可以根据制动踏板和加速踏板输入的信号,发出相应的控制指令来控制功率转换器.功率转换器的功能是调节电动机和电源之间的功率流,控制功率电路的功率输出,实时控制驱动电机的转速和转矩,然后电机输出的动力再通过变速器传动装置,驱动车轮按驾驶员要求行驶[3],因此选电动机及控制系统是设计的关键.

3微型电动汽车动力系统的设计

3.1电动汽车电动机的选择

本次设计选用了三种类型的电动机,即有刷直流电动机、开关磁阻电动机和永磁无刷直流电动机.

（1）有刷直流电动机.其优点是控制简单、技术成熟,但其过载能力与转速提升能力不足.如长时间运行,要经常维护,更换电刷和换向器,而且转子散热条件差,限制了电机转矩质量比的进一步提高.由于上述缺陷,在新研制的电动汽车上已不采用.

（2）开关磁阻电动机.其结构上省去了转子上的滑环、绕组和永磁体等,是一种新型电动机.具有维修容易,可靠性好,易冷却,调速范围宽,控制灵活等特点,而且效率比交流感应电动机高,但由于其具有较高的非线性特性,驱动系统复杂,输出转矩波动大,功率变换器的直流电流波动也大,因此需要在直流母线上需装一很大的滤波电容,不符合本文汽车改装方案的设计要求.

（3）永磁无刷直流电动机.由于利用了电子换相器取代了传统的机械电刷和机械换相器,因此结构简单、无机械磨损、运行可靠.同时还具有调速精度高、高效率、高启动转矩等优点[4],是一种高性能的电动机,而且永磁无刷直流电动机无换向火花和无线电干扰,寿命长,运行可靠,维修简便,具有更高的能量密度和效率,在电动汽车中有很好的应用前景.

经过上述三种电动机优缺点的比较以及性能的分析,采用永磁无刷直流电动机作为本次电动汽车改装的动力机较合适.

3.2电动汽车用电动机的参数选择

（1）电动机的额定功率

由于改装用于研究或代步工具使用,设计时速为最高40公里/小时,电机的额定功率,公式为：

根据上述设计计算的电动机的额定功率和额定转速,选择额定电压96伏,额定功率5kW,额定转速为3000r/min的永磁直流无刷电动机较为合适.3.3对电池的选择

本次设计选用铅酸电池,其可靠性高、原料易得、便宜,是电动汽车储能动力源中较为成熟的一种,而且它的比功率基本上能满足电动汽车加速和爬坡要求.电池容量的选择主要考虑最大输出功率和输出能量,其中电池单节容量为150Ah,电压为12V,尺寸为300×170×210mm,电池数目为8节,以保证电动汽车的动力性和续驶里程.

4结论与展望

我们对改装后的微型纯电动汽车进行了路面行驶试验,其最大行驶里程45km,最大爬坡度15%,最大速度大于25km/h,可作日常代步或教学工具.本次改装试验说明利用普通汽油车改微型纯电动汽车方案可行,稍加改进就可应用于人们的日常需求,实现日常代步,同时也减少了废气污染,减轻了能源危机.

但本文的方案设计还有许多需要改进的地方,如动力系统系统,它是微型纯电动汽车的关键系统,关乎微型纯电动汽车整车的动力性能,详细叙述如下：

（1）本文只对动力系统的主要部件电动机、蓄电池和改装车整体结构选型进行了设计分析,没有涉及到动力系统的具体部件及电路方面的设计分析,对动力系统的具体部件和电路加以设计分析是后续研究工作的重点.

（2）在微型电动汽车改装过程中,由于受原车结构及蓄电池性能的影响,电动汽车的整车动力性能仍存在缺陷,以后的工作中应继续对整车结构和蓄电池的布置进行优化,提高整车的动力性能.

（3）本文对微型纯电动汽车动力系统只是进行了初步布置设计,对动力系统在整车上进行详细的布置设计,并建模型分析动力系统布置对车架受力的影响,以及对整车舒适性的影响将是下一步应该进行的工作.

【参考文献】

[1]孙逢春,张承宁,祝嘉光.电动汽车[M].北京：北京理工大学出版社,1997.

[2]郭自强.轻型电动车发展动向[C]//上海：第五次全国轻型电动车会议论文,2005.

[3]万沛霖.电动汽车的关键技术[M].北京：北京理工大学出版社,1998.

[4].永磁无刷直流电动机的应用和发展[J].上海：科技资讯,2008,28：127.

[5]刘刚,刘传涛.皮卡车改装电动汽车动力系统的匹配设计[J].中国高新技术企业.2010,31：19-20.

[6]张智文,申金升,徐一非.国家重大科技项目组织管理[M].北京：中国铁道出版社,2000.

[7]张智文,申金升,李佩琦.城市交通的社会成本与我国电动汽车的发展[J].中国软科学,1998（4）：82-87.

[8]张智文,申金升.国家重大科技项目组织管理的若干思考[J].中国软科学,1998（12）：50-53.

[责任编辑：周娜]