淺談微型汽車的電動化改裝方案

【摘 要】本文對大眾桑塔納轎車為例，提出了汽車電動化改裝的整車布置方案，并進行了路面試驗。試驗表明改裝汽車的各項性能指標均滿足設計要求。這說明電動機、電池的選擇和改裝車整體結構布置合理，改裝方案是具有一定的可行性。

【關鍵詞】微型汽車；動力系統；改裝

0 引言

微型純電動汽車具有無污染、低噪聲、小體積、低速度和易駕駛等優點，是解決能源危機和環境污染的重要途徑，已成為當今研究的熱點[1]。它能夠穿梭于城市的各種道路，最高時速一般為 50km/h，因此微型純電動汽車作為代步或教學工具是相當合適的，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。它的總體開發主要有兩種方式，即改裝和全新設計，但由于技術上的制約，我國對微型電動汽車的研究絕大多數建立在改裝車的基礎上，并且對電動汽車改裝方面的研究還不夠深入，有些文獻只是從理論上分析，沒有路面試驗，因此，本文在介紹電動汽車改裝理論的基礎上，進行了將大眾桑塔納轎車改裝為純電動轎車的工作，并對改裝車進行了路面性能試驗。

1 微型電動汽車的發展現狀

微型純電動汽車已成為國外市場、商業化的輕型純電動汽車新品種。在日本，微型電動汽車享有不用年檢、不用車位證，還有停車優惠的政策，并且日本有一些企業和社區內還設置了微型純電動車的停放站，一般會停放著二三十輛微型純電動汽車，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，因此擁有不錯的市場。在美國，微型純電動汽車電機額定功率一般為3-7.5kw，最高速度為60km/h，續駛里程為50-80km，只能用作城市內街道和社區交通、高爾夫球場和特殊場合，不能上高速公路[2]；在歐洲，純電動汽車經過十幾年的發展，已經在歐洲各國尤其是在政府部門當中擁有大量的用戶。但商業化進程緩慢，原因是沒有成功地解決續駛里程問題，而且各大汽車廠商發展電動汽車的熱情明顯不如日本和美國，其注意力更多地轉向了其它新能源車的開發和發展。

我國電動汽車的研發也有一定的歷史，基本與國外處于同一起跑線?！笆濉逼陂g，國家設立“電動汽車重大科技專項”，目的就是通過組織企業、高等院校和科研院所等方面力量進行聯合攻關從而維護我國能源安全、改善大氣環境、提高汽車工業競爭力。中國加人WTO后，國內企業將面對開放市場和經濟全球化的壓力和沖擊，中國汽車工業更是面臨嚴峻挑戰，要在電動汽車產品上與國外開展競爭，就必須通過技術創新和組織管理創新，以高新技術帶動傳統汽車工業，在新一代汽車技術上取得突破， 實現我國工業的跨越式發展[6，7，8]。目前，我國的部分高校、汽車研究所以及生產企業正在聯合開發充電電池和純電動汽車，已取得了一些成果。根據國情，我國企業還開發了各種形式的微型純電動汽車，如“Micro 哈里”，它是由清華大學與清能華通共同研發，采用了自主研發的新型四輪智能驅動技術和高性能鋰離子動力蓄電池，百公里能耗低，續駛里程大于120km，最高車速 65km/h。2010年7月，清華大學、常州市政府及潤物控股有限公司簽訂協議，在常州共建微型純電動汽車試運行示范基地，以推動微型純電動汽車的產業化發展。

2 改裝電動車的總體方案

設計中將原有大眾桑塔納汽車的發動機系統、傳動系統、電器及控制系統、儀表板及相關附屬件拆除，保留變速箱、行走、轉向和制動系統。為減輕車重，將車殼去掉，改敞蓬。電動汽車總體布置如圖1所示。

圖1 電動汽車總體布置圖

圖1 為微型純電動汽車的總體布置圖，從圖中可以看出，微型純電動汽車的動力系統主要由電氣系統和機械傳動系統兩部分組成，其中電氣系統主要由蓄電池組、電動機及其控制器組成；機械傳動系統主要是由變速傳動裝置以及驅動車輪構成。動力系統的控制器可以根據制動踏板和加速踏板輸入的信號，發出相應的控制指令來控制功率轉換器。功率轉換器的功能是調節電動機和電源之間的功率流，控制功率電路的功率輸出，實時控制驅動電機的轉速和轉矩，然后電機輸出的動力再通過變速器傳動裝置，驅動車輪按駕駛員要求行駛[3]，因此選電動機及控制系統是設計的關鍵。

3 微型電動汽車動力系統的設計

3.1 電動汽車電動機的選擇

本次設計選用了三種類型的電動機，即有刷直流電動機、開關磁阻電動機和永磁無刷直流電動機。

（1）有刷直流電動機。其優點是控制簡單、技術成熟，但其過載能力與轉速提升能力不足。如長時間運行，要經常維護，更換電刷和換向器，而且轉子散熱條件差，限制了電機轉矩質量比的進一步提高。由于上述缺陷，在新研制的電動汽車上已不采用。

（2）開關磁阻電動機。其結構上省去了轉子上的滑環、繞組和永磁體等，是一種新型電動機。具有維修容易，可靠性好，易冷卻，調速范圍寬，控制靈活等特點，而且效率比交流感應電動機高，但由于其具有較高的非線性特性，驅動系統復雜，輸出轉矩波動大，功率變換器的直流電流波動也大，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計要求。

（3）永磁無刷直流電動機。由于利用了電子換相器取代了傳統的機械電刷和機械換相器，因此結構簡單、無機械磨損、運行可靠。同時還具有調速精度高、高效率、高啟動轉矩等優點[4]，是一種高性能的電動機，而且永磁無刷直流電動機無換向火花和無線電干擾，壽命長，運行可靠，維修簡便，具有更高的能量密度和效率，在電動汽車中有很好的應用前景。

經過上述三種電動機優缺點的比較以及性能的分析，采用永磁無刷直流電動機作為本次電動汽車改裝的動力機較合適。

3.2 電動汽車用電動機的參數選擇

（1）電動機的額定功率

由于改裝用于研究或代步工具使用，設計時速為最高40公里/小時，電機的額定功率，公式為：

根據上述設計計算的電動機的額定功率和額定轉速，選擇額定電壓96伏，額定功率5kW，額定轉速為3000r/min的永磁直流無刷電動機較為合適。

3.3 對電池的選擇

本次設計選用鉛酸電池，其可靠性高、原料易得、價格便宜，是電動汽車儲能動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，其中電池單節容量為150A·h，電壓為12V，尺寸為300×170 ×210mm，電池數目為8節，以保證電動汽車的動力性和續駛里程。

4 結論與展望

我們對改裝后的微型純電動汽車進行了路面行駛試驗，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工具。本次改裝試驗說明利用普通汽油車改微型純電動汽車方案可行，稍加改進就可應用于人們的日常需求，實現日常代步，同時也減少了廢氣污染，減輕了能源危機。

但本文的方案設計還有許多需要改進的地方，如動力系統系統，它是微型純電動汽車的關鍵系統，關乎微型純電動汽車整車的動力性能，詳細敘述如下：

（1）本文只對動力系統的主要部件電動機、蓄電池和改裝車整體結構選型進行了設計分析，沒有涉及到動力系統的具體部件及電路方面的設計分析，對動力系統的具體部件和電路加以設計分析是后續研究工作的重點。

（2）在微型電動汽車改裝過程中，由于受原車結構及蓄電池性能的影響，電動汽車的整車動力性能仍存在缺陷，以后的工作中應繼續對整車結構和蓄電池的布置進行優化，提高整車的動力性能。

（3）本文對微型純電動汽車動力系統只是進行了初步布置設計，對動力系統在整車上進行詳細的布置設計，并建模型分析動力系統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該進行的工作。

【參考文獻】

[1]孫逢春，張承寧，祝嘉光.電動汽車[M].北京：北京理工大學出版社，1997.

[2]郭自強.輕型電動車發展動向[C]//上海：第五次全國輕型電動車會議論文，2005.

[3]萬沛霖.電動汽車的關鍵技術[M].北京：北京理工大學出版社，1998.

[4]王勇.永磁無刷直流電動機的應用和發展[J].上海：科技資訊，2008，28：127.

[5]劉剛，劉傳濤.皮卡車改裝電動汽車動力系統的匹配設計[J].中國高新技術企業.2010，31：19-20.

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

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

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

[責任編輯：周娜]