曹希航 楊林 涂濱鏇

（重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院）

純電動(dòng)汽車具有零排放、低噪聲、高能效及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等顯著優(yōu)點(diǎn)，但存在價(jià)格高及續(xù)駛里程短等問(wèn)題，因此難以推廣。隨著汽車使用時(shí)間的增長(zhǎng)，傳統(tǒng)燃油轎車的動(dòng)力性、排放性及燃油經(jīng)濟(jì)性都逐漸變差，將舊轎車改裝為純電動(dòng)汽車，不僅保護(hù)環(huán)境，同時(shí)還降低了電動(dòng)汽車的綜合成本。近年來(lái)，電機(jī)、電池及控制技術(shù)的發(fā)展，也為汽車的電動(dòng)化改裝提供了可能性。隨著鋰電池的發(fā)展，電池比能量有望達(dá)到150W·h/kg，循環(huán)壽命一般可達(dá)到1 200次以上。然而，目前尚無(wú)轎車電動(dòng)化改裝成熟的設(shè)計(jì)方法。文章以某轎車為原形，提出一套經(jīng)濟(jì)型的電動(dòng)化改裝方案。

1 動(dòng)力系統(tǒng)改裝方案

電動(dòng)汽車根據(jù)電機(jī)類型、能源類別以及動(dòng)力性要求，其動(dòng)力傳動(dòng)方式有多種形式[1]。在舊轎車純電動(dòng)化改裝時(shí)，應(yīng)盡量不改變?cè)嚱Y(jié)構(gòu)，保證前后軸載荷分布不變?；诮?jīng)濟(jì)型改裝原則，確定如圖1所示的動(dòng)力傳動(dòng)結(jié)構(gòu)方案。

該動(dòng)力傳動(dòng)結(jié)構(gòu)由內(nèi)燃機(jī)汽車的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)發(fā)展而來(lái)，該結(jié)構(gòu)最大程度地保留了原車原有的動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)，將內(nèi)燃機(jī)更換為電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力源的改變。同時(shí)，通過(guò)動(dòng)力匹配設(shè)計(jì)，保留的變速機(jī)構(gòu)能使改裝后電動(dòng)車動(dòng)力性能更佳。

1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型

電動(dòng)汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并通過(guò)傳動(dòng)裝置（或直接）將能量傳遞到車輪進(jìn)而驅(qū)動(dòng)汽車按照駕駛?cè)艘庾R(shí)行駛，是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵系統(tǒng)之一[2]。從動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，改裝用電機(jī)必須滿足4個(gè)方面：1）具有較強(qiáng)的短時(shí)過(guò)載能力；2）具有很好的調(diào)節(jié)性能，以實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)和爬坡時(shí)處于恒轉(zhuǎn)矩，高速行駛電機(jī)處于恒功率；3）具有高效率、低能耗和逆向工作性能好的特點(diǎn)，以降低能耗，延長(zhǎng)續(xù)駛里程；4）從實(shí)用性出發(fā)，電動(dòng)機(jī)應(yīng)滿足質(zhì)量輕、體積小、成本低和安全性能好等要求。

目前，純電動(dòng)汽車使用的電動(dòng)機(jī)主要包括直流電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。從電動(dòng)機(jī)的功率密度、過(guò)載能力、效率、功率因素、轉(zhuǎn)速范圍、控制操作性能、可靠性、安全性以及電機(jī)成本出發(fā)，選用直流無(wú)刷電機(jī)（BLDC），具有功率密度大、效率高及易冷卻等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 動(dòng)力電池類型

電池作為純電動(dòng)汽車的唯一動(dòng)力來(lái)源，是最為重要的元件之一，在選擇蓄電池類別時(shí)主要考慮蓄電池的比功率、比能量、使用壽命、尺寸、質(zhì)量和安全性等參數(shù)。蓄電池的種類非常多，電動(dòng)汽車最常使用的是鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池。與前兩者相比，鋰電池有比能量大、循環(huán)壽命長(zhǎng)及無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。而鋰電池中磷酸鐵鋰的原料豐富、價(jià)格低廉且無(wú)毒無(wú)害，是目前全球唯一安全的鋰離子電池[3]，故文章選用磷酸鐵鋰電池作為電動(dòng)車的動(dòng)力來(lái)源。

2 動(dòng)力系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)方法

2.1 電動(dòng)機(jī)額定功率匹配

當(dāng)電動(dòng)機(jī)在額定功率點(diǎn)附近工作時(shí)，電機(jī)能達(dá)到較高的效率，在設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率（Pn/kW）必須滿足改裝電動(dòng)車預(yù)期的最高車速[4]，此時(shí)驅(qū)動(dòng)力主要用于克服滾動(dòng)阻力和空氣阻力，其功率平衡方程為：

式中：m——整車總質(zhì)量，kg；

f——滾動(dòng)阻力系數(shù)；

Cd——風(fēng)阻系數(shù)；

A——迎風(fēng)面積，m2；

vmax——最高車速，km/h；

η——傳動(dòng)效率；

g——重力加速度，m/s2。

2.2 電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速

電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速（Nn/（r/min））是電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速，亦是電動(dòng)機(jī)在額定電壓輸入下，以額定功率輸出時(shí)對(duì)應(yīng)的電機(jī)最低轉(zhuǎn)速，通常以電動(dòng)汽車經(jīng)常行駛的車速來(lái)確定電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速?？紤]到不同工況下純電動(dòng)汽車的行駛速度，綜合分析電動(dòng)汽車在不同行駛速度下的行駛時(shí)間，根據(jù)式（2），可以確定Nn。

式中：ig，i0——變速器、主減速器傳動(dòng)比；

vn——常規(guī)車速，km/h；

r——車輪半徑，m。

電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩（Tn/N·m）是Pn和Nn下的輸出轉(zhuǎn)矩，根據(jù)式（3）求得。

2.3 動(dòng)力電池參數(shù)

動(dòng)力電池容量大小直接影響電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，根據(jù)GB/T 18386在進(jìn)行純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程計(jì)算時(shí)可使用工況法或等速法。工況法是按照ECE-EUDC試驗(yàn)循環(huán)工況在底盤測(cè)功機(jī)上進(jìn)行；等速法測(cè)試?yán)m(xù)駛里程是在道路上完成。所以文章建議采用等速法，通過(guò)式（4），根據(jù)預(yù)期續(xù)駛里程確定電池?cái)?shù)目[5]。

式中：F——行駛阻力，N；

s——汽車?yán)m(xù)駛里程，km；

E——單體電池的標(biāo)稱能量，J；

W——預(yù)期續(xù)駛里程所需的外力功，kJ；

V——單體電池電壓，V；

I——單體電池容量，A·h；

n——電池?cái)?shù)目。

由于行駛阻力受行駛速度影響，按照國(guó)標(biāo)規(guī)定，純電動(dòng)汽車以等速法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)應(yīng)保持60 km/h的車速在道路上等速行駛。因此，計(jì)算時(shí)車速取值60 km/h。同時(shí)為防止電池深度放電，建議放電深度取80%。

單體電池在確定數(shù)量后，為給電動(dòng)機(jī)提供所需的電壓，并同時(shí)保證純電動(dòng)車的續(xù)駛里程，電池需要通過(guò)串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)結(jié)合3種方式組裝成電池組。

1）串聯(lián)：通過(guò)串聯(lián)可以滿足高電壓的工作需求，電池串聯(lián)使用時(shí)電池組的電壓按照單體電池?cái)?shù)量，以倍數(shù)增加。由于電池具有容量不一致性，電池組的實(shí)際標(biāo)稱容量由單體電池中標(biāo)稱容量最少者決定。

2）并聯(lián)：通過(guò)并聯(lián)可滿足大電流的工作需求。由于電池具有電壓不一致性，電池組的實(shí)際標(biāo)稱電壓由單體電池中電壓最低者決定。

3）串并聯(lián)結(jié)合：電池通過(guò)串并聯(lián)結(jié)合可同時(shí)滿足高電壓和大電流的需求。一般情況下，電池的并聯(lián)要比串聯(lián)具有更高的可靠性。

3 汽車電動(dòng)化改裝案例

原轎車結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能[6]，如表1所示。

表1 原車型結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能

改裝后，預(yù)期性能達(dá)到最高車速：110 km/h；最大爬坡度：20%；0～50km/h加速時(shí)間：8.5s；續(xù)駛里程：100km。

3.1 電機(jī)選型

根據(jù)GB/T 18386—2005規(guī)定，電動(dòng)汽車的試驗(yàn)質(zhì)量應(yīng)由整車的整備質(zhì)量與試驗(yàn)所需的附加質(zhì)量組成，附加質(zhì)量分別為：

1）如果最大允許裝備質(zhì)量≤180 kg，該質(zhì)量為最大允許裝備質(zhì)量；

2）如果最大允許裝備質(zhì)量＞180 kg，但＜360 kg，該質(zhì)量為180 kg；

3）如果最大允許裝備質(zhì)量＞360 kg，該質(zhì)量為最大允許裝備質(zhì)量的一半。

由于該車總質(zhì)量為1 540 kg，整備質(zhì)量為1 120 kg，所以最大允許裝備質(zhì)量為：1 540 kg-1 120 kg=420 kg＞360 kg，故附加質(zhì)量應(yīng)為最大允許裝備質(zhì)量的一半，即210 kg，則電動(dòng)汽車的試驗(yàn)質(zhì)量為1 330 kg。

當(dāng)vmax=110km/h時(shí)，根據(jù)式（1）可計(jì)算出Pn=25.4 kW。

該車車輪型號(hào)為195/60 R14，r=0.295m，根據(jù)式（2），得 Nn=3 085.4 r/min。

最后根據(jù)式（3），求得 Tn=78.5N·m。

通過(guò)分析市場(chǎng)上現(xiàn)有各電動(dòng)機(jī)性能參數(shù)，選擇額定功率為27 kW永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其性能參數(shù)，如表2所示。

表2 額定功率為27 kW永磁無(wú)刷電機(jī)參數(shù)表

3.2 動(dòng)力電池選型

根據(jù)式（4）求得汽車行駛100km所需W=37950kJ。文章選擇V=3.3V，I=20A·h的單體電池，其單節(jié)電池標(biāo)稱能量為23.76 kJ，因此所需電池?cái)?shù)目為200枚。

采用串并聯(lián)結(jié)合的方式，先將電池組串聯(lián)至48 V電壓，再通過(guò)升壓轉(zhuǎn)換電路，將輸出電壓升壓至144 V以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作，再將串聯(lián)好的電池組進(jìn)行并聯(lián)，最終組合成所需的動(dòng)力電池。

3.3 仿真建模分析

文章選用AVLCruise仿真軟件，根據(jù)改裝轎車整車結(jié)構(gòu)中要用到的各總成模塊和各模塊間的關(guān)系建立機(jī)械連接和信號(hào)連接，隨后將整車信息和各零部件參數(shù)填入對(duì)應(yīng)的各模塊之中，并選擇ECE-EUDC工況進(jìn)行仿真分析。圖2示出原車型模型框架圖。

3.4 結(jié)果分析

1）最大爬坡度。當(dāng)汽車以1擋爬坡時(shí)，車速為9km/h，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1325.94 r/min，最大爬坡度為32.48%，大于預(yù)期的最大爬坡度（20%）。從仿真結(jié)果可以看出，改裝轎車的最大爬坡度滿足動(dòng)力性要求。

2）最高速度。當(dāng)汽車以5擋行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)以額定功率運(yùn)行，轉(zhuǎn)速為4 816.53 r/min，此時(shí)的最高車速為152.43 km/h，仿真結(jié)果遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)時(shí)所期望的最高車速（110 km/h），改裝轎車的最高車速滿足動(dòng)力性要求。

3）最大加速度。改裝轎車的0～50 km/h加速時(shí)間為8.02 s，小于預(yù)期加速時(shí)間（8.5 s），滿足改裝要求。

綜上，經(jīng)純電動(dòng)化改裝后，汽車動(dòng)力性完全滿足改裝預(yù)期要求，并且與原車動(dòng)力性差異不大，改裝后最大扭矩略高于改裝前，在爬坡等需要低速高扭矩的工況下改裝后性能更佳；由于改裝前后汽車的整備質(zhì)量差異不大，對(duì)前后軸載荷的影響也不大，不會(huì)對(duì)汽車行駛穩(wěn)定性和制動(dòng)性等造成影響，所以文章使用的改裝方案切實(shí)可行。

3.5 經(jīng)濟(jì)性分析

由于汽車屬于消費(fèi)品，經(jīng)濟(jì)性分析時(shí)需要同時(shí)考慮多種因素。在對(duì)轎車電動(dòng)化改裝前后的綜合成本進(jìn)行比較時(shí)主要考慮一次性改裝成本、使用成本和維護(hù)保養(yǎng)成本。

該車電動(dòng)化改裝所產(chǎn)生的一次性成本主要包括電機(jī)成本費(fèi)和電池組成本費(fèi)，約2.5萬(wàn)元。使用過(guò)程中，改裝前按平均油耗9L/100km計(jì)算，使用成本約65元/100km；改裝后一次充電需消耗電費(fèi)約4.12元。維護(hù)費(fèi)用方面，對(duì)于純電動(dòng)汽車而言，維修保養(yǎng)對(duì)象主要為電機(jī)、電子控制系統(tǒng)以及機(jī)械部分，維修保養(yǎng)費(fèi)用平均為0.5元/100 km；而傳統(tǒng)汽車的維修保養(yǎng)內(nèi)容主要為更換潤(rùn)滑油、清洗油路以及動(dòng)力系統(tǒng)的檢測(cè)維護(hù)，平均維修保養(yǎng)費(fèi)用為4元/100 km。

綜上，按電池組循環(huán)壽命1 600次計(jì)算，在不更換電池的基礎(chǔ)上，改裝后的純電動(dòng)汽車?yán)碚撋峡尚旭偟目偫锍虨?6萬(wàn)km，即汽車從純電動(dòng)化改裝行駛至電池報(bào)廢時(shí)所產(chǎn)生的總的綜合成本比原車型少7.8萬(wàn)元。因此采用本方案在經(jīng)濟(jì)性方面是可行的。

4 結(jié)論

從整車結(jié)構(gòu)出發(fā)，以高性價(jià)比改裝為前提，以汽車動(dòng)力學(xué)理論為依據(jù)，再根據(jù)整車的動(dòng)力性能指標(biāo)以及預(yù)期行駛里程，給出了切實(shí)可行的設(shè)計(jì)步驟。最后以某轎車為原型，對(duì)其進(jìn)行了純電動(dòng)化改裝設(shè)計(jì)，并通過(guò)AVL Crusie進(jìn)行仿真分析，結(jié)果顯示該汽車改裝后動(dòng)力性滿足各種工況的需求，經(jīng)濟(jì)性比原車型更好。