曾清德+韋桂鴻+李蘭

摘 要：以太陽能為輔助能源的電動(dòng)小型車輛，電機(jī)采用永磁無刷電機(jī)，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(duì)蓄電池和太陽能電池的電壓進(jìn)行控制，車輛控制系統(tǒng)用型號(hào)為PIC16F72的單片機(jī)作為主控芯片，輔助系統(tǒng)主要由電壓轉(zhuǎn)換器和周圍電路組成。

關(guān)鍵詞：新能源小車；永磁無刷電機(jī)；單晶硅太陽能電池板；單片機(jī)；電壓轉(zhuǎn)換器

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

因?yàn)榄h(huán)境污染和不可再生能源短缺等問題日益嚴(yán)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(dòng)汽車。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)和制作出一款造價(jià)低廉且使用太陽能充電方便實(shí)用的代步電動(dòng)小車。與目前市場(chǎng)保有量巨大的電動(dòng)車相比它具有更強(qiáng)的操作穩(wěn)定性和安全性以及可遮風(fēng)擋雨等優(yōu)點(diǎn)，又具有使用太陽能作為能源，且尺寸小，造價(jià)和維修成本低，充電方便等特點(diǎn)。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(qū)動(dòng)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(dòng)力裝置后置后輪驅(qū)動(dòng)。車架使用矩形鋼焊接而成，使其更加輕量化。

1 電機(jī)的選擇

永磁無刷電機(jī)是總體上來說是一種高性能的電機(jī)。具有直流電機(jī)的良好外特性而沒有有刷電機(jī)那樣的機(jī)械換向結(jié)構(gòu)是直流無刷電機(jī)最大的特點(diǎn)。另外，它的轉(zhuǎn)子是用永磁體制成的，所以沒有勵(lì)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(shí)具有沒有換向火花，不受無線電干擾，使用壽命長，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，維修方便，轉(zhuǎn)速不受機(jī)械換向，效率和能量密度高等優(yōu)點(diǎn)。

因?yàn)楸究钚≤囍饕攸c(diǎn)是輕便和低價(jià)，所以對(duì)電機(jī)功率和轉(zhuǎn)速的要求并不算高，更多考慮的是價(jià)格和質(zhì)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(jī)。經(jīng)過計(jì)算滿足小車最高車速35km/h的設(shè)計(jì)要求

2 電池的選擇及容量的確定

鉛酸蓄電池技術(shù)最成熟，最安全，成本也低，是電動(dòng)汽車的可選動(dòng)力電源，但比能量、比功率都比較低。因?yàn)楸究钚≤噷?duì)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(shè)汽車在中等載荷150kg的狀態(tài)下以車速35km/h連續(xù)行駛設(shè)計(jì)續(xù)航里程40km，則經(jīng)過計(jì)算，同時(shí)考慮到價(jià)格因素和市場(chǎng)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(duì)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。考慮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(duì)蓄電池進(jìn)行充電比較合適。恒壓充電是指對(duì)蓄電池充電時(shí)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(shí)踐證明，當(dāng)充電電壓低于電池電壓允許最大上限時(shí)恒壓充電是安全的，即使是長時(shí)間充電也不會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)，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。考慮太陽光的光照強(qiáng)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(dá)20V，電流可達(dá)5A。如果直接將太陽能電池板與蓄電池相連，那么蓄電池會(huì)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(gè)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(shí)太陽能控制器還起到過充和限流保護(hù)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(duì)蓄電池和太陽能電池的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)化將采集到的電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理，單片機(jī)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行分析判斷后輸出指令經(jīng)過光耦來驅(qū)動(dòng)MOSFET的導(dǎo)通與截止。并通過控制MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間來控制給蓄電池充電的電壓。當(dāng)蓄電池的電壓達(dá)到14.5V時(shí)，單片機(jī)控制MOSFET管截止，太陽能電池板停止對(duì)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(shí)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(jī)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(jī)根據(jù)蓄電池電壓值輸出相應(yīng)的脈寬調(diào)制PWM來調(diào)制MOSFET管柵偏置，控制其導(dǎo)通時(shí)間。當(dāng)檢測(cè)到蓄電池電壓在12V以下時(shí)使用快充模式，也就是使MOSFET管導(dǎo)通的PWM脈沖占空比達(dá)到最大；當(dāng)檢測(cè)到的蓄電池電壓在12V—14V之間時(shí)使用過充模式，依然是通過調(diào)節(jié)PWM脈沖的占空比來實(shí)現(xiàn)；當(dāng)檢測(cè)到蓄電池電壓達(dá)到14.5V時(shí)，MOSFET截止，太陽能電池板停止對(duì)蓄電池充電。通過三種模式的精準(zhǔn)控制可以使得太陽能電池板對(duì)蓄電池的充電達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

因?yàn)閱尉Ч杼柲茈姵匕寰哂修D(zhuǎn)換效率高，技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，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(jià)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(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子位置霍爾傳感器信號(hào)及其他各種輸入信號(hào)等綜合判斷分析，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM脈寬信號(hào)，用以控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的導(dǎo)通與關(guān)閉，進(jìn)而控制電機(jī)的通電時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，最后電機(jī)通過減速裝置將驅(qū)動(dòng)力傳遞給驅(qū)動(dòng)輪，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小車不同速度的前進(jìn)或后退。

控制系統(tǒng)大體上可由電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(fù)雜，所以將電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)器和主控器封裝在了一起。

（1）主控制器系統(tǒng)。信號(hào)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(hào)為PIC16F72的單片機(jī)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(zhuǎn)換器和周圍電路組成。也就是說整個(gè)小車的電路其實(shí)是分成兩個(gè)部分，一個(gè)是強(qiáng)電部分，這個(gè)部分由電池組直接給電機(jī)和控制器供電；另一個(gè)部分是弱電部分，這個(gè)部分由電池組經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換而來。本次設(shè)計(jì)電動(dòng)小車電壓轉(zhuǎn)換器為三線制，其中紅線接電池組正極，黑線接電池組負(fù)極，黃線是12V電壓輸出線，各用電設(shè)備以并聯(lián)方式接于其上，并共用黑線作為負(fù)極。

本文來源于2016年廣西科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐國家級(jí)項(xiàng)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。