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纯电动试验车及其相关技术研究1.电动车现状•电动汽车包括纯电动汽车EV、混合动力电动汽车HEV和燃料电池汽车FCEV三种类型，现有EV存在的主要问题：续驶里程有限、电池寿命太短、电池尺寸过大、重量过重、电动车价格昂贵、间接污染严重。EV的关键技术主要是电动机及其控制技术、电池技术、能源管理技术和车身轻量化技术。•EV的基本构成示意图如图1-1所示图1-1EV的基本构成示意图•电动机是车辆的心脏、动力源，它的功率、扭矩、转速、效率、体积、重量等是人们十分关注的性能指标。•电池是EV动力的源泉，高比功率、高比重量、安全、可靠、长寿命是对电池的基本要求。•由于电池容量有限，所以EV中对能源的利用和管理非常重要，要求尽量浪费小、利用率高。为此，不但要将刹车、下坡的能量回收起来，还要对汽车所有电器进行科学有效的管理。同时要精确算出电池SOC以及车辆续驶里程，及时发现电池及电器故障，这是能源管理系统主要功能。图1-2金杯SY6480A2-E轻型客车2.电动车的改制•普通燃油车改装成传电动汽车主要分为三个部分，即传动系的改制、制动系的改制和控制系统的改制。•2.1传动系的改制•传动系统改制为拆除发动机总成，包括空气供给及排气系统（如空气滤清器总成、排气管、消声器等）、燃油供给系统（燃油箱及进回油管），然后安装驱动电机及控制箱。•稀土永磁式无刷直流电动机及其配套的控制器，体积和质量（包括控制箱）大致与原发动机相同。经动力性计算，该电动机可使试验车0~50km/h加速时间小于50s，最高车速达到70km/h，最大爬坡度约为15%，可满足城市公交的基本要求。•机舱布置如图2-1所示图2-1机舱布置•驱动电机有两种安装方案，第一种为拆去离合器和变速箱甚至万向传动装置，将电机通过万向传动装置与驱动车桥上的主减速器联结，或直接与驱动车桥上的主减速器联结。优点是结构简单、重量轻、安装方便，驾驶操作简单，无须换档，倒档通过控制电机反转实现；缺点是对驱动电机扭矩和工作转速范围要求较高。第二种安装方案则保留原车离合器、变速箱和万向传动装置，将驱动电机经离合器与变速箱输入轴联结。其优缺点与第一种方案相反。•理论上电动机扭矩特性是低转速时扭矩大，适合汽车起步和爬坡。实际上电机的比功率与内燃机相比尚有较大差距，而且电机功率越大需要电池越多。从经济性和实用性两方面考虑，在选择电机功率时，应小于同类燃油机功率。由于电机输出动力小，必须保留原车变速箱和万向传动装置，即采用第二种方案。•具体联结，由于所选电机轴伸出过短（仅60mm），与离合器联结有困难，考虑该电机转子转动惯量较小，换档时可由变速箱各档同步器保证无冲击换档，故去掉离合器，用花键轴套把电动机和变速箱的一轴连接起来，联结示意图如图2-2所示。图2-2电动机与变速箱•改装中另一个关键问题是油门踏板信号的产生，踏板信号用于驱动电机调速。保留原油门踏板，选用桑塔纳2000型轿车的多点喷射发动机节气阀总成，利用安装在节气阀总成上的节气门位置传感器产生油门踏板信号，将驱动电机调速控制导线接在节气阀总成的节气门位置传感器上，然后将油门拉线接到节气阀总成上并作简单调整即可。2.2制动系改制•制动系改制要考虑到制动系统装置的真空源来自于发动机进气歧管，拆除后缺乏真空源，必须加入真空泵和真空罐以及电源逆变器，出于安全考虑应还需加入真空不足报警装置。•改制的核心问题是如何产生足够压力的真空源，选用一足够排气量的电动真空泵和一只适当大小的真空罐，真空泵由蓄电池驱动产生真空，真空罐将真空存储起来供制动时使用。•沈阳三环真空技术研究所生产的微型电动真空泵，其主要技术参数如下：•型号：XZ-02•结构形式：旋片式•抽气速率：0.2L/s•极限压力：67Pa•电机功率：40W•电机电源：单相220V，AC50Hz•电机转速：1400r/min•真空罐选用南汽跃进NJ1061D型轻型货车制动系统专用带止回单向阀的真空罐，罐体容积为8L，一次真空可满足8-10次制动的需求。•所选电动真空泵为交流220V电源驱动，为此需要逆变器将蓄电池12V直流电变为220V交流电。•逆变器型号：INV330•输入电压：DC12V•输出电压：AC220V/50Hz•输出额定功率330W，最大600W。•相关布置如图2-3所示。图2-3电机控制箱与逆变器2.3电机冷却系统设计及改装•由于驱动电机及其控制器的发热量远小于发动机，因此保留原车散热水箱，将驱动电机及其控制器冷却水进水管与散热水箱进出水口相连接，并在连接驱动电机及控制器冷却水进水管与散热水箱出水口的水管之间串接一个水泵以保证冷却水的循环。为帮助水箱尽快散热，在水箱内侧散热片上安装一个电动冷却风扇，风扇的通断由安装在电机上的温控开关自动控制。•冷却水循环泵型号和技术规格如下：•扬程：8m•流量：8L/min•工作电压：单相AC220V/50Hz•功率：60W•工作电流：0.4A•转速2800r/min•由于冷却水循环泵采用单相交流220V电源供电，因此由驱动真空泵的330W逆变电源供电。•散热电动风扇电机功率约60-80W，由车上12V蓄电池供电。2.4电气连接•拆除原车发动机控制及相关电路，保留原车电瓶，照明、车身电器及配电系统。•驱动电机的主电源电压高（额定电压288V）、电流大（10-100A），可以直接用手动闸刀开关进行开关控制，但为了保护电机在过载或出故障时不被烧坏，我们从电机控制箱中引出一个保护信号用来控制一个接触器自动切断主电源。选用CZ28-110/10型带灭弧器的直流接触器作为主电源开关，其控制电压为直流12V，触点电流100A，电压大于600V。•配电箱示意图如图2-4所示。图2-4配电箱•为监视动力蓄电池工作状态，安装直流电压表和直流电流表来显示动力驱动系统的工作电压和电流。•电压表量程500V•电流表量程100A•另外，仪表板布置了制动真空助力真空不足报警蜂鸣器检查按钮以及点火开关两档电源指示灯。同时，根据电机控制要求，还布置有驱动电机控制系统复位按钮。•控制用电源和车辆照明、车身电器系统电源接原车蓄电池，而该蓄电池的充电电流则通过一只500W直流/直流转换器由动力蓄电池组提供，在汽车运行期间使其始终保持充电状态。3.电池更换装置•纯电动汽车所需电池较多，一般是将电池固定安防在汽车座位底下或其他可用空间中，并在车上搭载充电器，以便于电池耗尽后的充电，但此模式下充电过程中车辆必须停驶，一般铅酸电池充电时间为6小时以上，车辆利用率较低。•试验中安装一套电池快速更换机械装置，将24块电池分成2組，形成2个独立的电源块，成为电池快速更换的基本单元，电池盒上装有机械式电连接器，更换时可自动对接而不需要进行电线手工连接，更换更为方便快捷。图3-1电池箱图3-2电池箱连接器图3-3电池箱轨道结构4.道路试验•选用12V/110Ah的国产铅酸蓄电池做为动力电源（工作电压288V），实验结果：•1档：最高车速20km/h；爬坡度13%。•2档：最高车速50km/h；爬坡度8%。•3档：最高车速67km/h；爬坡度3%。•4档和5档因为负载过大，电机自动保护。•按公交车行驶工况行驶，一次充电续驶里程140公里。表4-1汽车参数表4-2电机参数5.国内相关EV概况•近几年来，我国多家企事业单位研发了不同型号的EV，其电机和整车主要性能参加下表：