舊轎車的電動化改裝設計

曹希航 楊林 涂濱鏇

（重慶交通大學交通運輸學院）

純電動汽車具有零排放、低噪聲、高能效及結構簡單等顯著優(yōu)點，但存在價格高及續(xù)駛里程短等問題，因此難以推廣。隨著汽車使用時間的增長，傳統(tǒng)燃油轎車的動力性、排放性及燃油經濟性都逐漸變差，將舊轎車改裝為純電動汽車，不僅保護環(huán)境，同時還降低了電動汽車的綜合成本。近年來，電機、電池及控制技術的發(fā)展，也為汽車的電動化改裝提供了可能性。隨著鋰電池的發(fā)展，電池比能量有望達到150W·h/kg，循環(huán)壽命一般可達到1 200次以上。然而，目前尚無轎車電動化改裝成熟的設計方法。文章以某轎車為原形，提出一套經濟型的電動化改裝方案。

1 動力系統(tǒng)改裝方案

電動汽車根據電機類型、能源類別以及動力性要求，其動力傳動方式有多種形式[1]。在舊轎車純電動化改裝時，應盡量不改變原車結構，保證前后軸載荷分布不變。基于經濟型改裝原則，確定如圖1所示的動力傳動結構方案。

該動力傳動結構由內燃機汽車的傳動結構發(fā)展而來，該結構最大程度地保留了原車原有的動力傳遞機構，將內燃機更換為電動機，實現動力源的改變。同時，通過動力匹配設計，保留的變速機構能使改裝后電動車動力性能更佳。

1.1 驅動電機類型

電動汽車的電機驅動系統(tǒng)把電能轉化為機械能，并通過傳動裝置（或直接）將能量傳遞到車輪進而驅動汽車按照駕駛人意識行駛，是電動汽車的關鍵系統(tǒng)之一[2]。從動力性和經濟性出發(fā)，改裝用電機必須滿足4個方面：1）具有較強的短時過載能力；2）具有很好的調節(jié)性能，以實現啟動和爬坡時處于恒轉矩，高速行駛電機處于恒功率；3）具有高效率、低能耗和逆向工作性能好的特點，以降低能耗，延長續(xù)駛里程；4）從實用性出發(fā)，電動機應滿足質量輕、體積小、成本低和安全性能好等要求。

目前，純電動汽車使用的電動機主要包括直流電動機、感應電動機、永磁電動機和開關磁阻電動機。從電動機的功率密度、過載能力、效率、功率因素、轉速范圍、控制操作性能、可靠性、安全性以及電機成本出發(fā)，選用直流無刷電機（BLDC），具有功率密度大、效率高及易冷卻等優(yōu)點。

1.2 動力電池類型

電池作為純電動汽車的唯一動力來源，是最為重要的元件之一，在選擇蓄電池類別時主要考慮蓄電池的比功率、比能量、使用壽命、尺寸、質量和安全性等參數。蓄電池的種類非常多，電動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)壽命長及無污染等優(yōu)點。而鋰電池中磷酸鐵鋰的原料豐富、價格低廉且無毒無害，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車的動力來源。

2 動力系統(tǒng)選型設計方法

2.1 電動機額定功率匹配

當電動機在額定功率點附近工作時，電機能達到較高的效率，在設計中驅動電機的額定功率（Pn/kW）必須滿足改裝電動車預期的最高車速[4]，此時驅動力主要用于克服滾動阻力和空氣阻力，其功率平衡方程為：

式中：m——整車總質量，kg；

f——滾動阻力系數；

Cd——風阻系數；

A——迎風面積，m2；

vmax——最高車速，km/h；

η——傳動效率；

g——重力加速度，m/s2。

2.2 電動機額定轉速

電動機的額定轉速（Nn/（r/min））是電動機正常運行時的轉速，亦是電動機在額定電壓輸入下，以額定功率輸出時對應的電機最低轉速，通常以電動汽車經常行駛的車速來確定電動機的額定轉速。考慮到不同工況下純電動汽車的行駛速度，綜合分析電動汽車在不同行駛速度下的行駛時間，根據式（2），可以確定Nn。

式中：ig，i0——變速器、主減速器傳動比；

vn——常規(guī)車速，km/h；

r——車輪半徑，m。

電動機的額定轉矩（Tn/N·m）是Pn和Nn下的輸出轉矩，根據式（3）求得。

2.3 動力電池參數

動力電池容量大小直接影響電動汽車的續(xù)駛里程，根據GB/T 18386在進行純電動汽車的續(xù)駛里程計算時可使用工況法或等速法。工況法是按照ECE-EUDC試驗循環(huán)工況在底盤測功機上進行；等速法測試續(xù)駛里程是在道路上完成。所以文章建議采用等速法，通過式（4），根據預期續(xù)駛里程確定電池數目[5]。

式中：F——行駛阻力，N；

s——汽車續(xù)駛里程，km；

E——單體電池的標稱能量，J；

W——預期續(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——電池數目。

由于行駛阻力受行駛速度影響，按照國標規(guī)定，純電動汽車以等速法進行試驗時應保持60 km/h的車速在道路上等速行駛。因此，計算時車速取值60 km/h。同時為防止電池深度放電，建議放電深度取80%。

單體電池在確定數量后，為給電動機提供所需的電壓，并同時保證純電動車的續(xù)駛里程，電池需要通過串聯、并聯和串并聯結合3種方式組裝成電池組。

1）串聯：通過串聯可以滿足高電壓的工作需求，電池串聯使用時電池組的電壓按照單體電池數量，以倍數增加。由于電池具有容量不一致性，電池組的實際標稱容量由單體電池中標稱容量最少者決定。

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

3）串并聯結合：電池通過串并聯結合可同時滿足高電壓和大電流的需求。一般情況下，電池的并聯要比串聯具有更高的可靠性。

3 汽車電動化改裝案例

原轎車結構參數和性能[6]，如表1所示。

表1 原車型結構參數和性能

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

3.1 電機選型

根據GB/T 18386—2005規(guī)定，電動汽車的試驗質量應由整車的整備質量與試驗所需的附加質量組成，附加質量分別為：

1）如果最大允許裝備質量≤180 kg，該質量為最大允許裝備質量；

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

3）如果最大允許裝備質量＞360 kg，該質量為最大允許裝備質量的一半。

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

當vmax=110km/h時，根據式（1）可計算出Pn=25.4 kW。

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

最后根據式（3），求得 Tn=78.5N·m。

通過分析市場上現有各電動機性能參數，選擇額定功率為27 kW永磁無刷電動機作為驅動電機，其性能參數，如表2所示。

表2 額定功率為27 kW永磁無刷電機參數表

3.2 動力電池選型

根據式（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)電池標稱能量為23.76 kJ，因此所需電池數目為200枚。

采用串并聯結合的方式，先將電池組串聯至48 V電壓，再通過升壓轉換電路，將輸出電壓升壓至144 V以驅動電動機工作，再將串聯好的電池組進行并聯，最終組合成所需的動力電池。

3.3 仿真建模分析

文章選用AVLCruise仿真軟件，根據改裝轎車整車結構中要用到的各總成模塊和各模塊間的關系建立機械連接和信號連接，隨后將整車信息和各零部件參數填入對應的各模塊之中，并選擇ECE-EUDC工況進行仿真分析。圖2示出原車型模型框架圖。

3.4 結果分析

1）最大爬坡度。當汽車以1擋爬坡時，車速為9km/h，電機轉速為1325.94 r/min，最大爬坡度為32.48%，大于預期的最大爬坡度（20%）。從仿真結果可以看出，改裝轎車的最大爬坡度滿足動力性要求。

2）最高速度。當汽車以5擋行駛時，驅動電機以額定功率運行，轉速為4 816.53 r/min，此時的最高車速為152.43 km/h，仿真結果遠大于設計時所期望的最高車速（110 km/h），改裝轎車的最高車速滿足動力性要求。

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

綜上，經純電動化改裝后，汽車動力性完全滿足改裝預期要求，并且與原車動力性差異不大，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量差異不大，對前后軸載荷的影響也不大，不會對汽車行駛穩(wěn)定性和制動性等造成影響，所以文章使用的改裝方案切實可行。

3.5 經濟性分析

由于汽車屬于消費品，經濟性分析時需要同時考慮多種因素。在對轎車電動化改裝前后的綜合成本進行比較時主要考慮一次性改裝成本、使用成本和維護保養(yǎng)成本。

該車電動化改裝所產生的一次性成本主要包括電機成本費和電池組成本費，約2.5萬元。使用過程中，改裝前按平均油耗9L/100km計算，使用成本約65元/100km；改裝后一次充電需消耗電費約4.12元。維護費用方面，對于純電動汽車而言，維修保養(yǎng)對象主要為電機、電子控制系統(tǒng)以及機械部分，維修保養(yǎng)費用平均為0.5元/100 km；而傳統(tǒng)汽車的維修保養(yǎng)內容主要為更換潤滑油、清洗油路以及動力系統(tǒng)的檢測維護，平均維修保養(yǎng)費用為4元/100 km。

綜上，按電池組循環(huán)壽命1 600次計算，在不更換電池的基礎上，改裝后的純電動汽車理論上可行駛的總里程為16萬km，即汽車從純電動化改裝行駛至電池報廢時所產生的總的綜合成本比原車型少7.8萬元。因此采用本方案在經濟性方面是可行的。

4 結論

從整車結構出發(fā)，以高性價比改裝為前提，以汽車動力學理論為依據，再根據整車的動力性能指標以及預期行駛里程，給出了切實可行的設計步驟。最后以某轎車為原型，對其進行了純電動化改裝設計，并通過AVL Crusie進行仿真分析，結果顯示該汽車改裝后動力性滿足各種工況的需求，經濟性比原車型更好。