旧轿车的电动化改装设计

2014-06-24曹希航杨林涂滨镟

汽车工程师 2014年12期

曹希航杨林涂滨镟

（重庆交通大学交通运输学院）

纯电动汽车具有零排放、低噪声、高能效及结构简单等显著优点，但存在价格高及续驶里程短等问题，因此难以推广。随着汽车使用时间的增长，传统燃油轿车的动力性、排放性及燃油经济性都逐渐变差，将旧轿车改装为纯电动汽车，不仅保护环境，同时还降低了电动汽车的综合成本。近年来，电机、电池及控制技术的发展，也为汽车的电动化改装提供了可能性。随着锂电池的发展，电池比能量有望达到150W·h/kg，循环寿命一般可达到1 200次以上。然而，目前尚无轿车电动化改装成熟的设计方法。文章以某轿车为原形，提出一套经济型的电动化改装方案。

1 动力系统改装方案

电动汽车根据电机类型、能源类别以及动力性要求，其动力传动方式有多种形式[1]。在旧轿车纯电动化改装时，应尽量不改变原车结构，保证前后轴载荷分布不变。基于经济型改装原则，确定如图1所示的动力传动结构方案。

该动力传动结构由内燃机汽车的传动结构发展而来，该结构最大程度地保留了原车原有的动力传递机构，将内燃机更换为电动机，实现动力源的改变。同时，通过动力匹配设计，保留的变速机构能使改装后电动车动力性能更佳。

1.1 驱动电机类型

电动汽车的电机驱动系统把电能转化为机械能，并通过传动装置（或直接）将能量传递到车轮进而驱动汽车按照驾驶人意识行驶，是电动汽车的关键系统之一[2]。从动力性和经济性出发，改装用电机必须满足4个方面：1）具有较强的短时过载能力；2）具有很好的调节性能，以实现启动和爬坡时处于恒转矩，高速行驶电机处于恒功率；3）具有高效率、低能耗和逆向工作性能好的特点，以降低能耗，延长续驶里程；4）从实用性出发，电动机应满足质量轻、体积小、成本低和安全性能好等要求。

目前，纯电动汽车使用的电动机主要包括直流电动机、感应电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机。从电动机的功率密度、过载能力、效率、功率因素、转速范围、控制操作性能、可靠性、安全性以及电机成本出发，选用直流无刷电机（BLDC），具有功率密度大、效率高及易冷却等优点。

1.2 动力电池类型

电池作为纯电动汽车的唯一动力来源，是最为重要的元件之一，在选择蓄电池类别时主要考虑蓄电池的比功率、比能量、使用寿命、尺寸、质量和安全性等参数。蓄电池的种类非常多，电动汽车最常使用的是铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。与前两者相比，锂电池有比能量大、循环寿命长及无污染等优点。而锂电池中磷酸铁锂的原料丰富、价格低廉且无毒无害，是目前全球唯一安全的锂离子电池[3]，故文章选用磷酸铁锂电池作为电动车的动力来源。

2 动力系统选型设计方法

2.1 电动机额定功率匹配

当电动机在额定功率点附近工作时，电机能达到较高的效率，在设计中驱动电机的额定功率（Pn/kW）必须满足改装电动车预期的最高车速[4]，此时驱动力主要用于克服滚动阻力和空气阻力，其功率平衡方程为：

式中：m——整车总质量，kg；

f——滚动阻力系数；

Cd——风阻系数；

A——迎风面积，m2；

vmax——最高车速，km/h；

η——传动效率；

g——重力加速度，m/s2。

2.2 电动机额定转速

电动机的额定转速（Nn/（r/min））是电动机正常运行时的转速，亦是电动机在额定电压输入下，以额定功率输出时对应的电机最低转速，通常以电动汽车经常行驶的车速来确定电动机的额定转速。考虑到不同工况下纯电动汽车的行驶速度，综合分析电动汽车在不同行驶速度下的行驶时间，根据式（2），可以确定Nn。

式中：ig，i0——变速器、主减速器传动比；

vn——常规车速，km/h；

r——车轮半径，m。

电动机的额定转矩（Tn/N·m）是Pn和Nn下的输出转矩，根据式（3）求得。

2.3 动力电池参数

动力电池容量大小直接影响电动汽车的续驶里程，根据GB/T 18386在进行纯电动汽车的续驶里程计算时可使用工况法或等速法。工况法是按照ECE-EUDC试验循环工况在底盘测功机上进行；等速法测试续驶里程是在道路上完成。所以文章建议采用等速法，通过式（4），根据预期续驶里程确定电池数目[5]。

式中：F——行驶阻力，N；

s——汽车续驶里程，km；

E——单体电池的标称能量，J；

W——预期续驶里程所需的外力功，kJ；

V——单体电池电压，V；

I——单体电池容量，A·h；

n——电池数目。

由于行驶阻力受行驶速度影响，按照国标规定，纯电动汽车以等速法进行试验时应保持60 km/h的车速在道路上等速行驶。因此，计算时车速取值60 km/h。同时为防止电池深度放电，建议放电深度取80%。

单体电池在确定数量后，为给电动机提供所需的电压，并同时保证纯电动车的续驶里程，电池需要通过串联、并联和串并联结合3种方式组装成电池组。

1）串联：通过串联可以满足高电压的工作需求，电池串联使用时电池组的电压按照单体电池数量，以倍数增加。由于电池具有容量不一致性，电池组的实际标称容量由单体电池中标称容量最少者决定。

2）并联：通过并联可满足大电流的工作需求。由于电池具有电压不一致性，电池组的实际标称电压由单体电池中电压最低者决定。

3）串并联结合：电池通过串并联结合可同时满足高电压和大电流的需求。一般情况下，电池的并联要比串联具有更高的可靠性。

3 汽车电动化改装案例

原轿车结构参数和性能[6]，如表1所示。

表1 原车型结构参数和性能

改装后，预期性能达到最高车速：110 km/h；最大爬坡度：20%；0～50km/h加速时间：8.5s；续驶里程：100km。

3.1 电机选型

根据GB/T 18386—2005规定，电动汽车的试验质量应由整车的整备质量与试验所需的附加质量组成，附加质量分别为：

1）如果最大允许装备质量≤180 kg，该质量为最大允许装备质量；

2）如果最大允许装备质量＞180 kg，但＜360 kg，该质量为180 kg；

3）如果最大允许装备质量＞360 kg，该质量为最大允许装备质量的一半。

由于该车总质量为1 540 kg，整备质量为1 120 kg，所以最大允许装备质量为：1 540 kg-1 120 kg=420 kg＞360 kg，故附加质量应为最大允许装备质量的一半，即210 kg，则电动汽车的试验质量为1 330 kg。

当vmax=110km/h时，根据式（1）可计算出Pn=25.4 kW。

该车车轮型号为195/60 R14，r=0.295m，根据式（2），得 Nn=3 085.4 r/min。

最后根据式（3），求得 Tn=78.5N·m。

通过分析市场上现有各电动机性能参数，选择额定功率为27 kW永磁无刷电动机作为驱动电机，其性能参数，如表2所示。

表2 额定功率为27 kW永磁无刷电机参数表

3.2 动力电池选型

根据式（4）求得汽车行驶100km所需W=37950kJ。文章选择V=3.3V，I=20A·h的单体电池，其单节电池标称能量为23.76 kJ，因此所需电池数目为200枚。

采用串并联结合的方式，先将电池组串联至48 V电压，再通过升压转换电路，将输出电压升压至144 V以驱动电动机工作，再将串联好的电池组进行并联，最终组合成所需的动力电池。

3.3 仿真建模分析

文章选用AVLCruise仿真软件，根据改装轿车整车结构中要用到的各总成模块和各模块间的关系建立机械连接和信号连接，随后将整车信息和各零部件参数填入对应的各模块之中，并选择ECE-EUDC工况进行仿真分析。图2示出原车型模型框架图。

3.4 结果分析

1）最大爬坡度。当汽车以1挡爬坡时，车速为9km/h，电机转速为1325.94 r/min，最大爬坡度为32.48%，大于预期的最大爬坡度（20%）。从仿真结果可以看出，改装轿车的最大爬坡度满足动力性要求。

2）最高速度。当汽车以5挡行驶时，驱动电机以额定功率运行，转速为4 816.53 r/min，此时的最高车速为152.43 km/h，仿真结果远大于设计时所期望的最高车速（110 km/h），改装轿车的最高车速满足动力性要求。

3）最大加速度。改装轿车的0～50 km/h加速时间为8.02 s，小于预期加速时间（8.5 s），满足改装要求。

综上，经纯电动化改装后，汽车动力性完全满足改装预期要求，并且与原车动力性差异不大，改装后最大扭矩略高于改装前，在爬坡等需要低速高扭矩的工况下改装后性能更佳；由于改装前后汽车的整备质量差异不大，对前后轴载荷的影响也不大，不会对汽车行驶稳定性和制动性等造成影响，所以文章使用的改装方案切实可行。

3.5 经济性分析

由于汽车属于消费品，经济性分析时需要同时考虑多种因素。在对轿车电动化改装前后的综合成本进行比较时主要考虑一次性改装成本、使用成本和维护保养成本。

该车电动化改装所产生的一次性成本主要包括电机成本费和电池组成本费，约2.5万元。使用过程中，改装前按平均油耗9L/100km计算，使用成本约65元/100km；改装后一次充电需消耗电费约4.12元。维护费用方面，对于纯电动汽车而言，维修保养对象主要为电机、电子控制系统以及机械部分，维修保养费用平均为0.5元/100 km；而传统汽车的维修保养内容主要为更换润滑油、清洗油路以及动力系统的检测维护，平均维修保养费用为4元/100 km。

综上，按电池组循环寿命1 600次计算，在不更换电池的基础上，改装后的纯电动汽车理论上可行驶的总里程为16万km，即汽车从纯电动化改装行驶至电池报废时所产生的总的综合成本比原车型少7.8万元。因此采用本方案在经济性方面是可行的。