新能源小型车辆的设计与制作研究

曾清德+韦桂鸿+李兰

摘 要：以太阳能为辅助能源的电动小型车辆，电机采用永磁无刷电机，太阳能电池采用单晶硅太阳能电池板，并以太阳能控制器对蓄电池和太阳能电池的电压进行控制，车辆控制系统用型号为PIC16F72的单片机作为主控芯片，辅助系统主要由电压转换器和周围电路组成。

关键词：新能源小车；永磁无刷电机；单晶硅太阳能电池板；单片机；电压转换器

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

因为环境污染和不可再生能源短缺等问题日益严峻，所以最近几年来全球大力发展新能源汽车，尤其是电动汽车。本项目设计和制作出一款造价低廉且使用太阳能充电方便实用的代步电动小车。与目前市场保有量巨大的电动车相比它具有更强的操作稳定性和安全性以及可遮风挡雨等优点，又具有使用太阳能作为能源，且尺寸小，造价和维修成本低，充电方便等特点。这是一款全新的以太阳能作为辅助能源的新能源小车。

新能源小车主要由驱动控制系统、电池组、底盘、电气系统、太阳能辅助充电系统组成。整车采用动力装置后置后轮驱动。车架使用矩形钢焊接而成，使其更加轻量化。

1 电机的选择

永磁无刷电机是总体上来说是一种高性能的电机。具有直流电机的良好外特性而没有有刷电机那样的机械换向结构是直流无刷电机最大的特点。另外，它的转子是用永磁体制成的，所以没有励磁损耗，并且容易发热的电枢绕组是装在外面的定子上的，因此不存在散热困难这一问题。同时具有没有换向火花，不受无线电干扰，使用寿命长，运行稳定可靠，维修方便，转速不受机械换向，效率和能量密度高等优点。

因为本款小车主要特点是轻便和低价，所以对电机功率和转速的要求并不算高，更多考虑的是价格和质量体积等因素，所以综合考虑本款小车最终选用的是永磁无刷直流电机。经过计算满足小车最高车速35km/h的设计要求

2 电池的选择及容量的确定

铅酸蓄电池技术最成熟，最安全，成本也低，是电动汽车的可选动力电源，但比能量、比功率都比较低。因为本款小车对续航里程的要求不是非常，而更多考虑的是成本问题和安全性问题，最终选择铅酸蓄电池作为本款小车的能量来源。

假设汽车在中等载荷150kg的状态下以车速35km/h连续行驶设计续航里程40km，則经过计算，同时考虑到价格因素和市场上铅酸蓄电池的规格，最终选定电池组的容量为20AH。

3 太阳能电池板

（1）太阳能电池板充电过程。一般对蓄电池而言充电方式主要有三种，分别是恒流充电方式、恒压充电方式、脉冲充电方式。考虑到太阳能电池板的发电特性及控制的难易程度，选择恒压充电方式对蓄电池进行充电比较合适。恒压充电是指对蓄电池充电时电压恒定，充电电流随着蓄电池电压升高而逐渐减小，直至为零。实践证明，当充电电压低于电池电压允许最大上限时恒压充电是安全的，即使是长时间充电也不会产生危险，而且如果需要的话电池还可以工作在浮充状态。

（2）太阳能控制器。考虑太阳光的光照强度变化很大，使得太阳能电池板的输出电压和输出电流亦随之变化很大，最大输出电压甚至可达20V，电流可达5A。如果直接将太阳能电池板与蓄电池相连，那么蓄电池会因充电电压和电流的剧烈变化而造成寿命减短甚至损坏的后果，因此必须在太阳能电池板和蓄电池之间安装一个太阳能控制器，用来稳定充电电压和充电电流，使其充电电压稳定在14V左右，同时太阳能控制器还起到过充和限流保护及阻止反向放电等作用，从而使得蓄电池在安全高效的情况下长期稳定工作。

太阳能控制器对蓄电池和太阳能电池的电压进行实时采集，然后经过A/D转化将采集到的电压值转换为数字信号输入到单片机中进行处理，单片机对接收到的信号进行分析判断后输出指令经过光耦来驱动MOSFET的导通与截止。并通过控制MOSFET的导通时间来控制给蓄电池充电的电压。当蓄电池的电压达到14.5V时，单片机控制MOSFET管截止，太阳能电池板停止对蓄电池充电。其控制流程简图如下：

太阳能电池板在给蓄电池充电的时候要考虑到蓄电池的过充和使用寿命等问题，所以在采用恒压充电方式给蓄电池充电的过程中存在三种模式，这三种模式分别是快充模式、过充模式以及浮充模式。单片机根据采集到的蓄电池的电压值来决定太阳能电池板使用哪种模式来给蓄电池充电。具体来说就是单片机根据蓄电池电压值输出相应的脉宽调制PWM来调制MOSFET管栅偏置，控制其导通时间。当检测到蓄电池电压在12V以下时使用快充模式，也就是使MOSFET管导通的PWM脉冲占空比达到最大；当检测到的蓄电池电压在12V—14V之间时使用过充模式，依然是通过调节PWM脉冲的占空比来实现；当检测到蓄电池电压达到14.5V时，MOSFET截止，太阳能电池板停止对蓄电池充电。通过三种模式的精准控制可以使得太阳能电池板对蓄电池的充电达到最优状态。

因为单晶硅太阳能电池板具有转换效率高，技术成熟等优点，所以本款小车选用单晶硅太阳能电池板作为辅助电源为电池组充电。

考虑到小车的尺寸，在价格和装配尺寸允许的情况下，选用功率尽可能大的太阳能电池板，所以经过综合考虑最终选用功率为100W的单晶硅太阳能电池板，其尺寸为1200mm*540mm*30mm。

4 控制系统

小车的工作过程大致如下图所示，太阳能电池板发的电经过太阳能控制器稳压后给蓄电池充电，蓄电池与主控制器相连，主控制器根据加速踏板电压信号，电机转子位置霍尔传感器信号及其他各种输入信号等综合判断分析，产生相应的PWM脉宽信号，用以控制电机驱动器的导通与关闭，进而控制电机的通电时间，以实现电机转速的调节，最后电机通过减速装置将驱动力传递给驱动轮，进而实现小车不同速度的前进或后退。

控制系统大体上可由电机驱动系统、主控制器系统、辅助系统三大部分组成，由于本款小车的控制不是很复杂，所以将电机驱动系统与主控制器系统做为了一体，具体来说就是将电机驱动器和主控器封装在了一起。

（1）主控制器系统。信号接收和处理部分是控制器中最为核心的控制部分，其由型号为PIC16F72的单片机作为主控芯片。如下图3所示：

（2）辅助系统。辅助系统主要由电压转换器和周围电路组成。也就是说整个小车的电路其实是分成两个部分，一个是强电部分，这个部分由电池组直接给电机和控制器供电；另一个部分是弱电部分，这个部分由电池组经电压转换器转换而来。本次设计电动小车电压转换器为三线制，其中红线接电池组正极，黑线接电池组负极，黄线是12V电压输出线，各用电设备以并联方式接于其上，并共用黑线作为负极。

本文来源于2016年广西科技大学大学生创新创业实践国家级项目

作者简介：曾清德（1966-），男，广西融安人，副教授，研究方向：车辆工程、职业教育。