新能源纯电动汽车_基于电动汽车技术的汽车电动化改装

　　编者按：当今时代，汽车保有量越来越多，新车新技术更是层出不穷，老旧车的处理也逐渐成为热点关注的话题。杂乱无章的旧车回收，不仅扰乱了正常的市场秩序，大量废旧汽车零件流入市场重新上路，又给交通安全带来危害，而有些还可以回收利用的零部件又没有有效利用。同时能源的日益紧张、老旧车污染程度的加大，使得我们的生存环境不堪重负，老旧车的处理问题迫在眉睫。就在大家举首翘盼寻找新的出路时，汽车电动化改装为老旧车的处理指明了一个新的方向，电动汽车已成为世界各国能源和环保战略的一个重大举措，电动汽车新技术也定将加快汽车电动化改装的步伐。
　　
　　面对当前能源紧张的世界难题，寻找可替代能源已经成为当前汽车发展的主要趋势。目前，世界各汽车制造厂家除了投入大量的资金进行新型能源车辆的开发外，在国外，对一些在用老旧车型进行电动化改装的尝试已经逐渐流行开来。
　　简单地说，进行汽车电动化改装的核心就是电动机、电源控制器和再充电电池的选配。为了更好地理解电动车的工作原理和改装技术，下文以一辆电动化改装车为例进行说明。
　　
　　一、电动汽车的分类及工作原理
　　
　　根据电源的不同，电动汽车系统可分为直流和交流两种类型。
　　
　　1　直流型
　　直流型电动汽车系统，简单来说就是直流控制器与电池和直流电机相连。如图1所示。当驾驶人全部踩下加速踏板时，控制器输出96V直流电源给电机；如果松开加速踏板，控制器不输出电源。为了保证0～96V电压的线性输出，控制器输出电压脉冲，提供平均为0-96V间任一数值的电压输出。其中，加速踏板连接一组电位计(可变电阻)，根据不同的油门位置，向控制器输出不同的电压信号。类似于传统的节气门位置传感器。
　　
　　而直流控制器就好像一个大的开关，与加速踏板相连。当踩下加速踏板时“开关”打开，当收回加速踏板时。“开关”关闭。但显而易见的是，由驾驶员频繁快速地加减油门而产生脉冲电压是不可能的。控制器则履行了这样的功能，根据获得的电位计的信号(油门信号)对输出电压进行控制。
　　比如，当驾驶员将加速踏板踩下一半时，控制器快速地开闭供给电机的电源，输出占空比为50％的脉冲电压。如果加速踏板踩下1／4，控制器输出占空比为25％(高电位)的电压脉冲。因为脉冲的输出会导致机体以同样的频率进行振动，这样会产生很大的噪音，所以大多数的控制器调制的脉冲超过15kHz，这样将超出人耳的听觉范围，大大降低了电机运转噪音。
　　
　　2　交流型
　　交流型电动汽车系统也很简单，即交流控制器连接交流电机，如图2所示。交流控制器通过6组功率管，将300V直流转变为240V三相交流电，给电机供电。同时控制器还有辅助的充电的功能。为12v直流蓄电池(给附件供电)充电。交流控制器的工作方法比较复杂，但基本原理和直流类似，除了对直流的电池电压进行脉冲调制外，还需要进行极性的变换。其中每一相都需要一组晶体管完成脉冲调制，一组完成极性的转换，因此在一个控制器中共需要6组晶体管完成三相正弦交流电的输出。
　　
　　二、电机和电池
　　
　　1　直流电机和交流电机
　　直流电机一般比较简单和便宜。现应用的直流电机功率一般为20～30kW。所对应的控制器则选用40～60kW(96V的控制器最大需输出400～600A的电流)。直流电机有着非常好的特性，它能保证短时的超负荷输出。比如一个20kW的电机短时能接受100kW的输入，并输出超过额定5倍的功率。这样保证了车辆很好的加速性。但这样也会使电机内部快速发热，长时间地超负荷行驶会导致电机的早期损坏。交流电机可以使用市场上普遍运用的三相交流电机，在外形和参数的匹配上更容易。而且当车辆制动时，电机可以像发电机一样进行反向充电，向电池提供能量。
　　
　　2　电池技术
　　
　　电池是整个电动车中最重要的一个元件。质量大、体积大、容量低、充电时间长、寿命低、价格高等是当前铅酸电池存在的主要问题。改装的铅酸电池组最多存储12～15kWh的能量，最多一次续航里程90km。根据电池本身质量和充电技术，充满电的时间一般需要4～10h。使用寿命一般为3～4年。
　　在改装时可以将铅酸电池换成镍氢电池。这样可大大提高车辆的行驶里程和电池使用寿命。但镍氢电池的市场价格是普通铅酸电池的10～15倍。随着电池技术的不断发展，镍氢电池、锂电池必将取代普通铅酸电池，极大地促进电动车的发展。
　　在电池发展领域中还有另外一种新的技术叫“燃料电池”，这种电池通过纯氢的能量转换为电池充电。这种电池更小更轻更环保，而且能保证随时即刻充电，这项新技术必将成为将来电动车的主流。
　　上面谈到的都是驱动车辆用的电池，然而改装后。车上还是要配置普通12V的电池，因为原车上各种附件如大灯、音像、刮水器、仪表等还是只能支持12V的电源。为了保证对该电池的充电，改装时还需要一个直流变压器，将主驱动电池(比如300V直流电)转变成12V的直流电进行充电。当车辆行驶时，附件由变压器直接提供低压电源；当车辆停驶时，附件将由普通12V电池供电。
　　
　　三、充电技术
　　
　　充电系统的设计也是电动车成功使用的关键技术之一。
　　普通铅酸电池在充电初期，绝大部分能量被正常的电化学反应所吸收，当充电达到某一个阶段时，大约是整个电池容量的80％时。越来越多的能量会变成热能，大量的热会对蓄电池造成很大的损坏。所以一个好的充电系统能自动监控这一点，并在最后的20％充电阶段做出调整。
　　一个成熟的充电系统会实时监测电池的电压、电流和电池温度，在保证充电温度的前提下，加大充电电流。尽量降低充电时间。
　　在改装电动车技术中，有2种充电方法被广泛的使用。一种是普通120～240V民用电源，另外一种是磁电感应充电系统。
　　普通民用充电系统非常方便，到处都可以连接并充电，但这种方式充电时间非常长。比如使用240V电源充电，充电电流30A，充满电大致需要4～5h。
　　电磁感应充电系统包含2个重要元件，即：挂在墙上的充电箱和车内的充电装置。车辆通过一个电磁感应盘，插入充电槽口进行感应充电。这种充电方式最大的好处就是降低了漏电的危险，提高了安全性。另外，这种充电方式的充电速度也有所提升。
　　
　　四、典型改装实例
　　
　　图3所示为是一辆1994年款经电动化改装后的丰田科罗娜轿车。从外表看，该车几乎没有一点变化，但超低的行驶噪音，能让你立刻发现它的与众不同。该车的发动机、排气管、三元催化装置、油箱、离合器总成等都已经被拆除。交流电动机通过一个订做的适配盘与变速器相连。加装的电源控制单元控制着电机的运转。50kW的控制器，可以将电池的300V直流电转换为240V的三相交流电来驱动电机。电池组被排放在车底板下，50个12V铅酸电池单元被分组安放，每组25个，共可产生300V的直流电源。
　　电机同时也可以驱动水泵、动力转向泵和空调压缩机。由于没有了传统的发动机，为了保持制动助力的功能，新增一个真空泵，以保证助力的真空源。
　　用传统自动变速器的换挡装置替换原有的手动换挡杆，并将变速器锁定在2挡，这时换挡装置仅仅为内部加装的小开关，用来控制车辆的前进和后退。为了安全考虑，油门装置采用双电位计策略。控制器同时读取2个传感器的信号，并判断它们产生的油门位置信号是否相同。如果发现2个油门位置信号不一直，系统将停止工作。实际上这也是一种失效保护措施，如图4所示。
　　在暖风系统中加装了一个小电加热器，以提供暖风所需要的热源。
　　原来的加油口被换成了充电接口，可以直接利用外部120V或240V电源充电。另外加装一个备用的电磁感应充电插口，位于后牌照架后部油量表也换成了电压表或更复杂的电量表。以监控电池电量。
　　该车经电动化改装后，续驶里程可达80km，0-100km／h加速时间只有15s，电池总质量为500kg，再充电耗电量为12kWh，电池使用寿命为3～4年。且运营成本较传统汽油机能降低10倍左右。虽然每次续驶里程较短，但对于经常在城市内行驶的车主，这样的改装显然具有一定的优势。
　　总的来说，直流控制器和直流电机组合不失为典型电动化改装方案的较佳选择。汽车进行电动化改装，确定好合适的工作电压后就可以选择合适的电池和电机。最常用的电机和控制器都可以在电动叉车行业的零部件市场找到。一旦确定了电池、电机和控制器，就可以着手进行改装了。
　　当然以上对科罗娜轿车的改装只是改装的简单步骤，实际当中还需要改装者进行详实的计算和各电器元件的匹配。
　　本文只对汽车电动化改装技术进行了简单的介绍，旨在抛砖引玉。希望有更多的人加入到新能源汽车的研究中来，也希望电动车改装能引导汽车个性化改装的新潮流。