牛人工程師分享從零組裝電動汽車（圖文） - 全文

　　電子發(fā)燒友網(wǎng)訊：在這個建造電動車系列的第一部分里，我們了解了家里建造電動汽車所需要的核心技術(shù)和設(shè)計方面的選擇。在第二部分，我們將會討論一些機械和構(gòu)造方面的挑戰(zhàn)及其解決方案，規(guī)格、路測以及在未來的混合動力車?yán)锩嫘枰龅囊恍└倪M。

　　TDI Power的工程副總裁John Santini在打造這個組裝電動車的三年間碰到各種各樣的挑戰(zhàn)，這就像大部分的科學(xué)研究一樣，通過創(chuàng)新帶來了很多知識?，F(xiàn)在就讓我們看看這些困難和問題是怎么發(fā)展成為一輛功能齊全的汽車。

　　這個項目的目的是去打造一輛盡可能輕便的多功能車。其整體規(guī)格盡可能減到最小，電動機尤其是電池的重量將是其關(guān)鍵所在。最初的目標(biāo)是將車的重量限制在1800磅，但最后出來的產(chǎn)品是2037磅。如果用到更小的電動機和電池，這個車最終的花費將會更加低。

　　以下是這輛車當(dāng)前的一些主要規(guī)格參數(shù)：

　　汽車：1988年的Pontiac Fiero，這是一個最先發(fā)展的電動車項目，這個車最終也會發(fā)展成為插入式混合動力車，這是一個混合動力車系列。然而Santini認(rèn)為必須要用到鋰電池。他同時注重降低其重量和提高其效率，旨在降低電池的尺寸。

　　結(jié)構(gòu)：這是一輛三輪車（它是一輛帶有串聯(lián)后輪胎的單后輪汽車）。傳統(tǒng)帶有齒條和齒輪轉(zhuǎn)動的前置A型擺臂。其氣囊在前面，而彈簧則早后面。

　　底盤：用厚0.06英寸的一英寸方鋼管專門設(shè)計的空間架構(gòu)。

　　整體：傳統(tǒng)的泡沫纖維建造。

　　發(fā)動機：ABM的三相交流電動機。

　　動力傳動系統(tǒng)：齒輪皮帶比率為6:1的傳統(tǒng)單速直接驅(qū)動。這個汽車是后輪驅(qū)動，在其縱臂上面有一個帶有并聯(lián)車輪固體后軸。

　　電池：由Thunder SKY 制造的鋰電池組，當(dāng)中是由三十個電池組成。規(guī)格是100V，200A，型號是LYP-200。

　　系統(tǒng)電壓：100V

　　充電器： 由TDI制造的雙模MER43-N54D01充電器，其中有電信/工業(yè)充電供選擇。其優(yōu)點是總體比較輕，效率比較高，可以允許110V或者220V的輸入，54V/80A輸出，其中用到了兩個，電池組分成兩部分，每部分用一個。

　　加熱系統(tǒng)：用到兩個電吹風(fēng)，通過串并聯(lián)的切換來選擇高低檔功率。

　　儀表：電壓和電流用數(shù)字面板儀表顯示，其他的待定。

　　最高速度：68英里時速，即是109公里時速，最高也就是這個速度。

　　加速：從0加速到60時速只需要12秒。

　　行程：純電動可以行駛90英里，這車會攜帶一個小型內(nèi)燃機和兩個改進的汽車交流發(fā)電機去產(chǎn)生持續(xù)的15KW功率。

　　能量損耗：使用280W小時/英里，這是基于仿真和天然的路況測試得到的結(jié)果。Santini在過去的項目里有一個驗證測試。他計劃找一個適合的地點進行路測以獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

　　里程表：截至2011年7月4130英里

　　載客人數(shù)：2人

　　整車重量：2037磅。

　　尺寸：106英寸長，70英寸寬，48.5英寸高。

　　輪胎：普通的 Altimax 185/65R14

　　轉(zhuǎn)換時間：三年（期間受到很多干擾）

　　附帶功能：發(fā)動機控制器有反饋制動，這樣就使其工作得非常好。這個反饋制動設(shè)置的適度靈敏，因此Santini在駕駛該車的時候不需要用到腳剎。下一步去減輕發(fā)動機和發(fā)電機的重量。

　　重量：

　　由于重量是這個項目里面一個主要部分，Santini用一個電子表格去跟蹤記錄不同情況下所產(chǎn)生的影響。如果重量不是那么關(guān)鍵，他可能早已改裝了很多小型車，那就可以節(jié)省兩年時間和大部分的花費。然而，重量接近3000磅，性能受到了很大損害。

　　構(gòu)型嘗試：

　　首先，F(xiàn)iero的捐贈車把其整體的前部拆除。整個前懸掛和轉(zhuǎn)向裝置看起來像一個組裝件。因此我們開始構(gòu)型嘗試。

　　鑒于Santini在一開始用鉛酸電池，而之后改用鋰電池這種情況，這樣的話電池的重量就多樣化，因此行駛高度必須是可調(diào)整，所以線圈彈簧就用氣囊懸掛代替。

 

　　圖一：俯視僅重200磅的Fiero捐贈車的前懸掛

 

　　圖二：懸掛部分?jǐn)[放在地下室

　　接下來我們意識到在這個舒服的，光線明亮的地下室裝配會碰到一個問題，那就是當(dāng)我們裝好汽車，我們怎樣才能將其駛出大街。出口在哪里？Santini研究了一個月去找出去的辦法。

 

　　圖三：Santini從其地下室商店開了一個門口同時裝上一個車庫門來吧汽車弄出去

　　底盤：

　　任何好的底盤都必須做到以下幾點：

　　底盤的壽命相當(dāng)于汽車的預(yù)期壽命或者要比其長。這意味著在正常情況下，不會發(fā)生任何斷裂。

　　維護懸式座架以確保處理任何事情的安全性以及在轉(zhuǎn)彎和凹凸不平的路上車況的始終如一性。

　　支撐起整個主體和其他部件，讓所有的東西都能用得更久。

　　保護購買者免受外部的騷擾。

　　Santini設(shè)計滿足所有的標(biāo)準(zhǔn)。他一開始的時候計劃用一種輕質(zhì)木材的架構(gòu)模式。（如圖四所示），粉色是一英寸的管，黑色的是¾英寸的管，（0.06英寸厚），你還需要加上斜梁。你會明顯感覺到整個框架是很穩(wěn)固的。Santini說這是機械工程101，但感覺并不能如機械模型一樣從幾何學(xué)上來證明其穩(wěn)固性。因此他實施一個已經(jīng)被證明過的底盤構(gòu)造技術(shù)。

 

　　圖四：輕質(zhì)木材模式的架構(gòu)去驗證其幾何設(shè)計的穩(wěn)定性。

　　這些空心金屬管是由Santini焊接的，這些管都是他從eBay購買的。第一個側(cè)梁如圖五裝配。共有四個垂直的管子，但沒有斜管，在其中間加一個250磅的負(fù)重，會使其產(chǎn)生0.7英寸的偏差。如果裝上斜梁，誤差則會降到0.02英寸，如圖六所示。當(dāng)全部焊接好之后，偏差就只有0.005英寸。

　　圖五：第一次裝配帶有四根垂直鐵管的側(cè)梁不夠穩(wěn)固

　　圖六：帶有對角鐵管的斜梁穩(wěn)固性大大提高

　　結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與否是你坐在座位上的第一感覺，它決定了車的完整性和整輛車的體驗。底盤的穩(wěn)定與否是區(qū)分好車和一般車的關(guān)鍵，每一個底盤都是重量，部件尺寸，復(fù)雜性和預(yù)算的平衡結(jié)合。Santini緊緊地記住這些。當(dāng)我駕駛這輛車的時候，那種感覺就像行駛在凹凸不平的路上。

　　當(dāng)框架、懸架、轉(zhuǎn)向盤等完成之后，Santini把整輛車拖上山頂去進行滾動測試。下坡速度可以達到25英里每小時。這個過程中底盤表現(xiàn)很好。過程中后輪沒有任何噪音。后輪間隔是一個綜合考慮的結(jié)果。只有前剎是連接上的，但透過穩(wěn)健的踏板壓力，底盤的剎停非常好。他接下來會把腳踏板換成更柔軟的材料減少踏板力， 這樣的話動力輔助就不再需要了。

 

　　圖七：滾動測試之后的Santini一臉愉悅的表情。

　　在車身構(gòu)造的過程中，為了把后部弄得圓滑點，同時為了減少重量，后底盤經(jīng)過了幾次修改（切割和焊接）。遲些時候會裝上加速踏板。同時會把一個電位器與電動轉(zhuǎn)速控制連接起來。

 

　　圖八：組裝好的加速腳踏板

　　熔絲盒和導(dǎo)線會在遲些時候添加。Santini 用了Painless Wiring的一個熔絲盒，該公司的汽車線和電子產(chǎn)品在在全球處于領(lǐng)先的低位。這些東西使用都很方便。其中還包括了閃爍其和喇叭。

 

　　圖九：熔絲盒、縱線。閃爍器、喇叭

　　儀表板的裝配是很有意趣的，大部分的模擬儀表是顯示電壓檢測控制，同樣也有里程表。

　　最初的構(gòu)想是在板上裝一個前進/倒車的開關(guān)的，但開了一段時間這車之后，Santini決定在中控臺換回傳統(tǒng)的“波棍”。我可以告訴你利用“波棍”來倒車的感覺比那個按鍵式的好多了。

 

　　圖十：帶有各種儀表和開關(guān)的前面板

　　車速表的設(shè)計要多加考慮，VDO車速表需要一個來自車輪的脈沖序列。經(jīng)討論證明電機軸是最方便的放置地點。Santini造了一個嵌有磁鐵的鋁盤，每英里它可以提供21640個脈沖。

　　利用霍爾效應(yīng)傳感器接受脈沖，從而產(chǎn)生一個方波。

 

　　圖十一：裝在電機軸上面的霍爾效應(yīng)傳感器

　　最大的挑戰(zhàn)應(yīng)該就是打造鷗翼門。涵滑動?xùn)|玻璃“RV”窗，每個的重量只有12磅，側(cè)面碰撞保護包含在側(cè)梁里，這在離地面18英寸的位置有一有一個5英寸寬的構(gòu)架。

　　最初的計劃是用一個汽油車框架，然后在地步安裝一個承重插銷。因為門在開關(guān)的時候會承受一個恒定支撐壓力，所以盡管這樣行得通，Santini對繞在鉸鏈上的車門的問題仍然沒辦法。很不幸，液壓支持車門和鉸鏈添加壓力，甚至在車門關(guān)閉的情況下也有這種情況發(fā)生。這個問題在專用機械框架開關(guān)門的時候可以解決，同時這樣可以減少額外的彈簧壓力和插銷。這些經(jīng)過調(diào)整之后，使關(guān)門變得很熟悉。Santini做了一個門控制器，每次收到一個脈沖信號，則驅(qū)使馬達上下交替。這個脈沖信號來自遙控鑰匙，但你在車?yán)锏臅r候，可以按面板上的開關(guān)產(chǎn)生同樣的脈沖。

 

　　圖十二：用機械架構(gòu)去解決鷗翼車門扭曲的問題

　　性能和未來設(shè)計

　　在汽車設(shè)計的過程中有很多功夫要做，同時也沒有很多已建好的測試公路 。這輛車最近裝上了一個數(shù)據(jù)記錄器去記錄電壓、電路和速度。然而，即使在任何方面都取平均數(shù)值，但在新澤西的丘陵道路想取得一個準(zhǔn)確測量是很有難度的。圖十三展示了預(yù)計的錄負(fù)載。Santini認(rèn)為低速的數(shù)據(jù)應(yīng)該不被考慮，但60、60英里的時速值也相對比較低。整個表格展示了路載情況，因此發(fā)動機和控制器產(chǎn)生的損耗是額外的。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，在60英里時速時，電池負(fù)載大約是280W小時/英里。

 

　　圖十三：功耗的計算（不包括發(fā)動起和控制器損耗的路載）

　　數(shù)據(jù)記錄器主要是用來檢測充電時的每個單獨單元。當(dāng)然，這個記錄器對行駛過程中的每個電池電壓檢測也是非常有用的。圖14展示車行駛在相對平穩(wěn)的路上每隔十秒得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

 

　　圖十四：十秒間隔內(nèi)單獨一個電池單元的電壓

　　Santini將會在未來做一些改進。其中的一個改變就是把一個傳統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)和電池平衡和檢測系統(tǒng)合并。目前是每個電池單元通過一根線連接到數(shù)據(jù)記錄器，以保證每個電池在充放電過程中都可以被檢測。這些電池單元在新或者是未過度放電的時候會保持相對平衡的。然而另外一些關(guān)于鋰電池的經(jīng)驗表明了綜合管理系統(tǒng)的重要性。

 

　　圖十五：充放電過程中高舉愛內(nèi)測電池單元的數(shù)據(jù)記錄器

　　在這個課題里面的最后一章去添加一個輕便的電動發(fā)電機，使汽車可以再運行一段比較遠(yuǎn)的距離。Santini給我們展示了這個放置在后部的25 英寸的備用電動發(fā)電機。這個引擎只需要提供大約20匹馬力使汽車前進。帶有永磁體轉(zhuǎn)子的自動模式交流發(fā)電機也是允許的。一個交流發(fā)電機只有9磅重，但可以在800轉(zhuǎn)速的時候提供100V和100A的電壓電流。

　　這個電壓電流調(diào)整計劃通過一個回路很容易地控制“油門”。Santini現(xiàn)在在尋找一個更輕便的引擎。一個明智的選擇就是V-twin園藝拖拉機引擎。百力通提供了一個24匹馬力的引擎，重量大概有50磅。許多兩沖程引擎會輕于30磅，但他更樂意用一個四沖程引擎，這樣的話它就可以燃燒普通汽油了。摩托車發(fā)動機是高轉(zhuǎn)速，低重量引擎，但它們一般用集成傳動裝置，這樣的話額外重量就不會有了。因此研究還可以繼續(xù)。

第二部分

　　編者按：在這個系列文章的第一部分，我們將會了解電動汽車背后的核心技術(shù)和設(shè)計選擇。在第二部分，我們將會討論有關(guān)機械和架構(gòu)所面臨的挑戰(zhàn)及其解決方案、規(guī)格參數(shù)、道路測試結(jié)果以及接下來在混合動力車方面將有的重大改進。

　　電動車和混合動力車迅猛發(fā)展。我們所了解到的一系列的解決方案包括了豐田PIRUS（全球銷量最大的混合動力車），在城市路程里行駛41英里只需要1加侖油的福特 FUSION，充一次電可行駛35英里的雪佛蘭VOLT和頭一輛能夠承受五個乘客的主流全電動汽車的尼桑Leaf。

　　現(xiàn)在讓我給你介紹另一輛電動車，那就是1988年的Pontiac Fiero捐贈車。實際上這輛車只有其前輪懸架和轉(zhuǎn)向齒輪被借鑒，為 John J Santini的最初設(shè)計所應(yīng)用。

　　Santini是TDI POWER公司的工程副總裁，該公司在電源轉(zhuǎn)換這個行業(yè)有著五十多年的經(jīng)驗，它們從25年前就開始提供應(yīng)用在移動汽車、混合動力車和電動車的電源設(shè)備。

　　受困于目前高速增長的汽油價格，Santini決定將其創(chuàng)造和解決問題的技術(shù)集中起來發(fā)展期自家的電動汽車。

　　目標(biāo)：

　　Santini最初的目標(biāo)是打造一款插入式混合電動車，而LI-ion電池價格的大幅下降促使其決定在項目的最后推遲電動機和發(fā)電機發(fā)布，同時在電池里面添加LI。最終結(jié)果就是，盡管還有足夠的空間再添加一個發(fā)動機，但現(xiàn)在的車已經(jīng)是全電動化了。這樣做可以增加汽車的出行距離，超過目前系統(tǒng)的90英里的范圍。目前帶有電池的整車重量為2050磅。

　　計劃：

　　該公司計劃打造一輛雙人座的，質(zhì)量比較輕的上班族車。該車的架構(gòu)是SPACE-FRAME設(shè)計，這是從LOCOST汽車項目及其想死的汽車構(gòu)造中得到的靈感。其中的一些背景：LOCOST是一個經(jīng)濟型、家用“CLUBMAN”類型的運動車，這款設(shè)計是基于最初的LOTUS 7的構(gòu)思。你可以根據(jù)Ron Champion的《Build Your Own Sports Car》去打造一輛LOCOST，或者可以根據(jù)Keith Tanner的《How to Build a Cheap Car》來裝配。

　　其中的一部分靈感來自康乃爾大學(xué)在1975年建造的一輛電動車。

　　車的主體是一個傳統(tǒng)設(shè)計，安裝框架的周圍被一英寸厚的泡沫聚苯乙烯覆蓋，同樣還有一到三層0.009英寸厚的玻璃纖維布和環(huán)氧基樹脂。嚴(yán)格意義上說來這是一輛三輪車。其后輪固定裝配有兩條輪胎，其驅(qū)動皮帶輪位于中心位置。皮帶傳動的效率超過99%，然而即使一個簡單的雙倍速傳動裝置會引起10%的效率損失。

　　充電器

　　充電器由一對規(guī)格為54V，80A的TDI水銀充電器組成，一個是為低于48V的電池包充電，另一個則是為48V以上的充電，其輸入時120/240V的交流輸入，兩個和電池串聯(lián)一起放置在中心位置維持電池的平衡，如圖一所示。

 

　　圖一：TDI的水銀電池充電轉(zhuǎn)換器，兩個和電池并聯(lián)擺在中間位置。

　　因此在4.3KW的時候，TDI的水銀充電器執(zhí)行一個典型容積充電，充電時間不足一個小時。在白天有足夠的時候去充滿天，原始的充電器只有1.2KW的水銀單元，其在30A的狀態(tài)下充電。過去充電需要花去一整天都額時候，而現(xiàn)在只需要四小時就可以充滿了。

　　Santini同時增加一個新的檢測電路，當(dāng)電流大于60A的時候，會點亮剎車燈。這個反饋制動出現(xiàn)相當(dāng)高，因此當(dāng)你松開油門的時候，剎車是很穩(wěn)當(dāng)?shù)?。Santini極少用到液壓制動系統(tǒng)，因此他提醒那些有好奇心的司機身體盡量靠后。

　　現(xiàn)在他們計劃去把這個電流降到30A，這樣的話這對后剎車器和后窗剎車燈將繼續(xù)保持在大部分的反饋制動的情況之下。這僅僅是對板上比較器閾值的一個修正。他同樣將其尾燈轉(zhuǎn)為LED燈，這樣的話它們反應(yīng)就會很快，同時會很亮，能量耗費又比較小。如圖二所示

 

　　圖二：反應(yīng)迅速的LED剎車燈更亮，更低耗

　　該車的機械制動系統(tǒng)可以持續(xù)工作150000英里，因為他們主要在遇到停車訊號和交通燈轉(zhuǎn)燈的時候才用來停止動搖，而這一般都是發(fā)生在反饋制動生效之后。

　　交流電動機

　　ABM的交流電動估計工作在18.7KW，大約等于用在Santini于1975年設(shè)計的電動Corvette上的老款GE電動機的功率。它重量只有165磅，同時有84V的輸入，其運行的恒定轉(zhuǎn)矩可以達到3000rpm，而其恒定馬力則可以達到6000rpm。這個電機用單獨一個62mm寬的齒輪帶。

 

　　圖三：給車輪進行齒輪驅(qū)動的ABM交流電動機

　　交流電動機控制器

　　Curtis的交流電動機控制器是一個新型號，在96V的電池組的狀態(tài)下工作良好，它擁有包括反饋制動在內(nèi)的全車控制所需要任何功能。其電池/發(fā)動機組合估計有60KW。在這個全氣冷汽車?yán)锩?，翅式散熱片通過管道把空氣從側(cè)邊入氣口從其內(nèi)部輸送以實現(xiàn)降溫。如圖四所示。

　　圖四：Curtis交流電動機控制器，其電池/電動機組合可以達到80馬力。

　　鉛酸電池VS鋰電池

　　最初的電池是鉛酸電池，重量有800磅。然而，這個計劃發(fā)展三年之后，鋰電池的價格降了一半，而壽命則提高了一杯。最新的350磅鋰電池來自Thunder Sky。30個200AH小電池組成了一個100V，200AH的電池組，功率有20KWH，可以使汽車運行90英里。

　　Santini目前還沒有一個電源平衡電路，但這些電池在新的時候會保持相當(dāng)穩(wěn)定，在未來要進行進一步的改進。如圖五

 

　　圖五：最新的20kwh鋰電池，每個小電池有一根線連到數(shù)據(jù)記錄器，因此所有的電池在充放電的時候都可以檢測。

　　鉛酸電池的正反面

　　這時目前存在的高重量，低容量的電池之一，要達到需要的功率，則會使他們變得非常笨重。

　　具有很高的浪涌比率，這意味著它會一次性帶來很大的電流波動。這個對那些需要瞬間大浪涌電源的應(yīng)用是大有裨益的，其生產(chǎn)也不貴。

　　在整個過程中，并不是每一個“好角色”都需要穩(wěn)定的、低或者中度的電路供給。

　　其充電時間很長。

　　鋰電池的正反面

　　高功率和高容量，相對于鉛酸電池更輕小，其特別型號有很高的浪涌能力。但這些電池都很貴。電動汽車啟動時不像汽油車那樣需要一個啟動動力，交流電動機在加速過程中只是提供搞電路。

　　并不需要像鉛酸電池那樣時常保養(yǎng)。

 

　　圖六是鋰電池優(yōu)點總結(jié)

　　圖六：鋰電池的優(yōu)點：更輕，更小，更高能率，

　　圖七、圖八分別是是鉛酸電池和鋰電池的放電曲線

 

　　圖七：6V的鉛酸電池的放電曲線，X軸表示充電狀態(tài)，Y軸代表電池電壓

 

　　圖八：鋰電池有一個相對平穩(wěn)的放電曲線，但有一個急跌，X軸代表充電狀態(tài)，Y軸代表電池電壓。

　　怎樣駕駛

　　Santini允許我駕駛這部汽車，因此我可以給EDN的讀者傳遞這個電動車的駕駛感覺以及描述其與一般汽油車的不同之處。

　　當(dāng)我用鑰匙啟動這個車的時候，我以為可以聽到如汽油車那樣的引擎發(fā)動的聲音。但事實是什么都沒有，儀表板亮起來，面板式儀表也開始工作。

　　最后當(dāng)我想倒車離開停車場時，就如我所意料那樣在中控臺找到了波棍，Santini解析道這是為了更方便駕駛者。他說他最初設(shè)計的時候是打算把一個撥動開關(guān)或者相似的設(shè)備裝在儀表板上面，因為所有的交流電動機控制器需要倒轉(zhuǎn)電動機的方向，原因是車上沒有任何的變速器。

　　因為這車是通過交流電動機皮帶傳動的，在行駛過程中聽到的唯一聲音則是傳送帶的聲音，在高速度的時候，連這個聲音也會消失。最高速度可以達到70英里每小時。

　　在Santini的見一下，我在40英里時速的時候轉(zhuǎn)了一個彎，轉(zhuǎn)的時候沒有任何剎車輔助，那時整輛車的抓路情況非常好，前面電池所增加的重量提供了很好的牽引力。

　　對于剎車系統(tǒng)，你需要多次嘗試才能舒適的停車，我是試了三四次之后才熟練。

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