牛人工程师分享从零组装电动汽车（图文）

　　电子发烧友网讯：在这个建造电动车系列的第一部分里，我们了解了家里建造电动汽车所需要的核心技术和设计方面的选择。在第二部分，我们将会讨论一些机械和构造方面的挑战及其解决方案，规格、路测以及在未来的混合动力车里面需要做的一些改进。

　　TDI Power的工程副总裁John Santini在打造这个组装电动车的三年间碰到各种各样的挑战，这就像大部分的科学研究一样，通过创新带来了很多知识。现在就让我们看看这些困难和问题是怎么发展成为一辆功能齐全的汽车。

　　这个项目的目的是去打造一辆尽可能轻便的多功能车。其整体规格尽可能减到最小，电动机尤其是电池的重量将是其关键所在。最初的目标是将车的重量限制在1800磅，但最后出来的产品是2037磅。如果用到更小的电动机和电池，这个车最终的花费将会更加低。

　　以下是这辆车当前的一些主要规格参数：

　　汽车：1988年的Pontiac Fiero，这是一个最先发展的电动车项目，这个车最终也会发展成为插入式混合动力车，这是一个混合动力车系列。然而Santini认为必须要用到锂电池。他同时注重降低其重量和提高其效率，旨在降低电池的尺寸。

　　结构：这是一辆三轮车（它是一辆带有串联后轮胎的单后轮汽车）。传统带有齿条和齿轮转动的前置A型摆臂。其气囊在前面，而弹簧则早后面。

　　底盘：用厚0.06英寸的一英寸方钢管专门设计的空间架构。

　　整体：传统的泡沫纤维建造。

　　发动机：ABM的三相交流电动机。

　　动力传动系统：齿轮皮带比率为6:1的传统单速直接驱动。这个汽车是后轮驱动，在其纵臂上面有一个带有并联车轮固体后轴。

　　电池：由Thunder SKY 制造的锂电池组，当中是由三十个电池组成。规格是100V，200A，型号是LYP-200。

　　系统电压：100V

　　充电器： 由TDI制造的双模MER43-N54D01充电器，其中有电信/工业充电供选择。其优点是总体比较轻，效率比较高，可以允许110V或者220V的输入，54V/80A输出，其中用到了两个，电池组分成两部分，每部分用一个。

　　加热系统：用到两个电吹风，通过串并联的切换来选择高低档功率。

　　仪表：电压和电流用数字面板仪表显示，其他的待定。

　　最高速度：68英里时速，即是109公里时速，最高也就是这个速度。

　　加速：从0加速到60时速只需要12秒。

　　行程：纯电动可以行驶90英里，这车会携带一个小型内燃机和两个改进的汽车交流发电机去产生持续的15KW功率。

　　能量损耗：使用280W小时/英里，这是基于仿真和天然的路况测试得到的结果。Santini在过去的项目里有一个验证测试。他计划找一个适合的地点进行路测以获得准确的数据。

　　里程表：截至2011年7月4130英里

　　载客人数：2人

　　整车重量：2037磅。

　　尺寸：106英寸长，70英寸宽，48.5英寸高。

　　轮胎：普通的 Altimax 185/65R14

　　转换时间：三年（期间受到很多干扰）

　　附带功能：发动机控制器有反馈制动，这样就使其工作得非常好。这个反馈制动设置的适度灵敏，因此Santini在驾驶该车的时候不需要用到脚刹。下一步去减轻发动机和发电机的重量。

　　重量：

　　由于重量是这个项目里面一个主要部分，Santini用一个电子表格去跟踪记录不同情况下所产生的影响。如果重量不是那么关键，他可能早已改装了很多小型车，那就可以节省两年时间和大部分的花费。然而，重量接近3000磅，性能受到了很大损害。

　　构型尝试：

　　首先，Fiero的捐赠车把其整体的前部拆除。整个前悬挂和转向装置看起来像一个组装件。因此我们开始构型尝试。

　　鉴于Santini在一开始用铅酸电池，而之后改用锂电池这种情况，这样的话电池的重量就多样化，因此行驶高度必须是可调整，所以线圈弹簧就用气囊悬挂代替。

 

　　图一：俯视仅重200磅的Fiero捐赠车的前悬挂

 

　　图二：悬挂部分摆放在地下室

　　接下来我们意识到在这个舒服的，光线明亮的地下室装配会碰到一个问题，那就是当我们装好汽车，我们怎样才能将其驶出大街。出口在哪里？Santini研究了一个月去找出去的办法。

 

　　图三：Santini从其地下室商店开了一个门口同时装上一个车库门来吧汽车弄出去

　　底盘：

　　任何好的底盘都必须做到以下几点：

　　底盘的寿命相当于汽车的预期寿命或者要比其长。这意味着在正常情况下，不会发生任何断裂。

　　维护悬式座架以确保处理任何事情的安全性以及在转弯和凹凸不平的路上车况的始终如一性。

　　支撑起整个主体和其他部件，让所有的东西都能用得更久。

　　保护购买者免受外部的骚扰。

　　Santini设计满足所有的标准。他一开始的时候计划用一种轻质木材的架构模式。（如图四所示），粉色是一英寸的管，黑色的是¾英寸的管，（0.06英寸厚），你还需要加上斜梁。你会明显感觉到整个框架是很稳固的。Santini说这是机械工程101，但感觉并不能如机械模型一样从几何学上来证明其稳固性。因此他实施一个已经被证明过的底盘构造技术。

 

　　图四：轻质木材模式的架构去验证其几何设计的稳定性。

　　这些空心金属管是由Santini焊接的，这些管都是他从eBay购买的。第一个侧梁如图五装配。共有四个垂直的管子，但没有斜管，在其中间加一个250磅的负重，会使其产生0.7英寸的偏差。如果装上斜梁，误差则会降到0.02英寸，如图六所示。当全部焊接好之后，偏差就只有0.005英寸。

　　图五：第一次装配带有四根垂直铁管的侧梁不够稳固

　　图六：带有对角铁管的斜梁稳固性大大提高

　　结构稳定与否是你坐在座位上的第一感觉，它决定了车的完整性和整辆车的体验。底盘的稳定与否是区分好车和一般车的关键，每一个底盘都是重量，部件尺寸，复杂性和预算的平衡结合。Santini紧紧地记住这些。当我驾驶这辆车的时候，那种感觉就像行驶在凹凸不平的路上。

　　当框架、悬架、转向盘等完成之后，Santini把整辆车拖上山顶去进行滚动测试。下坡速度可以达到25英里每小时。这个过程中底盘表现很好。过程中后轮没有任何噪音。后轮间隔是一个综合考虑的结果。只有前刹是连接上的，但透过稳健的踏板压力，底盘的刹停非常好。他接下来会把脚踏板换成更柔软的材料减少踏板力， 这样的话动力辅助就不再需要了。

 

　　图七：滚动测试之后的Santini一脸愉悦的表情。

　　在车身构造的过程中，为了把后部弄得圆滑点，同时为了减少重量，后底盘经过了几次修改（切割和焊接）。迟些时候会装上加速踏板。同时会把一个电位器与电动转速控制连接起来。

 

　　图八：组装好的加速脚踏板

　　熔丝盒和导线会在迟些时候添加。Santini 用了Painless Wiring的一个熔丝盒，该公司的汽车线和电子产品在在全球处于领先的低位。这些东西使用都很方便。其中还包括了闪烁其和喇叭。

 

　　图九：熔丝盒、纵线。闪烁器、喇叭

　　仪表板的装配是很有意趣的，大部分的模拟仪表是显示电压检测控制，同样也有里程表。

　　最初的构想是在板上装一个前进/倒车的开关的，但开了一段时间这车之后，Santini决定在中控台换回传统的“波棍”。我可以告诉你利用“波棍”来倒车的感觉比那个按键式的好多了。

 

　　图十：带有各种仪表和开关的前面板

　　车速表的设计要多加考虑，VDO车速表需要一个来自车轮的脉冲序列。经讨论证明电机轴是最方便的放置地点。Santini造了一个嵌有磁铁的铝盘，每英里它可以提供21640个脉冲。

　　利用霍尔效应传感器接受脉冲，从而产生一个方波。

 

　　图十一：装在电机轴上面的霍尔效应传感器

　　最大的挑战应该就是打造鸥翼门。涵滑动东玻璃“RV”窗，每个的重量只有12磅，侧面碰撞保护包含在侧梁里，这在离地面18英寸的位置有一有一个5英寸宽的构架。

　　最初的计划是用一个汽油车框架，然后在地步安装一个承重插销。因为门在开关的时候会承受一个恒定支撑压力，所以尽管这样行得通，Santini对绕在铰链上的车门的问题仍然没办法。很不幸，液压支持车门和铰链添加压力，甚至在车门关闭的情况下也有这种情况发生。这个问题在专用机械框架开关门的时候可以解决，同时这样可以减少额外的弹簧压力和插销。这些经过调整之后，使关门变得很熟悉。Santini做了一个门控制器，每次收到一个脉冲信号，则驱使马达上下交替。这个脉冲信号来自遥控钥匙，但你在车里的时候，可以按面板上的开关产生同样的脉冲。

 

　　图十二：用机械架构去解决鸥翼车门扭曲的问题

　　性能和未来设计

　　在汽车设计的过程中有很多功夫要做，同时也没有很多已建好的测试公路 。这辆车最近装上了一个数据记录器去记录电压、电路和速度。然而，即使在任何方面都取平均数值，但在新泽西的丘陵道路想取得一个准确测量是很有难度的。图十三展示了预计的录负载。Santini认为低速的数据应该不被考虑，但60、60英里的时速值也相对比较低。整个表格展示了路载情况，因此发动机和控制器产生的损耗是额外的。根据数据显示，在60英里时速时，电池负载大约是280W小时/英里。

 

　　图十三：功耗的计算（不包括发动起和控制器损耗的路载）

　　数据记录器主要是用来检测充电时的每个单独单元。当然，这个记录器对行驶过程中的每个电池电压检测也是非常有用的。图14展示车行驶在相对平稳的路上每隔十秒得到的监测数据。

 

　　图十四：十秒间隔内单独一个电池单元的电压

　　Santini将会在未来做一些改进。其中的一个改变就是把一个传统的电池管理系统和电池平衡和检测系统合并。目前是每个电池单元通过一根线连接到数据记录器，以保证每个电池在充放电过程中都可以被检测。这些电池单元在新或者是未过度放电的时候会保持相对平衡的。然而另外一些关于锂电池的经验表明了综合管理系统的重要性。

 

　　图十五：充放电过程中高举爱内测电池单元的数据记录器

　　在这个课题里面的最后一章去添加一个轻便的电动发电机，使汽车可以再运行一段比较远的距离。Santini给我们展示了这个放置在后部的25 英寸的备用电动发电机。这个引擎只需要提供大约20匹马力使汽车前进。带有永磁体转子的自动模式交流发电机也是允许的。一个交流发电机只有9磅重，但可以在800转速的时候提供100V和100A的电压电流。

　　这个电压电流调整计划通过一个回路很容易地控制“油门”。Santini现在在寻找一个更轻便的引擎。一个明智的选择就是V-twin园艺拖拉机引擎。百力通提供了一个24匹马力的引擎，重量大概有50磅。许多两冲程引擎会轻于30磅，但他更乐意用一个四冲程引擎，这样的话它就可以燃烧普通汽油了。摩托车发动机是高转速，低重量引擎，但它们一般用集成传动装置，这样的话额外重量就不会有了。因此研究还可以继续。

第二部分

　　编者按：在这个系列文章的第一部分，我们将会了解电动汽车背后的核心技术和设计选择。在第二部分，我们将会讨论有关机械和架构所面临的挑战及其解决方案、规格参数、道路测试结果以及接下来在混合动力车方面将有的重大改进。

　　电动车和混合动力车迅猛发展。我们所了解到的一系列的解决方案包括了丰田PIRUS（全球销量最大的混合动力车），在城市路程里行驶41英里只需要1加仑油的福特 FUSION，充一次电可行驶35英里的雪佛兰VOLT和头一辆能够承受五个乘客的主流全电动汽车的尼桑Leaf。

　　现在让我给你介绍另一辆电动车，那就是1988年的Pontiac Fiero捐赠车。实际上这辆车只有其前轮悬架和转向齿轮被借鉴，为 John J Santini的最初设计所应用。

　　Santini是TDI POWER公司的工程副总裁，该公司在电源转换这个行业有着五十多年的经验，它们从25年前就开始提供应用在移动汽车、混合动力车和电动车的电源设备。

　　受困于目前高速增长的汽油价格，Santini决定将其创造和解决问题的技术集中起来发展期自家的电动汽车。

　　目标：

　　Santini最初的目标是打造一款插入式混合电动车，而LI-ion电池价格的大幅下降促使其决定在项目的最后推迟电动机和发电机发布，同时在电池里面添加LI。最终结果就是，尽管还有足够的空间再添加一个发动机，但现在的车已经是全电动化了。这样做可以增加汽车的出行距离，超过目前系统的90英里的范围。目前带有电池的整车重量为2050磅。

　　计划：

　　该公司计划打造一辆双人座的，质量比较轻的上班族车。该车的架构是SPACE-FRAME设计，这是从LOCOST汽车项目及其想死的汽车构造中得到的灵感。其中的一些背景：LOCOST是一个经济型、家用“CLUBMAN”类型的运动车，这款设计是基于最初的LOTUS 7的构思。你可以根据Ron Champion的《Build Your Own Sports Car》去打造一辆LOCOST，或者可以根据Keith Tanner的《How to Build a Cheap Car》来装配。

　　其中的一部分灵感来自康乃尔大学在1975年建造的一辆电动车。

　　车的主体是一个传统设计，安装框架的周围被一英寸厚的泡沫聚苯乙烯覆盖，同样还有一到三层0.009英寸厚的玻璃纤维布和环氧基树脂。严格意义上说来这是一辆三轮车。其后轮固定装配有两条轮胎，其驱动皮带轮位于中心位置。皮带传动的效率超过99%，然而即使一个简单的双倍速传动装置会引起10%的效率损失。

　　充电器

　　充电器由一对规格为54V，80A的TDI水银充电器组成，一个是为低于48V的电池包充电，另一个则是为48V以上的充电，其输入时120/240V的交流输入，两个和电池串联一起放置在中心位置维持电池的平衡，如图一所示。

 

　　图一：TDI的水银电池充电转换器，两个和电池并联摆在中间位置。

　　因此在4.3KW的时候，TDI的水银充电器执行一个典型容积充电，充电时间不足一个小时。在白天有足够的时候去充满天，原始的充电器只有1.2KW的水银单元，其在30A的状态下充电。过去充电需要花去一整天都额时候，而现在只需要四小时就可以充满了。

　　Santini同时增加一个新的检测电路，当电流大于60A的时候，会点亮刹车灯。这个反馈制动出现相当高，因此当你松开油门的时候，刹车是很稳当的。Santini极少用到液压制动系统，因此他提醒那些有好奇心的司机身体尽量靠后。

　　现在他们计划去把这个电流降到30A，这样的话这对后刹车器和后窗刹车灯将继续保持在大部分的反馈制动的情况之下。这仅仅是对板上比较器阈值的一个修正。他同样将其尾灯转为LED灯，这样的话它们反应就会很快，同时会很亮，能量耗费又比较小。如图二所示

 

　　图二：反应迅速的LED刹车灯更亮，更低耗

　　该车的机械制动系统可以持续工作150000英里，因为他们主要在遇到停车讯号和交通灯转灯的时候才用来停止动摇，而这一般都是发生在反馈制动生效之后。

　　交流电动机

　　ABM的交流电动估计工作在18.7KW，大约等于用在Santini于1975年设计的电动Corvette上的老款GE电动机的功率。它重量只有165磅，同时有84V的输入，其运行的恒定转矩可以达到3000rpm，而其恒定马力则可以达到6000rpm。这个电机用单独一个62mm宽的齿轮带。

 

　　图三：给车轮进行齿轮驱动的ABM交流电动机

　　交流电动机控制器

　　Curtis的交流电动机控制器是一个新型号，在96V的电池组的状态下工作良好，它拥有包括反馈制动在内的全车控制所需要任何功能。其电池/发动机组合估计有60KW。在这个全气冷汽车里面，翅式散热片通过管道把空气从侧边入气口从其内部输送以实现降温。如图四所示。

　　图四：Curtis交流电动机控制器，其电池/电动机组合可以达到80马力。

　　铅酸电池VS锂电池

　　最初的电池是铅酸电池，重量有800磅。然而，这个计划发展三年之后，锂电池的价格降了一半，而寿命则提高了一杯。最新的350磅锂电池来自Thunder Sky。30个200AH小电池组成了一个100V，200AH的电池组，功率有20KWH，可以使汽车运行90英里。

　　Santini目前还没有一个电源平衡电路，但这些电池在新的时候会保持相当稳定，在未来要进行进一步的改进。如图五

 

　　图五：最新的20kwh锂电池，每个小电池有一根线连到数据记录器，因此所有的电池在充放电的时候都可以检测。

　　铅酸电池的正反面

　　这时目前存在的高重量，低容量的电池之一，要达到需要的功率，则会使他们变得非常笨重。

　　具有很高的浪涌比率，这意味着它会一次性带来很大的电流波动。这个对那些需要瞬间大浪涌电源的应用是大有裨益的，其生产也不贵。

　　在整个过程中，并不是每一个“好角色”都需要稳定的、低或者中度的电路供给。

　　其充电时间很长。

　　锂电池的正反面

　　高功率和高容量，相对于铅酸电池更轻小，其特别型号有很高的浪涌能力。但这些电池都很贵。电动汽车启动时不像汽油车那样需要一个启动动力，交流电动机在加速过程中只是提供搞电路。

　　并不需要像铅酸电池那样时常保养。

 

　　图六是锂电池优点总结

　　图六：锂电池的优点：更轻，更小，更高能率，

　　图七、图八分别是是铅酸电池和锂电池的放电曲线

 

　　图七：6V的铅酸电池的放电曲线，X轴表示充电状态，Y轴代表电池电压

 

　　图八：锂电池有一个相对平稳的放电曲线，但有一个急跌，X轴代表充电状态，Y轴代表电池电压。

　　怎样驾驶

　　Santini允许我驾驶这部汽车，因此我可以给EDN的读者传递这个电动车的驾驶感觉以及描述其与一般汽油车的不同之处。

　　当我用钥匙启动这个车的时候，我以为可以听到如汽油车那样的引擎发动的声音。但事实是什么都没有，仪表板亮起来，面板式仪表也开始工作。

　　最后当我想倒车离开停车场时，就如我所意料那样在中控台找到了波棍，Santini解析道这是为了更方便驾驶者。他说他最初设计的时候是打算把一个拨动开关或者相似的设备装在仪表板上面，因为所有的交流电动机控制器需要倒转电动机的方向，原因是车上没有任何的变速器。

　　因为这车是通过交流电动机皮带传动的，在行驶过程中听到的唯一声音则是传送带的声音，在高速度的时候，连这个声音也会消失。最高速度可以达到70英里每小时。

　　在Santini的见一下，我在40英里时速的时候转了一个弯，转的时候没有任何刹车辅助，那时整辆车的抓路情况非常好，前面电池所增加的重量提供了很好的牵引力。

　　对于刹车系统，你需要多次尝试才能舒适的停车，我是试了三四次之后才熟练。

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