太阳能汽车

太阳能汽车 作品内容简介 汽车的发明极大的方便了人们的生活，但却带来了能源和环境的问题。 因此我们设计了一款太阳能汽车(在车身上铺上多块太阳能电池板)，它的 能量来自太阳，取之不尽，用之不竭，能够节约大量的化石燃料。 这款第一代车，适用于最多两个人乘坐，行驶距离每天200公里左右， 初步适用人群为每天上班的工薪阶级。 在行驶的过程中，在太阳能电池板产生的电能和蓄电池中的电能共同作 用下，车以平均速度40千米/小时行驶 。由于工薪阶级一天工作8小时，因 此会有8个小时的固定时间(排除一些特殊情况)充电。这样的话每天晚上 回去后，仅需充一点点交流电，蓄电池就充满了。当然遇到特殊情况(如阴 雨天)，也可将车当成普通的电动汽车使用。 研制背景及意义 随着世界现在汽车工业的发展格局，汽车工业面临的最大挑战就是能源的消耗及尾气排放对环境的污染。目前虽有电动汽车及混合动力汽车已开发出来并陆续上市，但大部分仍在使用汽油，柴油作为燃料。所以说从未来汽车工业的发展趋势看，要想让汽车摆脱对化石燃料的依赖，研发以太阳能为发电动力的汽车已经势在必行了，它也必将得到市场的认可。 1、基本工作原理: 太阳能汽车基本原理示意图如图一。阳光照射到车顶太阳能电池阵列上，就产生电流。电流经过Mppt和控制系统进入蓄电池或者直接驱动电动机，也可以以二者结合的方式进行。当车辆停止行驶时，电能将直接进入蓄电池。 太阳能电控制系MPPT 减速箱 电机 车轮 池 统 外接 蓄电池 充电接过充过放 电源 口 保护 图一 具体过程如下: (1)当车辆运动且有充足的阳光照射时，且车处于停车状态，此时产生的电能通过反馈系统反馈给控制系统，控制系统就会将这部分电能分配给蓄电池储存起来，以供以后使用; (2)当太阳能汽车在行驶过程中时，由于太阳能电池板提供的电能不足以驱动其行驶，所以控制系统将从蓄电池中的电能提取出来，以供电机使用; (3)当为阴天或者晚上，蓄电池储能不够时，也可以将蓄电池与220V的交流点连接，进行充电。 太阳能汽车的简化结构原理图 2、设计: 综合考虑车辆前)后轮驱动的优缺点，同时考虑到本产品的特殊性:电流利于输送，无需离合器,变速器，也为了减少齿轮和轴之间的传动，本品将采用后轮驱动，将MPPT，控制系统，逆变器和电机放在车得前部，蓄电池则位于车的尾部。这样本产品与理想前后轮承重平均分布较接近。如图: 太阳能汽车的主要组成包括:电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统。电力驱动及控制系统是太阳能汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。 电力驱动系统 电力驱动系统由驱动电动机、电源和电动机的调速控制装置等组成。太阳能汽车的其他装置基本与内燃机汽车相同。 1. 电源 电源即电池是为太阳能汽车的驱动电动机提供电能，电动机将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。主要有两个部分: (1)蓄电池部分: 作为车辆的供能和储能设备,蓄电池具有无可替代的作用。经过比较我们决定选择锂离子电池，它具有比能量大;比功率高;自放电小; 无记忆效应;循环特性好;可快速放电，且效率高;工作温度范围宽等优点。 本产品选用深圳市山木电池有限公司的电动车锂电池72V--130AH，具体性能描述如右图所示。 磷酸铁锂 宁波海锂子新能源有限公司 序号 项 目 单位 要求参数 备 注 电池按充电后，按1 额定容量 Ah 50.0 标准放电所得的容量。 按标准充电后，按标准 2 标称电压 V 76.8 放电，放电过程中的平 均电压。 3 充电方式 / 恒流/恒压 专用锂电池充电器 4 充电限制电压 V 87.6 / 5 放电终止电压 V 63.6 客户控制器推荐设置 6 正常工作电流 A ?150.0 / (2)太阳能电池: 考虑产品的具体情况以及现有的太阳能电池组，我们选用江苏华富集团的RC156-54太阳能电池组件(选标称为RC230/18/-SA6/9的一组)，在车上一共安装3组。经计算当太阳光达到一定强度时，太阳能电池组件的总功率 P=230W×3=690W，虽然它无法独自总 满足汽车的前进需求，但汽车可经控制器从蓄电池内提取能量满足要求。 2. 驱动电动机 驱动电动机的作用是将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。目前电动汽车上广泛采用直流串激电动机，这种电机具有"软"的机械特性，与汽车的行驶特性非常相符。但直流电动机由于存在换向火花，比功率较小、效率较低，维护保养工作量大，随着电机技术和电机控制技术的发展，势必逐渐被直流无刷电动机(BCDM)、开关磁阻电动机(SRM)和交流异步电动机所取代。 因此，我们综合各方面考虑，选择交流异步电动机YD112M-6/4，并把它的级数定位4。 控制系统 (1) 电动机调速控制装置 在驱动电动机的旋向变换控制中，由于采用交流异步电动机驱动，所以电动机转向的改变只需变换磁场三相电流的相序即可，可使控制电路简化。此外，采用交流电动机及其变频调速控制技术，使电动汽车的制动能量回收控制更加方便，控制电路更加简单。 我们采用专用芯片SA868，来达到控制的目的。 SA868系列集成正弦脉宽调制器(SPWM)能输出包含了波形、频率、幅值、旋转方向等信息。许多重要的运行参数，如:载波频率、最小脉宽、脉冲延迟时间、脉冲取消时间等，可在器件初始化时设置，所以要改变运行状况，只要改变软件即可。在硬件电路不便的情况下，通过设置改变波形参数，改变频率或逆变器的性能指标，其设置灵活方便，可大大节约硬件成本。此芯片可提供多种保护特性，包括只直流线路的过载保护。所有的PWM发生器都可以输出足够大的电流以直接驱动隔离级的光耦合器。 SA868借助于自身PWM脉冲的算法来控制电压和频率，确保磁通恒定而达到调速工作中使电动机的转矩恒定，针对不同的机械允许选择合适配套的V/f曲线，并且SA868可自动地采集瞬时的转速和方向而实现加速或减速，另外满足整个功率装置的载波频率、调制工作频率、输出频率范围、波形、最小脉冲宽度、脉冲重叠时间可以由生产厂家预先调整和更改。 表2-1 SA868引脚说明 引脚 意义 说明 7 RESET 内部计数器复位端 2，3 RPHT,RPHB A相高、低端PWM输出 4，5 YPHT,YPHB B相高、低端PWM输出 1，24 VV 电源，地(数字) DDD,SSD 6 DIR 控制电机转向 8 Rdecel 外接电机减速电阻 9，13 V,V 电源，地(模拟) SSADDA 14，15，16，17 SET4,SET3,SET2,SET1 速度给定 11，12 I,V电流、电压检测输入端 monitormonitor 22，23 XTAL1,XTAL2 外晶振 PWM20，21 BPHT,BPHB C相高、低端PWM输出 18 SET TRIP 过电压、过电流控制端 19 /TRIP 指示关闭状态端 图2-1 SA868引脚 变频器分为交-交和交-直-交两种形式，交-交变频器可将工频交流点直接转换成频率、电压均可控制的交流电，又称直接式变频器。而交-直-交变频器则是先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电，所以它又称间接式变频器。 变频器的基本结构如图3-1所示: 整流侧环节? 中间直流环节? 负载侧环节? M 整流器 逆变器 AC DC AC 控控 制制 指指 令令 控制电路 运行指令 图3-1 变频器原理框图 变频器的主电路由整流器、中间直流环节、逆变器和控制电路组成，分述如下。 整流器:电网侧的变流器?是整流器，它是作用是把三相(也可以是单相)交流电整流成直流电。 中间直流环节:由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载，无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因素总不会为1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无工功率的交换。这种无功能量要靠直流中间环节的储能元件(电感或电容)来缓冲，所以又常称中间直流环节为储能环节。 逆变器:负载侧的变流器?为逆变器，最常见的结构形式是利用6个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路。有规律地控制逆变器中主开关器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出。 控制电路:由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出和驱动电路等构成，其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。该变频器采用微型AT89C51单片机进行控制，主要靠软件完成各种功能，采用的硬件电路尽可能简单。由于软件的灵活性，数字控制方式常可完成模拟控制方式难以完成的功能。 主电路采用交-直-交电压型变频调速，用VD1~VD4四个二极管将单相交流电变成直流电，C2为滤波电容，由R2、R3和C3组成电压检测，取得电压检测信号，R、R1和C1组成过电流检测，取得过电流检测信号。控制电路的六路控制信号选择六个功率场效应管，产生电压幅值和频率可调的三相交流电压驱动三相交流异步电动机工作。 图3-2 变频调速主电路 (2)蓄电池充放电控制 太阳电池阵列和蓄电池之间必须有充电控制器，它使太阳电池始终工作在最大功率点处，从而提高充电效率。良好的充电控制器，能有效保护蓄电池不受过充、放电的损害，提高蓄电池的使用寿命。蓄电池充电控制器实质上为—个DC,DC变换器装置，它是系统中最为关键的环节之一，直接关系到整个系统的运行效率和可靠性。 光伏发电用蓄电池充电控制器应用在输出电压较高(蓄电池多级串联)且输入和输出隔离型的系统中。其具体设计指标为: 蓄电池充电控制器系统结构如图1所示。其中控制器主电路采用了双全桥整流移相全桥ZVZCSDC,DC变换器拓扑结构;控制电路分为两部分:以单片机PICl6C716为核心的电路组成检测和控制、保护信号发生电路，以移相控制芯片UC3879为核心的电路组成驱动信号调节电路和硬件保护电路。电路中PICl6C716为UC3879提供功率偏差信号以控制UC3879调节DC,DC变换器的占空比，以实现系统的最大功率输出。 主电路结构: 控制器主电路结构由输入滤波电路、逆变电路、高频变压器、双全桥整流电路、辅助电路和输出波电路组成，如图2所示。 电路中，Rv1、Rv2为压敏电阻，防止异常情况如雷击等发生时，电路出现过高的浪涌电流。Z1为直流滤波器，它可减少外部干扰源对系统的干扰。C1,C2为滤波电容，C3、C4为涤纶电容，吸收直流母线上的高频电压尖峰。R1为放电电阻，当关机时，给电容C1-C4提供放电回路并消耗储存的能量。 逆变电路是由S1-S4四个功率开关管IGBT组成的单相逆变桥，其控制和驱动信号由下节的控制电路提供，它为高频变压器提仪了一个高频交流方波电压。为了检测原边的输入电流和防止高频变压器T偏磁，电路中串接了电流互感器T1，和一个隔直电容C5。 高频变压器T的两个副边绕组上均增加了阻容电路R3、C6，和R4、C7以吸收过高的尖峰电压，D1-D8，组成双全桥整流电路。副边C8、D9、D10。构成辅助电路，和原边的C5、L1一起，实现电路的ZVZCS控制，R5、C9和R6、C10。分别为D9、D10的吸收电路。 T2为霍尔元件，它检测变换器的输出电流。 反馈、保护信号发生电路 光伏系统中的DC,DC变换器电路，开关管占空比控制信号多为太阳电池最大功率点信号。本电路中，最大功率点寻优采用改进型的自适应爬山法。改进型的自适应爬山法榨制流程如图3所示。此中，常量M,e值的确定下关重要，恰当的M，e可使控制器控制灵活且在任何外部环境下均能实 现系统的MPPT。 反馈信号的发生由8位PIC单片机PICl6C716完成，具体电路结构如图4所示，此电路同时也发出输入欠压和输出过压保护信号。 图4中，点B、F、H分别为输入电压采样信号、输出电压采样信号和输出电流采样信号，它们分别接于单片机A,D转换脚1、17、18，单片机在进行自适应爬山法运算和输入、输出电压判断后，分别从6脚、7脚和9脚发出输出电压保护信号、输入电压保护信号和主电路开关管占中比控制信号。这其中(单片机的CCP模块工作在脉宽调制方式，从9脚输出的脉冲宽度可调的PWM信号实现D,A转换，经过R6、C12、滤波并进行阻抗匹配后得到模拟控制信号作为反馈信号以控制主电路的占空比。单片机在进行了电压比较时，当电路中输入、输出电压异常时，其6脚、7脚输出跳变为高电平(正常工作时为低电平)，从而为保护电路提供保护信号。 其它部分 1.车身 本产品最特别的部分是车身，柔顺而奇特的形状很能引起注意。我们设计车身时主要目标是使空气动力学的阻力减到最小，且使对太阳能吸收的面积最大化，质量最小化。 2. 传动装置 太阳能汽车传动装置的作用是将电动机的驱动转矩传给汽车的驱动轴，当采用电动轮驱动时，传动装置的多数部件常常可以忽略。因为电动机可以带负载启动，所以太阳能汽车上无需传统内燃机汽车的离合器。因为驱动电机的旋向可以通过电路控制实现变换，所以太阳能汽车无需内燃机汽车变速器中的倒档。当采用电动机无级调速控制时(交流电机用变频器控制，如西门子的MM440)，太阳能汽车可以忽略传统汽车的变速器。传动装置主要由万向传动装置，半轴，主减速器，差速器组成。 1-电动机2-变频器 3-万向传动 4-驱动桥 5-主减速器 6-传动轴 差速器: 汽车差速器的作用就是在向两边半轴传递动力的同时，允许两边半轴以不同的转速旋转，满足两边车轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶，减少轮胎与地面的摩擦。 例如:汽车向左转弯，圆弧的中心点在左侧，在相同的时间里，右侧轮子走的弧线比左侧轮子长，为了平衡这个差异，就要左边轮子慢一点，右边轮子快一点，用不同的转速来弥补距离的差异。 锥形齿轮差速器(示意图) 3. 行驶装置 行驶装置的作用是将电动机的驱动力矩通过车轮变成对地面的作用力，驱动车轮行走。它同其他汽车的构成是相同的， 一般由车架、车桥、车轮和悬架组成。 车架 功用车架是汽车的基体，如蓄电池、电动机、传动机构、操纵机构、车身等总成和部件都安装于车架上。 采用中梁式车架，它只有一根位于汽车中央的纵梁。纵梁断面为圆形或矩形其上固定有横向的托架或连接梁，使车架成鱼骨。 车桥 一、作用车桥通过悬架与车架连接，支承着汽车大部份重量，并将车轮的牵引力或制动力，以及侧向力经悬架传给车架。 二、类型汽车的车桥分为整体式和断开式两种。按使用功能划分，车桥又可分为转向桥、转向驱动桥、驱动桥和支持桥。 车轮与轮胎 功用是支承汽车车体重量，缓和由于路角不平引起的冲击力，接受和传递制动力和驱动力，轮胎具有抵抗侧滑的能力，轮胎具有自动回下正的能力，使汽车正常转向，保持汽车直线驶。 一、车轮 车轮 二、轮胎 轮胎作为汽车与道路之间力的支承和传递部分，它的性能对汽车行驶性能影响很大。轮胎的性能与其结构，、气压、花纹等因素有关。 悬架 一、作用把车架与车桥弹性连接起来，吸收或缓和车轮在不平路面上受到的冲击和振动，传递各种作用力和力矩。 二、组成一般由弹性元件、导向装置和减振器三部分组成。 我们采用独立悬架，它的特点是:每一侧车轮单独通过弹簧悬挂在车架下面，汽车行使中，当一侧车轮跳动时，不会影响另一侧车轮的工作。独立悬架中多采用螺旋弹簧和扭杆弹簧作为弹性元件，并配用导向装置和减振器。独立悬架在轿车上广泛应用。 三、弹性元件 悬架采用的弹性元件有钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、空气弹簧、油气弹簧、橡胶弹簧等。 减振器 功用:改善汽车行驶平顺性。 电动车减震器主要用来抑制弹簧吸震后反弹时的震荡及来自路面的冲击。在经过不平路面时，虽然吸震弹簧可以过滤路面的震动，但弹簧自身还会有往复运动，而减震器就是用来抑制这种弹簧跳跃的。 4. 转向装置 转向装置是为实现汽车的转弯而设置的，由转向机、方向盘、转向机构和转向轮等组成。作用在方向盘上的控制力，通过转向机和转向机构使转向轮偏转一定的角度，实现太阳能汽车的转向。 我们设计的太阳能汽车采用前轮转向。 转向系统的基本组成: (1)转向操纵机构主要由转向盘、转向轴、转向管柱等组成。 (2)转向器将转向盘的转动变为转向摇臂的摆动或齿条轴的直线往复运动，并对转向操纵力进行放大的机构。转向器一般固定在汽车车架或车身上，转向操纵力通过转向器后一般还会改变传动方向。 (3)转向传动机构 将转向器输出的力和运动传给车轮(转向节)，并使左右车轮按一定关系进行偏转的机构。 我们采用的是机械转向系。机械转向系的能量来源是人力，所有传力件都是机械的，由转向操纵机构(方向盘)、转向器、转向传动机构三大部分组成。其中转向器是将操纵机构的旋转运动转变为传动机构的直线运动(严格讲是近似直线运动)的机构，是转向系的核心部件。 l.转向盘 2.安全转向轴 3.转向节 4.转向轮 5.转向节臂 6.转向横拉杆 7.转向减振器 8.机械 转向器 5. 制动装置 太阳能汽车的制动装置同其他汽车一样，是为汽车减速或停车而设置的，通常由制动器及其操纵装置组成。在太阳能汽车上，一般还有电磁制动装置，它可以利用驱动电动机的控制电路实现电动机的发电运行，使减速制动时的能量转换成对蓄电池充电的电流，从而得到再生利用。 太阳能汽车上用以使外界(主要是路面)在汽车某些部分(主要是车轮)施加一定的力，从而对其进行一定程度的强制制动的一系列专门装置统称为制动系统。其作用是:使行驶中的汽车按照驾驶员的要求进行强制减速甚至停车;使已停驶的汽车在各种道路条件下(包括在坡道上)稳定驻车;使下坡行驶的汽车速度保持稳定。 制动系工作原理图 3、理论设计计算: (1).动力性匹配计算 太阳能电动车的基本参数设定好以后，必须进行动力性能计算，才能为选择合适的电动机和蓄电池做好准备。 A.力参数计算 车辆行驶时需要克服的总阻力F1主要由空气阻力Fd，轮胎的滚动阻力Fr和爬坡阻力Fe组成，数学表达式F1=Fd+Fr+Fe。 1. 空气阻力F d 空气阻力，指运动物体穿越空气时受到空气的弹力而产生的;数学表达式为: F=1/2×C×A×ρ×v^2 dd 其中C是风阻系数(无量纲)，其值与车型及其行状有很大关系，一般流线型轿车为0.2—0.3，d 考虑到本车的独特外形设计，我们取C为0.25; d3ρ(kg/m)指空气密度，20?时为1.2kg/m3; 3A(m)是车前部迎风面积; v (km/h)是车俩的行驶速度。 最终带入数据估算得最大空气阻力F =62.5N, 额定速度下的阻力F’=27.8N。 dd 2. 轮胎的滚动阻力F r F是由于轮胎与地面摩擦产生的阻力。影响滚动阻力的因素主要有轮胎的形状，压力，温度，胎r 面厚度，线网层，车速以及所传递的转矩……其中胎型和压力又是最主要的因素。轮胎滚动阻力数学表达式为 F=m×g×Crr 2M(kg)为太阳能汽车的质量，g(9.8m/s)是重力加速度，C为滚动阻力系数(无量纲)，r 通常取0.013—0.018。我们取0.015。 最终带入数据估算得F=61.74N。 r 我们按照保证汽车预期的最高车速来初步选择电动机应有的功率，并以此反映汽车的加速度能力和爬坡能力。易得电动机功率P=(F+F)×V/η?2180W;其中η是固定速比的传动效edrmaxtt 率，取值0.95。 综合考虑各种因素，初步选定电机参数为: 额定功率/峰值功率: 2.8 kW/4.5 kW; 额定转速: -11425 r?min，额定转矩/峰值转矩:43Nm/134 Nm; 额定电流: 6.7A。 车辆爬坡时达到最大功率此时牵引力F’=4.5×1000/(20?3.6)N=810N;则F’=F’ ,F’,F’?edr210?;。车辆加到额定速度前的牵引力F’’,405N，加速度约为a?0.7m/s，加到额定速度所需时间约为15s。 (2).本车性能参数: 性能参数 量值 车净重 300kg 载荷 70kg 最高车速 60km/h 最高车速 60km/h 长χ宽χ高 3500χ1500χ1300(mm) 爬坡能力 ,?(,,,) 爬坡速度 20km/h 2加速度 约为0.8m/s (3).电池、电机的理论计算: 明亮晴朗的下午太阳能密度将在大约l 000 W,m2，但是在早上和晚上或者天空阴暗的时候，太 阳能密度将降至0 W,m2，太阳能量密度变化规律如图所示，晴天的平均日照强度为600W/ m2，按 此计算汽车按额定速度在平路上可连续跑6小时左右，即大约可行驶240km。 考虑到一个人一天的实际用车需求，一般不会连续行驶6小时，即不会将蓄电池电量耗完。当车 停下后，太阳能电池一小时可为蓄电池补充1490kJ能量(约占电池总容量的12%) 经过计算蓄电池的容量为W=72V×50AH=12960kJ，则汽车以额定速度行驶的总阻力为 F’ +F?89.6N，此时消耗的功率约为995w。 dr 假如只依靠蓄电池的电量则可行驶的里程s=40×(12960?0.995?3600)km=145km。 经过以上计算作为一般的家庭用车，该太阳能汽车的续航里程完全能够满足要求。目前轿车的每百公里耗油量约为7L左右，现目前油价约为7.3元/L，可知太阳能汽车每百公里可以节约50元左右。 (4).车身设计参数计算: 上表是已经过实验验证的数据，以此为依据设计轿车型太阳能车。 比较A型和B型，在形体相似的情况下，减小迎风面积可以减小风阻系数 CD。为适合轿车型的设计，车底应保证一定的空间以保证驾驶的舒适度。粗估一个人的标准坐高为94cm(180cm身高)，则可粗定等效迎风面高度为80cm。 为保证视野，采用前轮驱动，整体重心靠近前轮，使后轮压力降低以减小滚动摩擦。设重心距离前轮支点L1(cm)，距离后轮支点L2(cm)，重心高H(cm)，整体质量M(kg)，前轮压力为N1，后轮为N2。 则有N1=L2*M*g/(L1+L2) 、N2=L1*M*g/(L1+L2) ，故增大L2/L1可以有效减小滚动摩擦。 同时H与L1的关系要满足刹车时的制动需求:若定最大车速为60km/s，刹2车时的加速度为8.33m/s，则两者得关系为L1=0.85*H 。若假定重心高为0.5m，则L1可取0.425m。 若取前后轮间距约为1.5m，则N1=2*N2，滚动摩擦阻力:F=N2*C, C为滚rr r动阻力系数，取值在0.013 ~ 0.018 ，与轮胎压力成反比。这里取0.015。 计算滚动摩擦阻力(考虑阻力轮压力小于车重):F=m*g*C/2=370*9.8/2*0.015=27.20 N。 rr 车辆外形示意图 4、创新点及应用 (1)利用太阳能与电能结合的技术，解决了纯太阳能利用时的不稳定性问题; (2)太阳能汽车取代了一部分燃料汽车，一方面节约了能源，一方面减少了污染，既缓解了能源危机，又减缓了温室效应。