太陽能電動車的設(shè)計與試制
引 言
近年來，能源危機(jī)和環(huán)境污染的壓力越來越大，太陽能作為一種清潔無污染，取之不盡、用之不竭的清潔能源，受到了大家的青睞。將太陽能作為電動車的能量來源可以實現(xiàn) 零排放 ，有助于保護(hù)環(huán)境?，F(xiàn)在有很多機(jī)構(gòu)和科研院所都在研究太陽能電動車，且清華大學(xué)、上海交大、德州學(xué)院等成功研制出了一些太陽能電動車 [1,2]，但這些車還未能大量進(jìn)入普通百姓的生活。
太陽能的特點是分散性和時變性。在陽光最強(qiáng)時每平米的功率只有大約 1 kW。由于樹蔭、陰雨、夜晚等導(dǎo)致太陽能電池輸出功率存在巨大變化。此外，現(xiàn)有太陽能電池板轉(zhuǎn)換效率較低，大約為17%，即每平米太陽能電池板最多提供 170 W 功率。且蓄電池能量密度較低，現(xiàn)有鉛酸電池的能量密度大約為 40 Wh/kg，一塊 48V20AH 的蓄電池重量超過 20 kg。所有這些因素使得太陽能電動車的發(fā)展受到了很大限制，為此很多文獻(xiàn)提出采用太陽能最大功率跟蹤法來提高太陽能的充電效率[2-5]，同時也有文獻(xiàn)對太陽能電動車的能量管理策略進(jìn)行了研究，提出加入超級電容來輔助儲能[6,7]，亦有文獻(xiàn)提出建設(shè)大面積太陽能充電站為電動車充電[8]。這些文獻(xiàn)都在理論上為太陽能電動車的研制提供了很好的方法，但卻忽視了一般家庭用車 90% 以上的時間是停止的，太陽能的低效可以用停車時間來彌補(bǔ)，只要功率匹配、結(jié)構(gòu)合理，就可以制作出有實用價值的太陽能電動車。
由于兩輪電動車無法安裝大面積太陽能電池板，本文對現(xiàn)有電動三輪車運(yùn)行狀況進(jìn)行了測試，根據(jù)測試數(shù)據(jù)和車體尺寸加裝了太陽能電池板，對其進(jìn)行了長達(dá)一年的試用，證明其可以作為家庭近距離代步車使用。在此基礎(chǔ)上，文中選擇驅(qū)動后橋，設(shè)計了更為舒適的太陽能電動四輪車并進(jìn)行了實驗。兩次實驗結(jié)果可以為電動車生產(chǎn)企業(yè)提供新的設(shè)計思路，讓太陽能電動車早日進(jìn)入千家萬戶。
1 電動三輪車的選擇與測試
目前市場上的電動三輪車種類很多，可選擇范圍廣。選擇時主要考慮方便在車上安裝太陽能電池板支架，裝好后既可用來接收光照，又可作為車輛的頂棚。此次試制采用一款國產(chǎn)老年電動三輪車，該車的整車尺寸為 2450 900 850（長 寬 高）；電機(jī)種類為無刷直流電機(jī) ；電機(jī)功率為 350W；其最高車速為 30km/h；該車的蓄電池為 48V20Ah鉛酸免維護(hù)電池 ；車的凈質(zhì)量為 120kg；載重量為 200kg；最大行駛距離為 40 km。
首先對電動車性能做充電測試，用原車配備的充電器對蓄電池充電，記錄到最大充電電流為 2.66 A，充電 8 小時后進(jìn)入涓流充電狀態(tài)，此時可認(rèn)為蓄電池充滿，斷開充電器，測得電壓為 56 V。接著對電動車用電情況進(jìn)行測試，車前后乘坐兩人，前面的人負(fù)責(zé)駕駛，后面的人觀察電壓、電流以及里程并記錄，測得啟動電流為 12 A ；平路運(yùn)行電流為 4~6 A ；平均車速為 20 km/h ；
在電池耗盡的情況下（4 ～6 A 電流，電池電壓降到約42 V），發(fā)現(xiàn)該車的最大行駛距離約為 42 km。由于條件限制，測試只在平路進(jìn)行，沒有做上下坡測試（如果有坡路，行駛距離會減?。?，但在測試過程中做了頻繁的加減速。
通過測試可以看出，這種小型電動三輪車不論是充電電流還是用電電流都很小，可以試驗將其改造為以太陽能作為動力源的 太陽車 。
2 太陽能電動三輪車的設(shè)計與試制
在改裝之前，先對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單計算。電動車平路行駛速度在 20 km/h 的情況下時，電流取平均值，電機(jī)平均功率約為：
P=UI=48 5=240 W
可見電機(jī)是在輕載狀態(tài)下運(yùn)行。共行駛約 40 千米，用時小時，測試過程中車輛總耗電量約為：
W1=PT=240 2=480 Wh=0.48 kWh
48 V 20 Ah 蓄電池總儲能量理論計算為：
W2=UIT=48 20 1=960 Wh=0.96 kWh
在測試過程中，蓄電池放電深度為：
Dod= W1 /W2=0.48/0.96=50%
蓄電池儲存的電能并未完全釋放，屬于中等深度放電， 這對蓄電池使用壽命有益。
2.1 太陽能板的選擇與安裝
目前市場上大量銷售的太陽能電池板主要有柔性太陽能板，鋼化玻璃太陽能板和薄膜太陽能板，柔性太陽能板將太陽能硅片固定到較薄的不銹鋼或其他較軟的基板上，將硅片電路連接后表面再覆蓋一層透明樹脂，封裝好的組件可以彎曲一定的弧度，由于表面采用有機(jī)樹脂，隨時間推移透光性變差， 組件壽命較短，理論壽命只有 2 年。常見的太陽能電池板表面使用 3~4mm 的鋼化玻璃和鋁合金邊框，正常使用壽命可達(dá)20 年，價格較便宜。薄膜太陽能電池板可折疊，易收納，但目前價格較高。
此次試驗的目的在于將太陽能電動車產(chǎn)品化，市場化。所以選用性價比較高的鋼化玻璃太陽能電池板。就三輪車尺寸而言，應(yīng)選擇盡可能大的電池板，最終使用的電池板的開路電壓為 17.8 V ；短路電流為 2.8 A ；最大功率為 50 W ；外形尺寸為1 065 350 35 ；重量為 4 kg ；數(shù)量為 4 個。
2.2 頂棚和電路的設(shè)計與整車安裝
將四塊電池板串聯(lián)并水平放置，通過具有最大功率跟蹤功能（MPPT）的太陽能充電控制器為蓄電池充電，測得西安地區(qū)夏季中午最大充電電流為 2.3 A，與市電充電器充電電流2.66 A 接近。將電池板接呈 40 度角傾斜放置，讓陽光直射， 測得最大充電電流為 2.7 A，考慮到電動車頂棚的形狀，將電池板前低后高稍微傾斜安裝，這樣在不影響外觀的情況下電池板效率還可以更高，在下雨或洗車時也能方便水從電池板上流下。車身結(jié)構(gòu)和電路原理如圖 1 和圖 2 所示[9]。
頂棚支架材料選用 20mm不銹鋼方管，壁厚為 1mm， 在框架轉(zhuǎn)角處增加斜拉桿以增加強(qiáng)度，框架整體焊接而成， 與車體采用螺栓連接。在太陽能電池板與框架之間墊上橡膠墊， 用螺絲安裝，并用結(jié)構(gòu)膠密封以防漏水。裝配好的電動車實物如圖 3所示。
圖 3 裝好電池板的電動三輪車
2.3 測試實驗
由于在三輪車頂部高過頭頂?shù)奈恢冒惭b了近 20 kg 的電池板和支架，使得車輛重心有所上升，故組裝后應(yīng)先測試車輛的平穩(wěn)性。在開闊地以S 形路線做急轉(zhuǎn)彎動作，鑒于實驗的危險性，車速不能太快，憑駕駛感覺控制速度。實驗后駕駛者發(fā)現(xiàn)為三輪車加裝電池板后對車輛的平穩(wěn)性稍有影響，開車時稍加注意即可。
測試車輛的電氣性能。測試前一天不接太陽能電池板， 將電動車電池能量耗盡，耗盡的標(biāo)志為 6A放電電流，電壓降到 42V。第二天接好太陽能充電回路，用太陽能電池板充電直至日落，測量電池電壓達(dá)到 56V之后開始測試。在平路上行駛 24千米后電壓降到 42V。由此可以得出，若西安地區(qū)晴天日照一天，則 200W的太陽能電池板所產(chǎn)生的能量可以供電動車行駛 20千米以上。
測試完以后恢復(fù)正常家用，平均每天僅行駛約 10 千米， 蓄電池處于淺充淺放狀態(tài)。同時落灰、落葉等因素伴隨著使用全過程，對太陽能電池板的發(fā)電效率稍有影響，但由于使用里程少，也從未用市電充電，可完全依靠太陽能。試驗發(fā)現(xiàn)， 一年后雖然電池容量有所下降，但其它性能都正常。由此可見， 將太陽能運(yùn)用到電動車上完全可行。
3 太陽能四輪代步車的設(shè)計與試制
電動三輪車的安全性和舒適性稍差。太陽能電池板選用普通鋼化玻璃電池，電池板重量較大，安裝到車頂后對車輛的穩(wěn)定性稍有影響。因此有必要繼續(xù)設(shè)計穩(wěn)定性和安全性更好的太陽能四輪電動車。
電動四輪車采用后輪驅(qū)動，前輪轉(zhuǎn)向的方式。后驅(qū)動有以下兩種方案：
(1) 兩個后輪都采用輪轂電機(jī)，這種方案的優(yōu)點是機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，懸掛剎車也較為容易；缺點是兩個電機(jī)分別控制， 存在驅(qū)動力負(fù)荷分配和轉(zhuǎn)向速差的控制問題，目前還處于研究階段，沒有成熟的產(chǎn)品和技術(shù)[10]。
(2) 使用差速后橋技術(shù)，電機(jī)輸出經(jīng)過齒輪差速器，通過傳動軸分別驅(qū)動兩個后輪，這種方式的優(yōu)點是采用單個電機(jī)， 容易控制；缺點是機(jī)械摩擦損耗大。
綜合考慮，文中試驗選用差速后橋方式。
太陽能電動四輪車設(shè)計目標(biāo)為近距離代步，較三輪車而言， 其安全性和舒適性有所提高。車體結(jié)構(gòu)采用鋼管焊接而成，車頂及前發(fā)動機(jī)蓋位置全部安裝太陽能板，前懸掛采用雙三角叉彈簧結(jié)構(gòu)，使用方向盤轉(zhuǎn)向。后懸掛采用拖拽臂及彈簧鋼板減震，使用四輪油壓碟剎。
此次試驗的太陽能電動四輪車后橋采用 750W無刷直流電機(jī)驅(qū)動的差速后橋，太陽能電池板選用4塊100W的電池板，其開路電壓為 22V；短路電流為 5.95A；最大功率為100W；外形尺寸為1 200 mm 540 mm 30 mm ；重量為 9 kg。
設(shè)計試制好的車輛其整車尺寸為 2 550 mm 1 300 mm1 800mm（長寬高）；電機(jī)種類為無刷直流電機(jī)；電機(jī)功率為 750W；最高車速為 40km/h；蓄電池采用 48V40Ah鉛酸免維護(hù)電池 ；凈質(zhì)量為 220 kg ；最大行駛距離為 60 km。
四輪代步車車架形狀如圖 4所示。裝配好的實物如圖 5所示。
圖 4太陽能四輪代步車車架形狀 圖 5 太陽能四輪代步車實物
在車身兩側(cè)可以安裝太陽能板[11]，但車身側(cè)面安裝太陽能板會受自身陰影影響，需要時常改變車輛方向才能采光。車頂采用伸縮機(jī)構(gòu)[12] 或車頂兩側(cè)吊掛太陽能板，但此舉會增加車頂重量，影響車輛的安全性。綜合考慮性價比、安全性、可靠性、方便性這些因素，未做此項實驗。
4 太陽能四輪代步車的測試與優(yōu)缺點
將組裝好的太陽能四輪電動車做了簡單測試，試驗其電機(jī)驅(qū)動力、轉(zhuǎn)向靈活性及剎車性能。由于條件所限，這些性能未做專業(yè)測試，僅做了簡單實驗。采用人車拔河的方式測試車輛的驅(qū)動力，發(fā)現(xiàn)車輛的驅(qū)動力介于一人到兩人力量之間。轉(zhuǎn)向和制動則是與三輪車比較，四輪車總體感覺比三輪車的舒適性好。
隨后對車輛的充放電性能進(jìn)行測試，平均日照一天，可以行使 20 km 以上；日照兩天，可以行使 40 km 以上。證明依靠累積儲存太陽能的方案是可行的，有使用價值。
太陽能四輪代步車由于采用鋼管焊接、框架結(jié)構(gòu)，可以很好地保證駕乘者的安全，和三輪車相比這是最大的優(yōu)點。
但在此次試驗中，鋼管焊接車體時只考慮了安裝太陽能電池板和懸掛裝置，未做模型分析和力學(xué)試驗 [13]，導(dǎo)致車體過重，因此在該方面還有優(yōu)化的空間。
太陽能四輪代步車樣車車頂安裝普通平面的太陽能電池板，車輛四周未密封，影響了車輛美觀，后續(xù)仍需美化設(shè)計。
5 結(jié) 語
綜合太陽能三輪代步車和四輪代步車試制過程，有如下幾點體會：
(1) 由于車頂不可能安裝大功率的太陽能板，只有將電能累積儲存才可用于驅(qū)動電動車。少量使用太陽能直接驅(qū)動的車輛僅限于比賽用車，由于面積太大不能產(chǎn)品化到大眾使用。
(2) 太陽能電動車在只使用太陽能的情況下，適合近距離出行代步，如在實驗測得的 20km范圍內(nèi)運(yùn)行。增加蓄電池和車輛停放時間則另當(dāng)別論。
(3) 由于空氣阻力原因和蓄電池儲存能量有限，太陽能電動車只適合設(shè)計成低速行駛車輛，速度宜小于 40km/h，不能追求轎車般的高速性和舒適性。
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