太阳能汽车电源系统设计

内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 学校代码： 10128学 号： 201420306059 本科毕业设计说明书（题 目： 太阳能汽车电源系统设计学生姓名：学 院：能源与动力工程学院系 别：交通运输系专 业：车辆工程班 级：车辆14-2指导教师： 副教授二 一 5 六 月摘 要 随着全球石油资源的短缺以及大气污染现状的发展，在汽车领域，正处在内燃机驱动向电力等新能源驱动方式的变革中，而太阳能汽车作为电动汽车中的新秀，以及它在环保与续航能力兼得的优势，在未来新能源汽车领域的发展中有着良好的前景。在电动汽车全车各个系统中，电源系统起着重要作用，它需要对能量进行控制与整合，最大限度的使太阳能汽车高效运转。其动力与控制所需的能源来源于太阳能电池阵列与动力电池部分，电源系统的任务是将对这些能源向电力驱动系统与辅助系统合理分配，来使太阳能汽车稳定运行，满足其行驶的动力和其他驾驶要求。关键词：太阳能汽车；电源系统；逆变电路 Abstract As the global shortage of oil resources and the development of the atmospheric pollution status quo, in the automotive field, are in internal combustion engine drive change in the way to the power and other new energy, and solar car as a rookie in the electric car and its environmental protection and life have the advantage of developing in the field of new energy vehicles in the future has a good prospect. In each system, the electric car of whole vehicle power system plays an important role, it needs to control and energy integration, and maximum keep the efficient operation of solar car. The power and control the required energy from solar arrays and power battery parts, task of power system is the energy to the electric drive system and auxiliary system reasonable allocation, to make the solar car and stable operation, can satisfy the demands of the driving power and other driving. The design of solar car analyzes the composition and structure of the power system, and the preliminary electrical power system and circuit design, determine appropriate electrical devices, mainly include electric drive and control system. Basic parts of electric drive and control system with ac motor power, inverter device, the power of solar cell array and power of battery parameters design. Outside, and complete vehicle electric drive system of electrical and electronic automotive auxiliary system circuit design, circuit diagram drawing, complete vehicles and the main technical parameters, power supply systems design to meet performance requirements of the vehicle on the road. Key words: solar car; power supply system; inverter circuit目 录第一章 绪论11.1研究背景11.2太阳能汽车国内外发展现状11.3研究意义21.4研究内容2第二章 太阳能汽车相关概念与理论32.1太阳能汽车概述32.2电力驱动系统32.3汽车电路原理42.4本章小结4第三章 电源系统的整体设计53.1电力驱动系统设计53.1.1电动机的选择53.1.2逆变器的选择63.2汽车辅助系统设计83.2.1转向系统83.2.2制动系统93.2.3空调系统93.2.4照明与信号系统103.3供能系统设计103.3.1蓄电池参数选择103.3.2太阳能电池阵列参数的选择123.4本章小结12第四章 太阳能汽车电源系统结构设计与校核134.1电源系统电路结构设计134.2全车电源系统电路设计134.3主要参数校核144.4本章小结15第五章 结论16参考文献17致谢19内蒙古工业大学本科毕业设计说明书第一章 绪论1.1研究背景从二十一世纪开始，人们越来越注重能源问题以及大气污染等环境问题。从大工业时代开始到现在有200多年的时间，人类对化石能源大量使用，尤其是内燃机汽车的发明，加剧了汽油与柴油的消耗，人类使用了地球过半的石油储量。并且以当前的石油使用情况来看，百年以内，将会没有燃油可用。不仅如此，由于石油资源的使用，对环境产生了一系列不良影响，比如内燃机产生的尾气造成大气污染，进一步加剧雾霾的本解决目前人类面对的资源环境问题。1.2太阳能汽车国内外发展现状 目前，实际制造出来的太阳能汽车在速度方面比传统汽车要低，同时消耗的能量也少。实验型的太阳能汽车发明于英国并于七八十年代进行了道路试验，初步验证了这种新能源汽车67km的行驶速度，并且总共行驶里程达到三千千米，从此太阳能汽车得到初步发展。在二十一世纪初，在国际太阳能汽车挑战赛中，参赛的太阳能汽车中最快达到了时速170km的行驶速度，告别了低速时代。太阳能汽车进入商业化是在2007年，由瑞士的汽车工程师设计制造的实用型太阳能汽车进行为落后，我国的第一辆太阳能汽车行驶里程达到一百公里，行驶速度只能达到每小时二十公里。之后于1996年，我国制造的追日号太阳能汽车有了新的突破，它的行驶速度达到了时速80公里。从此，太阳能汽车技术逐渐成熟，开始了快速的发展并向大批量生产努力。1.3研究意义 常规采用热力发动机的汽车对自然环境的影响愈发巨大，以及原油储量即将车的充电装置，依靠自身发电设备，就能够上路行驶，众所周知的是其无法避免的弊端也同样制约了太阳能汽车的发展，最大的原因就是光能在单位面积的能量辐射并不大，并且太阳能板的发电效率存在瓶颈、车辆动力性能不易提升。所以在此基础上此文就是为了设计出一个太阳能汽车电源系统，保证其速度与续航里程的技术要求。由于太阳能为清洁能源，因此设计和研究其电源系统对我们解决能源问题、环境破坏有重大而现实的意义。1.4研究内容（1）首先对太阳能汽车对电源系统中的动力以及供能系统进行研究计算，从太阳能电池、插入式充电、动力电池、交流电动机和逆变装置几个方面进行合理的匹配与设计，完成太阳能汽车满足里程等参数要求的设计计算。主保存，逆变器通过加速踏板传感器信号从蓄电池获取电能，将来自动力电池的电称为汽车辅助系统包括转向、制动、空调、照明等部分进行负载的选择与电路图绘制。其中汽车空调由蓄电池驱动，电能经逆变电路为汽车空调压缩机提供电能，作时由电动机提供辅助扭矩，由芯片接收传感器信号，对转向器助力幅度以要助力时启动该系统。在电子制动系统中，制动器与制动踏板由电路连接，由控制系统控制制动力的大小并且对每个轮子制动力进行合理分配，产生防抱死以及防侧滑的制动效果。第二章 太阳能汽车相关概念与理论2.1太阳能汽车概述 太阳能汽车是一种以太阳能发电阵列为能量来源，把来自阳光的能源转化与整合输送到汽车动力系统，为汽车行驶提供能量来源的车辆。不产生污染，不消耗化石能源，在今后有着极大的发展潜力。它的结构组成主要包括能量系统，即太阳能板和动力汽车存在三个优点，第一点是节约能源，其本质是一种电动汽车，相比传统内燃机汽车不存在怠速运转，避免了不需做功场合的浪费，加速踏板直接控制电动机的启动和停止，而且在汽车减速时，它的驱动电机将充当发电装置为动力电池供能储存。第二点是可以充分改善对能量的机械转化率。根据卡诺循环定律，内燃机仅有大约30%的效率用于做功，在热能和发动机本身机械摩擦方面浪费了大量能源，而电动机结构简单，转子与定子之间没有机械接触，热损失以及机械损失相对于有用功仅占很小的份额。第三点是它的环保方面，不产生有害气体，不产生超标噪声，几乎能够达到零污染。2.2电力驱动系统 电力驱动系统宏观上由三部分构成，有提供动力的驱动电机，改变电路功率与方向的逆变器和ECU交流电压与频率并输送至电动机，产生动能驱动汽车行驶，逆变器的工作过程是将蓄电池储存的电能改变成可以变频的交流电，驱动三相电动机使其高效稳定工作。而ECU是综合全车各个系统以及驾驶员的操控，对传感器数据进行分析计算，将满足需要的供电模式方案传递到逆变器。除驱动汽车行驶功能以外，电力驱动系统还兼备能车是一个弹性的振动整体，同时也面对着严峻的工作环境，所以电驱动系统的可靠性是极其重要的部分，市场上主流的永磁同步电动机以及其控制部分的性能较高，其工作可靠性以及工作效率具有更大的优势，在市场上已经成为电动汽车行业的主流驱动电动机。2.3汽车电路原理汽车电路图表达了汽车电路的基本原理与构成，汽车的电气系统部分与电子控制模块都在汽车电路图中得以体现。汽车的电路都是由两个方面构成，一是能源，二是用电器。根据器系统的运行状况特点和原理在图中表现出来。汽车线路图则相反，它表现了各个用电器的布置方位乃至他们的形状规格，相比原理图，它的图形比较难以分辨，线路相对比较复杂。第三种是线束图，这种电路图把方向走位相同和临近的线路合装成一个整体，主要目的是体现各个导线的布局和用电器的方位布局。2.4本章小结 太阳能汽车为新能源汽车，其理论基础相对内燃机汽车和纯电动汽车不够完善，需以较为完善的传统汽车的相关概念理论作为基础展开研究设计，新型太阳能汽车和传统电路需根据传统内燃机汽车的电路国家标准展开研究，完成对太阳能汽车电源系统的电路设计。第三章 电源系统的整体设计 太阳能汽车的电源系统大体上涵盖下列几个系统：首先是电力驱动系统，驱动电机和逆变器是汽要任务。接下来是动力电池和光伏电池的参数设计，三个部分的优良匹配对太阳能汽车的可靠运转和高效行驶起到及其重要的作用。3.1电力驱动系统设计 根据市场上各个品牌的纯电动汽车排名情况，选择了一款主流外形为基础车身进行本节设计，其车身参数如表3-1。表3-1车身参数汽车型号北汽EU260车长（mm）4582车宽（mm）1794车高（mm）1515整备质量（kg）800前轮胎规格205/60 R16后轮胎规格205/60 R163.1.1电动机的选择 首先，驱动电机应具有足够的可靠性，能够在温度较高与高湿度环境中稳定运行，同时需要长时间在苛刻条件中运转，保证不被烧毁或出现其他故障。其次输入到汽车驱动电机的是高压电，提高其工作效率与电功率。而且要求电动机在零转速开始运行时可以提供给传能源。在使用期间应确保驱动电机模块具有足够的安全性，防止高电压的泄露造成危害。 驱动电机具有多种形式，根据运行方式分为如表3-2几种驱动电机。电动机交流电动机直流电动机同步电动机异步电动机永磁同步励磁同步单相异步三相异步表3-2电动机类型由于直流电动机具有电刷和换向器结构，在工作时易产生打火现象，从而导致安全性不足，而且电刷寿命较短，难以保证汽车驱动系统的质量要求，因此不考虑使用此电动机。在交流电动机的四种类型中，由于励磁同步电动机需要向电枢绕组中通入额外直流电源，来建立转子磁场使电动机运转，从而导致额外的能源消耗，故排除使用。由于单相异步电动机的特性为功率低，多用于小型家电的驱动，因此排除。从电动机机械特性以及市场需求上看，电动汽车主流使用的驱动电机是永磁同步电动机异步电动机的控制更加复杂，成本也更高。故本设计采用永磁同步三相交流电动机。 本设计太阳能汽车驱动电机额定功率由最高行驶速度决定，根据公式： （3-1）根据电动汽车传动系统布置采用双级减速主减速器，其传动效率取92%，汽车整备质量800kg，在条件较好的沥青道路上，滚动阻力系数f取值0.015。为汽车的空气阻力系数，典型的乘尺寸参数，迎风面积为车宽与车高的乘积，取值2.71791，最大行驶速度根据设计要求不高于60km/h，取值60km/h。计算得 （3-2）即本设计太阳能汽车驱动电机经计算得出其额定功率为2.56kw。3.1.2逆变器的选择逆变器是永磁同步电动机驱动中的重要组成部分，由它为驱动电机提供交流电能。太阳能汽车的电池板动机充当发电机，产生交流电，由逆变器整流输出直流电到蓄电池保存。驱动逆变器采用碳化硅场效应晶体管结构形式。其内部主电路如下图3-1。图3-1 逆变器主电路电路接入是电动汽车母线电压，经逆变器整流的输出交流电，PMSM即本文采用的永磁同步交流电动机。其能量损耗一般包括导通功率损耗和开关功率损耗。（1）导通功率损失碳化硅场效应晶体管即功率元器件，向内部通入电流，根据其自身的特点与性质，在晶体管两侧出现电压下降的现象，这一物理现象就导致了功率损失的情况发生。并针对这种功率损失运算可得到每一个碳化硅场效应晶体管在每一个通断周期里的导通时长，并根据导通情况即可得出损失功率。因为输出是正弦波形，总损耗根据积分求出，根据总的能量损耗以及波形周期，就可得出该逆变电路的功率损失P。其功率损失由下式求出： （3-3）P是每个晶体管的损失功率，T是正弦基波周期，R是碳化硅场效应晶体管导通电阻，是通过元器件的电流。 然而在对逆变电路进行功率损失分析时，因为相对于开关频率而言，正弦基波频率极小，所以通过元件的电流于一个开关周期里可以认为是不变的。所以上述公式的求能够转变成离散形式进行计算。即根据公式： （3-4）P为损失功率，T是正弦基波周期，是开关周期，N是调制比，即基波周期与开关周期的比值，是此元件在开关周期为k时的电流值，是在开关周期为k时所产生的导通占空比。 半导体元器件的导通电阻可根据其特性参数得出，根据导通电阻数值可以利用上式求出每个元器件的损失功率，之后用下列公式得出三相晶体管的总共损失功率： (3-5)P是所有晶体管的损失功耗，是每个晶体管的损失功耗。（2）开关功率损失 开关功率损失中，晶体管开通功率损失和关断功率损失两部分加和计算，每条电路电流的流向不管怎样变导体内部不断换流，每次晶体管电路的开关都将发生功率的损失，因此单相开关功率损失用下列公式得出： （3-6）是根据相关数据参数得到的电压条件，则总共开关功率损失是单相功率损失的三倍。 通过对两种功率损失的分析，本设计选取碳化硅场效应晶体管逆变器能够产生3千瓦的额定功率，其峰值功率为6千瓦。根据以上公式，代入逆变器驱动电动机最大功率输出时的数据，每相晶体管功率损失为21W,则该逆变器总损失63W。3.2汽车辅助系统设计3.2.1转向系统本太阳能电动汽车使用电动助力辅助转向系统，相比气动与液力转向系统，此种布置形式的优势更加突出，它使汽车助力转向机构更加简捷和易于操控，不产生环境污染。在市场的抵抗由于道路颠簸而产生的冲击。因ESP的独特驱动方式，可以在当驾驶员发出转动方向盘动作的时刻启动，所以在其待机状态可为汽车节约电能4%左右。电子电气部分主要由转矩传感器和电动机构成。通过传感装置感应驾驶者使用方向盘施加的力矩，通过控制装置将反馈信息输送至执行机构电路，由电动机产生转矩输入到转向机构，数关系到整个汽车的行驶性能，设计时需要将电动助力转向系统与全车其他部分综合搭配，来使全车各个零部件拥有最佳性能配合。本文采用兆威机电生产的电动转向系统，其技术参数为标称电压12V，转速范围10-2000转，功率范围1-50W。3.2.2制动系统 采用电子制动系统，由ECU整合来自制动踏板的信息，将制动信息输送到制动器实现汽车的停止与减速，并同时接收来自车轮的运行状态信息，判断其抱死与滑动现象的发生，反馈给车态，就可以达到刹车防抱死以及防侧滑的功能，制动力来源于电动机，根据汽车的实际使用需要以及制动器使用参数，鼓式制动器需达到100w动作功率，并且采用42v电压供电。3.2.3空调系统汽车空调有较为严格的设计要求，汽车作为一个独立的整体，大部分时间都在室外炎热或者寒冷的条好的可靠性。以抵抗车厢内的温度湿度等环境变化和在汽车的持续振动中稳定运行。与内燃机汽车不同，在夏季，电力驱动汽车没有发动机作为空调的能量来源，同时在冬季也没有发动机的冷却系统以及排气系统为车厢提供热能，因此空调制冷系统的蒸发气压缩机使用电力驱动，由动力电池供能至配电盒，经功率变换电路整流，采用直流无刷电机驱动，此类型电机能够充分提热能，通过风机，输送至车厢。制冷系统采取强科模具机械厂的空调系统，额定功率600W,制热系统PTC加热器功率500W.3.2.4照明与信号系统 汽车前照灯中灯泡为主要能源消耗元件，其性能优劣关系到在晚上驾驶的安全性，需要符供足够的光照条件，车辆前方百米内的路况能够被观察到其基本形式为白炽灯，从辅助电池获得电能，单只功率选取40W,共两只。信号灯分为三种类型，转向灯、倒车灯以及制动灯共同为他车提供预警信息。转向灯的功用为提前提示其他车辆本车的行驶方向，指示汽车的转向动作，其能量直接来源于汽供警示作用。倒车灯在汽车倒车时，产生灯光信号，提示车后人员以及车辆，避免发生危险事故。信号灯采用统一规格：12V、10W。3.3供能系统设计3.3.1蓄电池参数选择 在太阳能汽车中蓄电池处于连接太阳能电池板与电动机的中间部分，用来缓冲与存储能量，其动力系统对蓄电池有着以下具体要求，首先能够适应太阳能电池不定时不定量地对其进行充电，在充电时也具备放电能力，满足太阳能汽车在行车时进行充电的要求。为达自身特性可知，该类型电池有几个缺陷，其一是单位体积所含电能较少，即导致为满足续航要求不得不加大电池体积，加重汽车的整备质量。其二是对其充电时，只能采取小电流充电，对于用户的即时续航要求不能较好的满足。然而该类型电池的造价相对于锂电池等非常低，技术成熟，安全性高，放电深度也较为理想。因本设计汽车主要采用太阳能充电，对快充性能要求不高，所以本文采用铅蓄电池即可满足设计要求并满足生产经济性。根据前文所得数据，得出设计蓄电池参数所需数据表3-3表3-3 蓄电池设计所需数据类别数值设计要求续航里程200km最大速度60km/h电动机额定功率2.56kw逆变器功率损失63W灯光系统前照灯功率40W(2)倒车灯功率10W转向灯功率10W(4)制动灯功率10W(2)转向系统总功率50W空调系统总功率600W制动系统总功率100W 根据设计任务书，本设计太阳能汽车行驶里程应达到200km。以设计要求的最高车速60km/h行驶时,需要时间： (3-7)解得 根据公式 （3-8）解得 若使本设计保持60km/h车速行驶200km，动力电池需向驱动电动机输送8.525kwh的能量。加减速消耗了部分能量，需额外增加蓄电池储备能量10%，即总共输入电动机能量为9.38kwh 。 除电动机部分，蓄电池还需为其余各个系统供电，在200km，3.33h的行驶过程中，假设用电器全部以最大负荷工作，即除电动机以外的总功率为0.963kw,能量总共消耗为： （3-9）即汽车行驶全程共需能量12.58kwh， 蓄电池有效容量取13kwh。 3.3.2太阳能电池阵列参数的选择 太阳能电池是太阳能汽车重要的能量来源，其容量取决于蓄电池容量及充电控制设备的性能参数，本设计太阳能电池阵列发电量根据下列公式求出： (3-10)求得 是动力电池的充电效率，取90%，是太阳能控制器的能量转化效率，同取90%。太阳能汽车由于要使用光伏发电装置需要为全车供能，满足性能要求，其发电材料采用单晶硅电池板，其汽车俯视图面积为8.22平方米，其实际可为电池板铺设面积取6.72平方米。以北京光照持续时间作为参考，每天可接受阳光辐射的时长是7小时40分钟。因此每日光伏电池阵列产生电能为： 3-11）即本太阳能电池板每日可发电12.98kwh。在汽车行驶200km的过程中，太阳能仍然在对汽车进行充电，因此需叠加行驶过程中的发电量，即 （3-12）即汽车行驶前与行驶中共发电18.61kwh，高于汽车行驶所需16.05kwh的消耗能量。 考虑存在阴天等无光照情况，太阳能电池板不能为汽车供能，因此添加插电式充电模块，以满足在各种条件下的驾驶需要。3.4本章小结 本节对太阳能汽车各个系统参数进行了设计计算与形式选择，完成了根据设计要求参数计算电力驱动系统和汽蓄电池以及太阳能电池板的容量功率匹配，得出一套合理的汽车电源系统的配置参数。第四章 电源系统结构设计与校核4.1电源系统电路结构设计 本设计太阳能汽车动力系统采取间接驱动形式，即太阳能电池不将发电能量直接输送至逆变器对电动机进行驱动，而是将光伏所得电量经充电控制器输送至蓄电池保存，逆变器从蓄电池获取，把较高电压的电能转化至辅助蓄电池，向全车ECU和灯光仪表等模块提供能源。其电路结构设计如图4-1.图4-1 电源系统结构4.2全车电源系统电路设计 太阳能汽车电源系统由多个子系统组成，其中，动力系统作为主要部分，其余系统作为汽车辅助部分，为汽车行驶服务，其电路需连接到动力系统中的能源供给模块，即从号系统也由辅助电源供能。汽车辅助系统中，汽车空调、电子制动器和电子转向器均有高压配电盒分配电能，并经功率变换器驱动各个子系统的运转。本设计全车基本电路如图4-2。图4-2电源系统电路图4.3主要参数校核根据本设计太阳能电池板在测试过程中产生电能18.61kwh，则提供给蓄池电能可达： （4-1）将除驱动电机之外所耗能源除去，可得汽车用于驱动所剩余能量： （4-2）设计所得电能全部用于汽车续航，当驱动电动机保持在额定功率2.56kw，汽车以最大车速60km/h巡航时，驱动电机可持续运转时间： （4-3）续航里程 （4-4）满足设计参数要求。4.4本章小结 本章结合第三章驱动系统，能源系统以及辅助系统的设计结果，首先完成对太阳能汽车动力系统电路结构的设计，并以动力部分为主干，完成本太阳能汽车电源系统初步电路的整体设计。最后根据太阳能电池板发电量以及传递路线的效率和能量分支，对本文太阳能汽车的主要参数进行了校核，并且设计结果满足了设计参数要求。第五章 结论 本文对太阳能汽车电源系统进行了初步设计，分析太阳能汽车的主要特点，对电源系统主体部分，即动力系统进行了主要研究，采取了一种从太阳能电池板到蓄电池到逆变器再到电动机，以及从电动机反向发电至蓄电池的电能流动路线，以汽车最大行驶速度为基础，首先完成电动机功率的分析计算，之后针对逆变电路的能耗展开了研究和计算，结合辅助系统能耗，计算得出蓄电池容量的合理取值，最后根据蓄电池容量和车身尺寸参数可铺设电池板面积，得出满足条件的光伏电池板总共需要的发电功率。 主要结果显示，永磁同步交流电动机额定功率取2.56kw，蓄电池容量13kwh，光伏电池板采用单晶硅型号，单位面积取0.27kw的转换功率。通过校核续航里程，可以看出，该太阳能汽车完全可以供人们日常驾驶。 本设计阐述了太阳能汽车投产使用的可行性，其续航里程以及行驶速度可以满足人们的出行需要，而且其采用可再生能源，无需加注燃油，将会大大节约出行成本。并且太阳能汽车不产生环境污染的优越性是其他能源车辆无法比拟的。本文可为新能源车辆的研究设计和制造提供部分参考，当太阳能汽车相关技术更加成熟，未来将会称为主流交通工具。参考文献1 孟宝.汽车可折叠式太阳能板追光系统的设计与研究D.吉林大学硕士学位论文.20172 杨文兴.纯电动汽车动力系统匹配设计与仿真研究D.兰州理工大学硕士学位论文.20143 黄万友.纯电动汽车动力总成系统匹配技术研究D.山东大学博士学位论文.20124 郝美超.纯电动汽车复合电源系统能量管理仿真研究D.添加理工大学硕士学位论文.20155 杨文兴.纯电动汽车动力系统匹配设计与仿真研究D.兰州理工大学硕士学位论文.20146 刘秀田.电动汽车复合电源储能系统设计及实验研究D.华南理工大学硕士学位论文.20167 刘超.电动汽车驱动逆变器的设计D.浙江大学硕士学位论文.20178 刘杰，朱元.电动汽车逆变器功率损耗计算D. 电子世界.2014，13：97-989 张龙. 电动助力转向(EPS)技术研究J. 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