（光学工程专业论文）太阳能电动车模型设计.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 中国占有全世界五分之一的汽车市场 经过十五年的时间 中国成为全球汽 车需求量最大的国家 可是汽车保有量的增加给人类生存环境带来了一些严重的 危害 例如环境污染和能源消耗过大 因此世界各国把清洁 环保的新能源汽车 作为汽车方面的首要研发内容 我国也把开发新能源汽车作为十二五期间重要的 发展战略之一 从而在新能源的开发和利用上涌现出了太阳能电动车 本文在太阳能电动车理论基础上建立了三维车身模型 利用f l u e n t 软件对不 同车身模型的阻力特性进行了研究 并对太阳能电动车的行驶控制系统进行了仿 真分析 主要工作内容如下 1 设计了太阳能电动车车身 底盘 采用p r o e n g i n e e r 软件 建立了完整 的太阳能电动车三维模型 2 利用f 1 u e n t 软件对太阳能电动车车身模型在水平路面的行驶过程进行了数 值计算 研究了太阳能电动车的阻力特性 并针对车身存在的设计缺陷设计了新 的车身模型 完善了外形结构 对改进前 后车身模型的仿真结果进行了分析 结果表明改进后的车身模型降低了风阻系数 更加符合环保 经济的设计原则 3 研究了太阳能电动车的行驶控制系统 利用m a t l a b s i m u l i n k 软件建 立了控制模型 分别对采用p i d 控制的行驶系统和采用自适应控制的行驶控制系 统的太阳能电动车行驶过程进行了仿真和对比分析 分析结果表明采用自适应控 制系统在节能效果上优于采用p 工d 控制系统 关键词 太阳能电动车 三维模型 f l u n e t p i d 自适应行驶控制系统 沈阳理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c 1 1 i n ah o l d so n e 矗f m so ft h ew o r l da u t o m o b i l em a r k e t s a r e r15y e a r s c l l i n ah a s b e c o m em el a r g e s tc o u n 仃yi na u t o m o b i l ed 锄a i l di nt l l eg l o b a l b u t l ei n c r e a s eo f a u t o m o b i l ep o s s e s s i o nb r o u 曲ts o m es 耐o u sh a n l lt oh 啪a i ls u r v i v a le n v i r o n m e n t s u c h a se n v i r o m n e n tp o l l u t i o na n do v e r l a r g ee n e r g yc o n s 眦p t i o n s oe v e r yc o u i i t l yi nt h e w o r l dt a k e st 1 1 ec l e a n e n v i r o n m e n t 衔e n d l ya 1 1 dn e we n e r g yv e l l i c l e sa st l l ep d m a r y r e s e a r c hc o n t e n ti nc a r s c l l i n aa l s ot 呔e sd e v e l o p i n gn e we n e r g yv e l l i c l e sa so n eo f 也e i i n p o r t a i l td e v e l o p m e n t s t r a t e 百e sd u 五n gm e 觚e 1 胁f i v e y e a rp l a l l m e r e f o r e s 0 1 a r v e l l i c l e sa p p e a ri nm ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no fn e w e n e r g y t 1 1 i sp a g eb u i l d st h e3 db o d ym o d e lb a s e do nm et 1 1 e o 巧o fs o l a rv e l l i c l e s t u d i e s t h er e s i s t a n c ep r o p e n i e so ft h ed i f f e r e n tb o d ym o d e l sb yf 1 u e n ts o 脚a r e a 1 1 da n a l y s e s m es i m u l a t i o nr e s u l t so fm ed r i v i n gc o n 拓0 1s y s t 锄o ft h es o l a re l e c 砸cv 枷c l e t 1 1 e m a i nc o n t e n t so fm ea r ea sf b l l o w s 1 d e s i 印i n gt h ec a rb o d ya n dc h a s s i s b u i l m n g 吐l ec o m p l e t e3 dm o d e l so fm e s o l a re l e c t r i cc a rb yp r o e n g i n e e rs o r w a r e 2 t h en l l l i 耐c a lc a l c u l a t i o no fm e 枷n g p r o c e s so nt h eh o r i z o n t a lr o a do fm e s o l a rv e l l i c l em o d e li sm a d eb yf l u e n ts o 脚a r e t h es o l a re l e c t r i cr e s i s t a l l c e c h a r a c t 谢s t i c sa r es t u d i e da 1 1 dt h en e wv e h j c l eb o d ym o d e li sd e s i 印e da c c o r d i n gt om e n a w so f 也eb o d yd e s i 印 a n dm ea p p e a r a n c es t r u c t u r ei si m p r 0 v e d t h es i mu l a t i o n r e s u l to fm eo r i 西n a lb o d ym o d e la n dm ei i n p r o v e db o d ym o d e la r ea n a l y z e d t h e s i i i m l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tm ei m p r 0 v e db o d ym o d e lr e d u c e st h ew i n dr e s i s t a n c e c o e f j e i c i e n t s 锄di ti sm o r ec o r r e s p o n d i n gw i t ht h ed e s i g np r i n c i p l e so fe n v i r o 姗e n t a l p r o t e c t i o na n de c o n o my 3 s t u d y i n gm e 幽v i n gc o n t m ls y s t e mo fs o l a u r e l e c t r i cv e h i c l e b u i l d i n gt h e c o l l t r 0 1 l i n g m o d e l b ym a t l a b s i m u l i n ks o 脚a r e a 1 1 d t h e v i n gs y s t e m c o i 衄0 1 1 e d b yp i d锄d t 1 1 ed r i 访n gs y s t 锄c o n t l 的1 l e db ya d a p t i v em a n n e ra r e r e s p e c t i v e l ys i m u l a t e da n dc o n 妇s t i v e l ya i l a l y z e d t h e 锄a l y s i sr e s u l ts h o w st h a tt h e c o n 扛o l l i n gs y s t e mb yp i di ss u p e r i o rt om ec o n 仃o l l i n gs y s t e mb ya d a p t i v em 粕n e ri n e n e r g ys a v i n g k e yw o r d s s o l a rc a r 3 dm o d e l f l u e n t p i d a d a p t i v e 嘶v i n gc o n 仃o l i i n gs y s t 锄 第1 章绪论 第1 章绪论 随着科学技术的进步和人们物质生活水平的不断提高 汽车保有量日益增加 传统的汽车给人们带来出行方便的同时 也带来了负面的影响 因为传统的汽车 是以汽油或柴油为汽车提供动力 由于地球的石油资源是有限的 而汽车的尾气 排放到空气中对人类产生巨大危害 因此世界各国把环境和能源作为首要的问题 环境问题就是空气污染 而空气污染近一半是来自汽车排放的有害气体 能源问 题主要是世界上的大部分汽车都是以石油为驱动力 世界石油资源是有限的 因 此人类将要面临能源危机 解决环境和能源问题首先是提高汽车发动机的燃烧效 率和排放尾气标准 其次开发新型可用能源作为汽车动力源 1 1 而开发新型可用能 源是最行之有效的方法 目前已经投入使用的电动车和正在开发的混合动力汽车 正逐渐替代传统汽车 它们的使用标志着人类在开发新型可用能源已取得重大成 果 而同时每年世界各个国家举行的太阳能汽车比赛 证明了太阳能在汽车上应 用以成为现实 因为太阳能能源丰富 用之不竭和环保 2 所以全世界各个国家把 太阳能汽车的开发放在首位 1 1 本文研究的背景及意义 1 1 1 研究背景 汽车作为人类交通工具之一 给人类带来便利同时 也随之带来负面的影响 伴随着经济的发展 汽车的发展速度更快 其负面的影响表现的更为明显 汽车 的保有量的增加 导致所需要的燃油量就越多 本国石油在供求上出现了供不应 求 迫使从很多国家纷纷进口 导致很多国家的石油价格飞速上涨 人类陆地上 大部分交通工具所用的动能都是汽油或者柴油燃烧产生的 而它们都是从石油中 提炼出来的石油制品 全世界汽车的保有量逐年上涨 汽车工业的发展将要受到 石油制品的制约 空气中的污染物体大部分是传统汽车排放的尾气 这些污染物严 重的危害了人类生存的环境 导致全球变暖和天气变化异常 在面对能源短缺和 环境恶化这样严重的问题下 世界各国纷纷对汽车制造商制定了相应的法律 各 沈阳理工入学硕士学位论文 国以把在新能源的领域开发放在首位 汽车尾气排放的法律法规 欧洲的一些发达国家分别出台并颁发汽车尾气排 放法规 并且越来越严格 在法律法规的驱动下更促进了汽车向发动机燃烧燃料 充分 尾气污染逐渐减少 环境污染小等 把它作为发展目标 自从1 9 9 2 年开始 颁发欧洲i 号到现在近二十年先后颁布五次排放标准 欧盟实行的汽车尾气排放标 准如表1 1 除了二氧化碳以外还对其它气体在排放受到了限制 并且欧盟在2 0 0 8 年颁发并执行了欧 汽车尾气排放标准 这更促使一些全球顶级发动机设计开发 部门加速发动机的更新速度 宝马发动机n 5 3 在2 0 0 6 其排放远远低于排放标准 为了进一步降低排放标准在2 0 1 0 年设计的直列四缸n 2 0 发动机其c o 为0 6 但是发动机无论怎么改进依然离不开汽油和柴油 目前 宝马制定出进五年 的计划开发新能源汽车 其太阳能汽车是首选 而我国已经实行欧i i i 尾气排放标 准 在十二五期间预计能与欧盟所制定排放标准达成一致 3 表1 1 欧洲轻型汽车排放标准 c d g 枷一1 3 1 6 旧七 晷o n o fg 酊1 x 日c g 砌一1 1 1 3 o 0 0 5 o o 0 0 1 5 0 0 2 0 9 0 o 0 6 0 0 9 一个国家汽车业的发展代表着这个国家的工业水平 德国作为工业发达国家 它的汽车工业水平排在全球前列 目前 宝马和奔驰公司纷纷前来中国开办工厂 建立生产线 把先进的汽车工业本土化 增加其年销售量 宝马以每年在中国销 售四十万辆为目标 全世界所有的汽车厂都看中了中国销售市场 都来生产且销 售 还有中国本土的汽车 据不完全统计 每年在中国要销售数千万车辆 汽车 的保有量在剧增 而每年汽车将要燃烧石油数亿吨 如果这些燃料没有充分燃烧 排放到空气中 就产生严重污染 导致全球变暖和气候异常 同时伴随着能源的 不断紧缺 为了保护我们人类的生存环境 开发新型能源是解决环境污染和石油 第1 蕈绪论 短缺的最好办法 近几年人类在开发新能源汽车上已取得很大的成就 从混合动 力汽车和燃料汽车到电动汽车 充分说明人们正在研制新能源汽车来取代传统汽 车 人类在不断探索和研究中发现了太阳能的资源丰富 无污染 环保且用之不 完等优点 并随着光伏技术转换率的提高 全世界都在研究太阳能汽车 这为太 阳能汽车领域的发展开辟了崭新的篇章 4 5 表1 2 各种能源汽车性能比较 1 1 2 研究意义 传统汽车所用的燃料是汽油或柴油 而汽油和柴油是从石油提炼出来 石油 的资源是由限的 汽车的保有量的迅速增加至使石油资源不断在减少 汽车发动 机将燃烧的燃料一部分转化为动力 另一部分却没完全燃烧排放到空气中 形成 了空气污染破坏了原有的自然世界 造成现有的环境恶化 气温异常和资源缺乏 为了应对这些问题各国研究了 3 所用的能源是石油和电的混合动力汽车 而且主 要的动力仍然是汽油或柴油燃烧后转化的 以氢气燃烧后转化动力的燃料电池 以充电为主的纯电动车和干净 无污染的太阳能电动车 从1 2 图可以对比太阳能 电动车的优点超过以其它能源为燃料的汽车 太阳能电动车之所以被视为未来 绿色汽车 因为太阳能的资源丰富且无限 所以是取代传统汽车能源的最好能源 太阳能应用于汽车上具有没有废气排放 无噪音 对人类生存的自然生态环境无影响 同时整车结构比传统汽车结构简单 没有发动机 是现阶段噪声最小的交通工具 归纳总结 太阳能电动车有如下优 点 3 7 沈阳理工大学硕士学位论文 1 低噪音 无污染 太阳能电动车所用能量是阳光照射到太阳能电池板的化学 材料反应长生电流为电机或蓄电池充电 无需花费任何费用 无废气排放 由于 没用发动机行驶时产生噪声 机械系统传动噪声小 2 节能 太阳能电动车行驶时不需要任何石油燃料 而且能源可以回收利用 3 能源利用效率高 传统汽车所用发动机提供动力的 所以在的启动和减速制 动或停车时 及停车怠速时零部件的机械摩擦将会耗费部分能量 能量利用大大 降低了 太阳能电动车由于动力传动的部件数量相对少 能量在传递过程中没有 过多损耗 大大提高能源利用率 4 控制性能较好 太阳能电动车传动系主要是无刷直流电动机通过电流调节车 速 控制系统采用单片机技术控制 易于实现人机运动控制 5 易于驾驶 无需电子点火 只需踩踏加速踏板便可启动 利用控制器来控制 电机的电流或电压 从而实现其不同路况的行驶速度 6 太阳能电动车没有内燃机 离合器 变速箱 传动轴 散热器 排气管等零 部件 结构简单 制造难度降低 太阳能电动车基于这些优点 各个国家把太阳能电动车作为研究的主要对象 纷纷制定新能源发展战略目标 大力发展太阳能汽车 1 2 国内外太阳能电动车研究现状 1 2 1 国外研究现状 1 9 5 4 年 世界上第一块太阳能电池研制成功 为太阳能源的开发和利用书写 了新的新篇章 1 9 8 2 年澳大利亚人汉斯和帕金用玻璃纤维和铝制成了一部 静静的完成者 太 阳能汽车 车顶部装有能吸收太阳能的装置 给两个电池充电 电池再给发动机 提供电力 1 2 月1 9 日 两人驾驶着这辆车 从澳大利亚西海岸的珀思出发 横穿 澳大利亚大陆 于1 9 8 3 年1 月7 日到达东海岸的悉尼 实现了一次伟大的创举 1 9 8 4 年 在瑞士举行的世界首届电动汽车与太阳能车比赛 标志着太阳能作 为汽车的能源是可行的 1 9 8 7 年1 1 月 在澳大利亚举行的世界太阳能汽车拉力赛 来自7 个国家2 5 辆太阳能汽车参加比赛 赛程全长3 2 0 0 k m 几乎纵贯整个澳大利亚 在这次大赛 第l 章绪论 中 美国 圣雷易莎 号太阳能赛车历时4 4 小时5 4 分钟跑完全程 夺得了冠军 1 9 9 6 年芬兰研制太阳能三轮车 曲线型的太阳能板安装在车的后部 将太阳 能电池板转换能量储存在的蓄电池中 由2 5 0 w 的直流电动机向三轮车提供动力 行驶距离每小时2 5 公里 2 0 1 0 年加拿大马塞洛 用时1 0 年 花费进5 0 万美元制造出一款新型太阳能 汽车 他驾驶着自己研制的新型太阳能汽车 从加拿大到了美国洛杉矶 最后到 了中国 向人们展示他的杰作 宣传环境保护需要开发新能源汽车 安装在汽车 表面的这些小型太阳能电池板可以为这辆车提供所需的动力 在有阳光的日子里 这辆车行驶上百千米 而且只需要6 s 就能将车速从o 提高到5 0 h 1 1 1 最高车速可 达1 1 2 h 讹 该车特点是节能 环保 无噪音 不花费任何燃料费用 上述所用太阳能电池以单晶硅太阳能电池为主 一般使用公路作为比赛线路 而参与者主要是汽车公司 科研院所及大学 学生参赛队使用的太阳能电池的转 换效率一般在8 1 4 企业参赛队则在1 9 2 3 技术和资金充裕的队伍几乎 全部使用了m p p t 装置 这些太阳能赛事为太阳能汽车的发展提供了良好契机 同时也为各种新技术的开发和应用提供了一个良好的载体 1 2 2 国内研究现状 2 0 世纪7 0 年代初世界上出现的开发利用太阳能热潮 对我国的太阳能发展事 业也产生了巨大影响 一些由远见的科技人员纷纷投身太阳能事业 积极向政府 有关部门提建议 出书办刊 介绍国际上太阳能利用的新动态 并在农村推广应 用太阳灶 在城市研制开发太阳能热水器 空间用的太阳能也开始在地面上应用 1 9 7 5 年 河南安阳召开的 全国第一次太阳能利用工作经验交流大会 进一步推 动了我国太阳能事业的发展 这次会议的影响下 太阳能研究和推广工作纳入了 我国政府计划 获得了专项经费和物资支持 一些大学和科研院所纷纷设立太阳 能课题组和研究室 有的地方开始筹建太阳能研究所 目前 我国也兴起了开发 利用太阳能的热潮 这一时期 兴建太阳能并网发电和太阳能热水器利用 太阳 能开发利用研究出现前所未有的发展时期 具有以下特点 1 我国也开始积极参与太阳能汽车开发利用工作 并制定近期和长远 太阳能汽 车计划 政府支持力度大大加强 同时一些汽车生产厂研制太阳能电动观光车 这些太阳能观光车受到了高尔夫球场和一些房地产开发商青睐 在十二五期间我 沈阳理工大学硕士学位论文 国把发展太阳能作为首要任务 全国各地都能看到太阳能利用的设备 太阳能路 灯 汽车的太阳能天窗 太阳能热水器 太阳能汽车 2 改革开放以来人们的收入水平不断增加 一些太阳能汽车爱好者出资自己设 计太阳能电动车又掀起太阳能利用的新潮 从大学校园设计的太阳能电动车到个 人设计的太阳能电动车 2 0 世纪末到2 l 世纪初大学生和个人爱好者纷纷设计自己的太阳能电动车 这 些太阳能电动车均采用太阳能电池板和铅酸蓄电池作为动力源 清华大学学生自 己设计 制造的中国第一辆具有代表性的 追日 号太阳能电动车 同时参加了日本 能登国际太阳能汽车拉力赛以优异成绩获得第1 3 名 而大连大学学生设计 制造 的太阳能汽车时速最高达到12 0 b 讹 江苏太阳能汽车爱好者花了八年时间设计制造了两辆太阳能汽车 第一辆太阳 能汽车由6 平方米太阳板和5 组电瓶等材料制成太阳能汽车 据试验 该车正常 时速3 0 至8 0 公里 光照2 天可行驶1 2 0 1 5 0 公里 第二辆的太阳能汽车动力部 分由2 1 6 块太阳能电池片和2 4 组电瓶组成 充满电后可行驶2 5 0 多公里 太阳能 充一天电可行驶3 5 公里 时速5 0 6 0 公里 基于上述太阳能电动车的发展历程 太阳能电动车技术具有下列几方面的发展 趋势 1 目前为止 太阳电动车开发利用在拉力比赛上 一些风景区和高尔夫球场等 仅限于小批量生产 这些太阳能电动车行驶里程相对短 并没有在轿车上投 入生产 2 太阳能电动车车身和底盘 驾驶控制系统 电力系统 驱动系统等理论和应 用不成熟 不完善 3 太阳能电动车研发经费较高 尤其是光伏技术的研究耗资成本巨大 要想把 太阳能转换率从3 0 提高的更多需要做更多的实验和培养这方面的人才将是耗资 成本主要方面 1 2 2 太阳能电动车的主要技术 到目前为止 在汽车上应用太阳能技术主要有两个方面 1 作为驱动力 2 用作汽车辅助设备的能源 完全用太阳能作为驱动力代替传统燃油 是最 第1 章绪论 理想太阳能汽车 也是太阳能汽车研究领域的焦点 6 7 太阳能电动车主要是太阳能电池板将太阳能转化为电能的一种半导体材料 太阳能电池板在阳光的照射下产生的能量带动电子从一个半运动金属离子的一层 一到另一个层面 电子的运动产生了电力 太阳能电池通常分为硅电池 砷化镓 电池等 其中最常用的是硅太阳电池 因为硅太阳能电池能把1 0 1 5 的太阳能 转化成电能 既使用方便 晶球耐用 且很干净 不污染环境 是比较理想的一 种电源 只是光电转化率小一些 近年来 美国已研制成光电转化率大3 5 的高 性能太阳能电池 澳大利亚用激光技术制造成的太阳能电池 其光电转化率大 2 4 2 而且成本与柴油机发电相当 这些都为光电池在汽车上的应用开辟了广阔 的前景 3 车身和底盘技术 在设计太阳能电动车车身时要让阻力达到最小 而使太阳能与太阳光的接触 比达到最大值 且质量要尽量小 无论是传统汽车还是节能环保的新能源汽车都 必须考虑乘车的安全性 但安全系数尽量达到最高 在这些方面我们得到很多理 论作为支撑 如在车子的形状和尺寸上都得花费大量的时间进行是跑试验 进而 测出试图的到最佳的外形效果图 或是在p r o e n g i n e e r 三维建模及装配环境下 设计了太阳能电动车模型 然后通过c f d 软件f l u e n t 对其在水平路面的行驶过程 进行了数值仿真 对太阳能电动车的阻力特性进行了分析并针对车身存在的设计 缺陷进行了改进 完善了外形结构 降低了风阻系数 使其更加符合设计原则 太阳能电动车的底盘最主要要求是强度和安全度达到最佳 并且质量最小 每千克的质量都需要足够大的能量使其在路面上移动 这就意味着车子的质量应 该减到最小 这就是汽车底盘关键部分 因此 安全是一项基本的要求 底盘必 须具有严格的强度和安全系数要求 4 驱动器系统技术 太阳能电动车通常所使用的双线圈 高速线圈和低速线圈 交流无刷电机 这种 无刷电机由轻质量材料做成 在额定转速下达到较高的使用率 价格比普通有刷 电机贵 由于太阳能电动车传动系统的部件少 高速线圈起到了改便控制速度 频率作用 低速线圈作为太阳能电动车的启动和减速时增加传动力矩装置 5 储能蓄电池技术 沈阳理工大学硕士学位论文 蓄电池是一种最轻便的电力资源 蓄电池组就相当与普通汽车的油箱 太阳 能电动车使用的蓄电池组来储存电能 以便在必要时使用 太阳能汽车启动装置 控制着蓄电池组 但是当太阳能汽车开动后 是通过太阳能阵列提供能量 再充 到蓄电池组内 由于各中原因 大量的蓄电池作为能量被使用是有限 而大部分 蓄电池都是化学电池 如铅酸蓄电池 镍镉蓄电池 锂电池 锂聚合物电池等 镍镉 锂电池 锂聚合物电池比铅酸蓄电池可以远远提高蓄电能力 质量也比铅 酸蓄电池要小得多 但是它们很少在太阳能电动汽车广泛应用 主要是因为维护 不便 而且价格昂贵 6 能量管理系统 能量管理系统是太阳能电动车发展核心技术之一 它对其太阳能电动车的动 力性有着重要的意义 能量管理系统主要包括电池剩余容量 电池的充放电控制 由于各种情况下对应的能量消耗调整方法不同 能量有余的情况下加速电流增加 不足的情况下加速电流变小 转弯加速的情况下需要调整较长的惯性行驶时间 因此合理匹配及正确地使用与维护 不仅能大大提高电动汽车的续驶里程 而且 能提高电池的使用寿命 1 3 本文研究的主要内容 结合前面对太阳能电动车国内 外发展现状以及发展意义 分析了太阳能电 动车的基本组成 结构和原理 对太阳能电动车模型设计具体工作步骤如下 1 学习研究太阳能电动车的组成 结构和理论系统 2 阅读了大量的国内 外太阳能汽车设计 在p r o e n g i n e e r 三维软件环境 下设计了多款太阳能电动车模型 3 然后通过c f d 软件f l u e n t 对其在水平路面的行驶过程进行了数值仿真 对 太阳能电动车的阻力特性进行了分析并针对车身存在的设计缺陷进行了改进 完 善了外形结构 降低了风阻系数 使其更加符合环保 经济的设计原则 通过对 仿真试验结果的对比 验证了优化设计后的太阳能电动车车身外形的合理性 进 一步说明其设计的可行性 4 行驶系统的数学建模 对太阳能电动车行驶系统进行分析研究 通过m a t l a b s i m u l i n k 软件 对 第1 章绪论 p i d 行驶控制系统和白适应控制行驶系统分别建立仿真模型 并对所建立的仿真模 型进行调试 仿真 5 仿真曲线分析 仿真结果显示采用参考模型的自适应控制系统 无论从总体动态性能还上从 静态性能上都优于p i d 控制系统 基于自适应控制超调量大 调节时间短特点 能保证在不同的负重载荷和电池供电情况下 有效地提高电机的工作效率 调节 车速平稳输出 使车速按规定行驶 沈阳理工大学硕士学位论文 第2 章太阳能电动车原理及动力系统总方案 2 1 太阳能电动车基本原理 太阳能电动车的工作原理 1 如图所示2 1 图2 1 太阡1 能电动车基本原理 太阳能电池板将收集的太阳光和其它形式的光照射在太阳能电池板表面上 内部建立了电场变生产电流 峰值最大跟踪器将根据太阳能电动车行驶条件的需 要 将转化的电流传送到蓄电池 并贮存起来 也可以直接输送到电动机控制器 或是根据行驶的工况蓄电池和太阳能电池板将同时为电机提供电流 控制器控制 电流的大小来调节电机转速 并且通过传动系将动力传递给车轮 最终使太阳能 电动车行驶起来 太阳能电动车在晴天行驶时 开始运行阶段太阳光转化的电能 直接被传送到电动机控制系统 随着行驶时间的增加更多来自太阳能电池板的能 量将超过了电动机控制器系统的范围 在这种情况下 一部分提供给电机 额外 的那部分能量会被蓄电池储存起来供以后行驶需要 在阴天或是在雨天太阳光照 射在太阳能电池板上产生的能量不能驱动电动机时 被蓄电池储存的能量将用来 补充太阳能电池板那部分能量 使得太阳能电动车能正常行驶 满足行驶需求 当太阳能电动车停车不用时 此时太阳能电池板产生的能量被蓄电池储存起来 太阳能车在加速行驶或减速停车时 使用的机械制动并不象传统汽车那样 而是 第2 苹太阳能电动车原理及驱动系统总方案 通过对直流电动机的电流控制 使电动机转变成发电机 将其产生电流被蓄电池 存储 以便使用 在这种情况下使得电能回收利用 更充分有效利用太阳能 达 到节能 太阳能电动车通常安装太阳能最大功率跟踪装置 m p p t 而且在太阳能 电动车上的作用是控制所用的能量 使能量分配的更加合理 如图2 2 太阳能电动 车能量匹配图 兰竺 l 图2 2 太阳能电动车能量匹配图 2 1 1直流电机的驱动系统的总体布置 电动机驱动系统是太阳能电动车的最主要的核心部位 它的作用是在驾驶员 的控制下 高效的将太阳能电池板和蓄电池的能量根据太阳能电动车不同的的行 驶路况转化车轮上的力使得车辆能够行驶 2 1 1 1 太阳能电动车对电动机驱动系统的要求 1 0 1 电动机的转矩转速特性与太阳能电动车负载特性匹配满足要求 低速能传 递大转矩 高速能传递小转矩 2 电动机转矩的动态性能好 能平顺和迅速控制电动机的转速 适应太阳能 电动车启动 停车 加速和减速等各个工况需求 3 恒速 恒功率高和成本低 4 功率密度高 自身的质量和体积小 5 使用寿命长 能够在恶劣环境下可靠地工作 且能够承受高达几倍的过载 温度适应性强和维修方便 2 1 1 2 太阳能电动车的驱动电动机和调速控制系统 1 电动机的结构和类型 电动机的类型有两大类分别是永磁电动机和非永磁电动机 永磁电动机的转 子用永磁铁制成 因此这种电机不需要电刷 可靠性能高 其结构紧凑 质量小 沈阳理工大学硕士学位论文 性能好 同时也具有节能省电的优点 这种电机近几年广泛发展 非永磁电动机分为串激电机和并激电机 串激电机是将励磁线圈与激磁线圈 串联的电机 并激电机是将励磁线圈与激磁线圈并联的电机 两种电机各有优缺 点 2 调速控制系统 可控硅调速是最常见传统调速系统 优点是成本低 缺点是耗能大 控制精 度低 目前已经被i g b t 新型调速元件取代 可控硅由于成本低被应用在公共汽车 上 3 太阳能电动车传动系统的布置方案 1 4 太阳能电动车传动系统的布置方式有分为三种 其中各种所用传动件是不同 的 分别为 1 传统型驱动方式 2 减速驱动方式 3 独立驱动方式 传统型驱动方式就像普通汽车的发动机一样 将电动机布置在燃料发动机的 位置上 如图2 3 所示 机械变速器主要是为了提高启动和爬坡等工况的要求 后 差速 主减速器与传统汽车一样 优点是驾驶员操作方便 控制简单 但缺点是 传动线路长所以消耗能量高 噪音较大 整车质量重 行驶时速度低 行车距离 短 图2 3 传统驱动方式 减速驱动方式由于在传动系统上所用零部件减少 故此整车质量轻 驱动轻 便 但是控制性相对复杂 并且能量耗损相对减少 如图2 4 所示 图2 4 减速驱动方式 独立驱动方式在整个传动系统中传动部件最少 缩短了传动里程 减少了能 量传递的损耗 传递功率大 车辆质量最轻 在相同能量的前提下行驶距离最长 结构紧凑 但成本高 控制系统是核心的关键问题 图2 5 所示 第2 章太刚能电动车原理及驱动系统总方案 图2 5 独立驱动方式 2 1 1 3 典型的驱动电机类型及特性 1 2 1 6 1 直流电动机 直流电动机是有刷电动机 控制方式是最常见的斩波器控制 由于低速转矩高 高速时的转矩恒功率的不足特性 完全满足太阳能电动车行驶 时的需求 它可以通过脉宽调制控制方法来实现 从而实现直流电动机的变压调 速 直流电动机是太阳能电动车最常见的动力系统 它具有控制简单 启动加速 能力大 成本低和技术成熟等优点 缺点是电刷和换向器磨损后需经常换更 效 率低 电刷需要经常维护 使用不便 电刷和换向器的使用寿命限制了转速 最 终导致体积和质量变大 2 交流电机 被应用于各种交流电动机驱动系统中 尤其是最成熟最完善笼 式异步电动机的技术 应用最广泛 因为它取消了机械换向器且转子上无绕线组 与直流电动机相比具有 效率高 调速范围宽 体积和质量小 寿命长和维修方 便 3 开关磁阻电机 结构简单 工作可靠 它无换向器 电刷 用双凸极转子 定子采用集中绕组 转子无砺磁 转子终生不用维护 定子绕组电流具有单向性 为此控制系统设计简单 电机转速与电流无关 适用于宽范围调速 开关磁阻电 机的缺点是最大速度不受限制 功率密度和效率没有永磁无刷直流电机那么好 振动和噪声也非常大 4 永磁无刷电机 永磁直流电机具有调速动态性能良好和交流电机采用了高 能永磁材料 对设定的输出的功率 体积和现有的质量可以适度调整的 因此具 有功率密度的性能 由于转子无绕组 所以效率高于其它电动机 定子是主要是 传热部件 为此易于采取散热措施 而且具有近似于梯形磁密波形 不存在 无火 花换向区 由于它兼备了其它电机固有的特性 而且具有其它的功率密度和效率 高的最优特性 永磁无刷直流电机具有最优特性 故广泛适用于电动汽车和太阳 能电动车驱动的动力系统上 沈阳理工大学硕士学位论文 2 2 太阳能电池板的选择方案 2 2 1 太阳能电池工作的基本原理 1 9 太阳能是一种辐射能 它必须借助两种能量相互转换器才能将太阳能转化为 电能 而这种能量转化就是太阳能电池板 太阳能电池发电的原理是太阳能电池 板内部的半导体p n 结光生伏打效应 所谓的光生伏打效应是太阳能电池板将收 集的太阳光或者其他光源照射到自身上时 其电池板内的电荷分布状态发生变化 产生了电动势和电流的一种效应 太阳能电池在内部建力电场作用下 被产生的 光生电子和空穴被彻底分离开 太阳能电池板的两端就会出现相对的异号电荷 简单地定义为产生 光生电压 即为是 光生伏打效应 在太阳能电池板内部建立 电场的两侧引出电极的导线 外部所接的负载就产生 光生电流 流过 此时便获得 电压 从而输出功率 通过这种方式 太阳能把光能就直接转换成可以实用的电 能来满足用电设备的需求 太阳能电池板就是采用光生伏打效应的半导体材料把太阳光照射在电池板上 的热能接转换成电能的一种设备 其主要是p n 结的光伏效应 单晶硅的原子是 按照一定的规律排列的 正价元素为半导体硅 电子带负电 如果在单晶硅中掺 入少量杂质元素磷元素之后 在单晶硅原子中就会有电子所替代的磷原子 此时 就会产生多余的自由移动的电子 而能够自由移动电子的半导体被别称为n 型半 导体 如果在单晶硅中掺有带有正价硼 铝等杂质元素之 就会出现硅原子被硼 原子取代 此时硼元素具有三价的电子 由于缺少一价电子 缺少了一个空穴 通常有多余空穴的半导体被定义为p 型半导体 单晶硅一面是n 型半导体 而另 一面是p 型半导体 而这两种半导体的公共交界区域此时就会形成一个的薄层区 域 此时就形成了p 型带有负电 而n 型带有正电 原因是p 型半导体具有多余 的空穴 n 型半导体具有多余自由移动的电子 在这种情况下 n 区域的电子就 会移动扩散到p 区域 p 区域的空穴会充填扩散到n 区域 在这种情况下形成了 一个n 区域指向p 区域的 内建电场方向 的形式 于是就在p n 结的附近形成了 与势垒电场方向相反的光电场 光生电场的一部分抵消势垒电场 其余部分使得p 型区带正电 n 型区带负电 于是便产生了电动势 如果将几十块 上百块太阳 能电池串联 并联起来装成太阳能电池组件 在太阳光的照射下 便能输出电能 第2 章太刚能电动车原理及驱动系统总方案 2 2 2 太阳能电池板的结构 太阳能电池板产生的电能向太阳能电动车驱动系统提供动力 因此它是太阳 能电动车的最重要部分之一 由于太阳能电池板受到天气环境的变化的影响 不 能以恒定的电流向电机供电或是向蓄电池供电能 因此转化的效率相对低些 目 前 太阳能电动车将太阳能电池板安装在车顶它的作用是不同的 一种太阳能电 池板与蓄电池之间安装峰值最大跟踪装置 它可以根据温度的变化调节能量转化 因此这种使用方式被看为辅助蓄能装置可增加太阳能电动车的行驶里程 另一种 是把太阳能电池板直接作为太阳能电动的驱动装置 通过调节转化的电流使得车 辆行驶 太阳能电池单位面积小 所以把单位面积称作为最小的光电转换单元 一般最小的单位面积为4 l o o 伽2 产生电压约为o 4 5 o 5 v 电流为2 0 2 5 m 以 c m 2 单位面积产生电压远低于用电设备所需要的实际电压 因此将多块 面积小的太阳能电池板件串联使用 这就组成为了太阳能电池板组件 使用中可 以产生所需要的电能 能够满足实际生活中的需要 根据需要把一些太阳能电池 按照蓄电池的容量可以组成不同的太阳能电池板组 以向不同的蓄电池充电 l 刀 太阳能电池板由上 下两个金属接触层之间夹着的为硅的p n 接 图2 6 中所示 上金属接触层是栅格状的 这样能够容许光线直接射到p n 接合之上 太阳能电池 板为了保护太阳能光照射到表面上的阳光损失掉 所以在表面上粘上一层反射薄 膜 因此太阳能板的表面上通常看起来是黑暗淡色 太阳能电池的上面安有透光 玻璃 目的是太阳能光能穿透玻璃收集更多的热量 产生更多的电能 以满足太 阳能电动车行驶的需要 1 8 1 2 2 2 1 太阳能电池板主要组成如下 1 9 之o 1 上盖板 覆盖在电池的正面 构成组件的最外层 由于太阳能电池板受温度影响需要 透光性能好 且强度高经受风沙和冰雹等的敲打 保护太阳能电池板内部结构 使用寿命长 2 黏结剂 起到固定电池作用 并且使的单晶硅金属处上盖与下盖之间保证位置不变化 板密合的关键材料 要求具有在可见光范围内具有高透光性 并抗紫外线老化 同时具有一定的弹性 可缓冲不同材料间的热胀冷缩 沈阳理工大学硕士学位论文 3 底板 要求电池既有保护作用又有支撑作用 通常对底板的要求为 要具有良好的 耐气候性能 对于从背面进来的潮气和其它有害气体要能够有效的隔绝 在层压 温度的情况下不起任何变化 与上面的粘结材料要结合牢固 一般所用的底板材 料为玻璃 有机玻璃 铝合金和p v f 复合膜等 目前生产上应用较多的材料一般 就是p v f 复合膜 4 边框 太阳能电池组件在使用中便于安装 所以将太阳能电池板安有边框 边框的 材料主要有不锈钢 铝合金 橡胶和塑料等 2 2 3新型薄膜太阳能电池 2 1 啦 2 2 3 1非晶硅薄膜太阳能电池 自从1 9 7 6 年世界制造出第一块非晶硅薄膜太阳能电池 经过几十年的研究人 类研制了新型薄膜太阳能电池 由于非晶硅半导体的优点多 所以被广泛应用 非晶硅半导体材料的原子结构的呈现晶体硅状 形成一种共价无规网状原子结构 即对一个单独的硅原子来说 其周围与单晶硅中原子一样 由4 个硅原子组成共价 键 在其邻近的原子也有规则的排列 但更远一些的原子 其排列则没有规律 非晶硅电池与单晶硅电池的工作原理类似 光能转化成电能都是利用半导体的光 生伏打效应这一特性来实现的 非晶硅电池的载流子的扩散是以漂移运动形式运 动的 由于非晶硅结构中的原子长距离呈无序状态和短距离呈无规则网络状 产 生了扩散现象 载流子在其范围内变化较小 如果光生载流子附近不存在电场 光生载流子几乎不会发生漂移 彼此之间不能完全吸收 为了能更加有效地将载 流子收集 电池被设计成为p i n 型 其p 代表阳光入射层 i 代表太阳光吸收层 介 于p 层和n 层之间是内建电场 当太阳能光照射到p 层通过内电场照射到i 层 便可生 成一对电子一空穴 光生载流子形成后就被内建电场分离 空穴漂迅速移动到p 参 电子漂移到n 参 便可以产生光生的电流和光生的电压 非晶硅薄膜电池可以用玻璃 不锈钢 特种塑料 陶瓷等为衬底 非晶硅电 池衬底由透明玻璃制成 这样太阳光从玻璃面入射 电流从导电膜和铝电极输出 由不锈钢作为非晶硅电池衬底与单晶硅电池相同 电极在透明导电膜上引出 电 流从电极和不锈钢流出 结构有两种 一种是两层结构使用相同的非晶硅材料 第2 章太阳能电动车原理及驱动系统总方案 另一种是上层是非晶硅合金 下层是非晶硅锗合金 以增加对太阳能光的吸收 上层是宽能量间隙的非晶硅合金层 以便吸收蓝色光线 中间层用含锗约1 5 的中 等带能量间隙的非晶硅锗合金 以便于吸收红线 2 2 3 2 硒铟铜 c i s 系薄膜太阳能电池 硒铟铜薄膜太阳能电池板是由三种化学元素化合而成的半导体材料 具有黄 铜矿 闪锌矿两个同素异形的晶体结构 掺人镓 g a 即形成为四元化合物 c i s 硒 铟铜 和c i g s 硒镓铟铜 的制备方法很多 归纳起来大致有物理方法和化学方法两 种 经过多年的研发c d s c u i i l s e 2 电池组件的效率已达1 1 c d s c u i i l g a s e 2 电池 组件的效率已达1 9 5 并已建立起了效率达1 8 以上的工业化生产线 目前德国 美国 日本的5 家公司已向市场提供产品 年产量约达1 0 0 m w 该电池的主要优点 是 具有较高的光吸收率 比非晶硅电池效率高 可达2 0 左右 生产成本低 仅 为晶体硅电池的l 3 1 2 今后应在提高电池的稳定性和改进与完善工业化生 产工艺技术等方面进一步开展研究 这种电池能否成为可以广泛生产应用的光伏 器件 最为关键的问题是铟的资源保证问题 因为世界铟的资源十分有限 同时 镉的污染问题也是应加关注的问题 2 2 3 3 多晶硅薄膜太阳能电池 多晶硅 p o l y s i 薄膜是由面积不等和不同晶面的晶粒组成的 晶粒尺寸大约在 几十至几百n m 等级 大颗粒的尺寸可达到u m 级 单晶硅 c s i 薄膜和非晶硅氢合 金 c t s i h 薄膜的性能参数通常可以代替高质量的半导体多晶硅薄膜的性能参 数 多晶硅薄膜在阳光充足下具有高度光敏捷性 对一切可见的光能充分吸收 它与晶体硅一样的具有光照能量转化稳定性 因此被认为是转化效率高 能量耗 损低的理想光伏设备 多晶硅薄膜电池在制造工艺上硅原料用量相对少和硅片制造简单化等特点 同时还具有能量转换率高和转化能量稳定性能可靠 它的厚度仅是晶体硅电池厚 度的3 因此 要获得同样的能量转换效率 对薄膜材料的质量要求是较高的 多晶硅薄膜电池在制造过程中把电池和组件制作为一体从而大大降低了生产成 本 多晶硅薄膜电池具有上述的效率高 能量利用率稳定且高和制造成本的优点 降低太阳能电池制造成本 但目前由于多晶硅薄膜低温装换低 质量差 薄膜晶 沈阳理工大学硕士学位论文 粒尺寸较小 转化电能效率低 多晶硅薄膜在高温情况下也产生沉积 能量耗损 高 缺少价格便宜且优质的多晶硅薄膜的衬底材料 因而今后将把照射大面积 晶粒薄膜的技术 同时提高薄膜的使用率是主要的研究内容 薄膜缺陷的控制技 术 优质 价廉衬底材料的研发 电池优良设计 表面结构技术及背反射技术等 的研究 2 2 3 4 微晶硅薄膜太阳能电池 由于微晶硅可以采用与非晶硅相兼容的技术制备 具有接近单晶硅的光学带 隙1 1 2 e v 可将光谱响应范围扩展到红外区域 并且几乎没有光致衰退 s w 效应 提高效率的潜力很大等优点 目前已成为世界薄膜太阳能电池的研发热点 被世 界光伏界公认为是新一代硅基薄膜太阳能电池板主流技术 微晶硅是由纳米晶粒 晶粒间界 空洞和非晶硅成分共存的半导体材料掺杂 形成 它掺杂效率高 与非晶硅材料相比 长波响应好 稳定性好 几乎不存在 s w 效应 介于非晶硅和单晶硅之间的均匀掺杂的半导体材料 既具各非晶硅的吸 收热能量高 同时更具有单晶硅稳定的光能转化电能的性质 并且可在价格较低 的衬底材斟上制各 具有与非晶硅 a s i 相同的低温制各工艺 但因其是一种间接 带隙的半导体材料 为了充分吸收太阳光 因而要求其吸收层的厚度要大于1 弘m 接近于2p l m 以微晶硅为底电池 非晶硅为顶电池制备非晶硅 微晶硅叠层薄膜