太阳能电动汽车论文.pdf

1 中国中国科技论文在线科技论文在线 太阳能电动汽车总体设计和匹配太阳能电动汽车总体设计和匹配 简林莎 郎明华 吉跟昌 卢吉国 作者简介 简林莎 女 长安大学汽车学院教授 E mail langmh 长安大学汽车学院 西安 710064 摘要摘要 针对当今能源资源日益减少 太阳能作为电能的有效来源 正在大力发展 因此对太5 阳能电动汽车做了总体设计和匹配研究 主要确定了整车中动力系统和传动系统的基本结构 和参数 并对动力性能参数做了匹配计算 而且在 matlab 平台上对动力性进行了验证 所 设计和选择的各项参数都满足了设计要求 关键词关键词 太阳能 总体设计 动力系统 参数匹配 中图分类号中图分类号 TK 9 10 The total design and matching of solar energy electric vehicles JIAN linsha LANG minghua JI GenChang LU Jiguo Chang an University College of Automatic Engineering Xi an 710064 15 Abstract With the reduction of sources solar energy is used and developed as a source of power The article completed total design and matching about solar energy electric vehicles SEEV which mainly ensured basic structure about power system and transmission system and made a matching calculation for power train parameters The parameters are tested through the platform of MATLAB and the parameters selected and designed meet the design requirements 20 Key words solar energy total design power system parameter matching 0 引言引言 太阳能属于清洁能源 绿色环保 取之不尽 因此对太阳能的直接利用 开创了人类文 明发展的新水平 有利于人类社会的可持续发展 因此太阳能电动车被人类高度重视 而电25 动汽车是最近这些年来世界各个汽车厂竞相开发的项目 因为清洁环保型的汽车是人们一直 追求和奋斗的目标 人类步入太阳能汽车领域的历史虽然短 但是它的发展是很快的 尤其 是国外的太阳能发展和技术的研究都给我国带来了很大的压力 因此开发国产太阳能电动汽 车对我国汽车工业的展具有现实意义 太阳能的关键技术主要在于太阳能电动汽车的控制系统 即光电技术 其中的光伏电池30 板是将太阳能转化为电能 还有电动汽车的心脏部位是电源和蓄电池 而运行系统基本上是 由电源 电控 点击来组成的 在关键技术中最为重要的是太阳能电池 它是一种将光能直 接转化成电能的半导体器件 目前以光电效应工作的薄膜太阳能电池为主 而以光化学效应 工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段 1 本文主要研究和设计了太阳能电动汽车的总体设计和匹配计算 主要是针对与动力系统35 和传动系统 对转向系 制动系和车身线路只做了简要介绍 首先确定了整车的基本结构和 布置形式 然后选定了整车的各项参数 并通过各项要求对电动机 蓄电池 太阳能电池进 行选型 而且对该轿车的动力性参数进行了匹配计算 并基于 matlab 平台对该轿车的动力 性进行了验证 进一步对其整车的总体设计中的主要部件进行了布置 该太阳能电动轿车的 总体设计和各项参数均满足了设计的要求 40 2 中国中国科技论文在线科技论文在线 1 太阳能电动汽车的结构和工作原理太阳能电动汽车的结构和工作原理 太阳能电动汽车的主体构造是由太阳能电池板 储能装置和电机系统三大结构组成 其结构原理图如图 1 所示 图 1 太阳能电动汽车构造图 45 太阳能电动汽车的工作原理如下 光照射在电池板上产生电流 通过峰值功率跟踪仪以 及蓄电池的充电控制器输送至蓄电池存储或直接送给电动机工作 当太阳能车在行驶过程 中 如果日照条件比较好或光照条件不佳的话 太阳能车将使用蓄电池中存储的电能和太阳 能电池产生的电能共同驱动电机工作 太阳能车停止时 电能全部用于蓄电池存储 50 但是为了有效的利用太阳能 常常需要有太阳能最大功率跟踪装置 MPPT 而且在 车辆工作中需要控制装置进行合理的能量分配 所以完整的能量流程图如下图 2 所示 图 2 能量流程图 55 本论文主要考虑以下工作过程 对再生制动不做深入的研究 1 阳光充足或不足时尽量利用太阳能和蓄电池中的电同时驱动车辆 2 当没有阳光或者太阳能电池驱动设备不能正常工作的时候 蓄电池可以独自驱 动车辆行驶 2 太阳能电动汽车的整车总体设计流程太阳能电动汽车的整车总体设计流程 60 电动汽车整车总体设计主要有如下 确立整车设计目标 整车参数 底盘三维参数布置 设计 车身设计和整车性能计算 其中底盘三维参数布置设计包括蓄电池布置设计 电机及 控制系统布置设计 转向系布置设计 传动系布置设计 车身线路布置设计 制动系布置设 计 2 具体的流程图如下图 3 所示 太阳能源 太阳能电池板 电能 蓄电池 电动机 充电 充电 放电 太 阳 能 电 池板 太阳能最大功 率 跟 踪 装 置 MPPT 控制系统 电动机 车轮 蓄电池 3 中国中国科技论文在线科技论文在线 65 图 3 整车总体设计流程图 在本文章中 着重研究和介绍了动力系统参数和传动系统参数的设计和匹配计算 3 太阳能电动汽车的整体设计太阳能电动汽车的整体设计 3 1 整车参数设计整车参数设计 70 经查阅大量的书籍和资料 并且按照作者初步计算和设计的要求给出了整车尺寸的设 计 这里所提到的设计要求在下文中给予介绍 具体参数如表 1 所示 表 1 整车参数 项目 参数 型式 长头 4 2 前轮驱动 总长 mm 3560 总宽 mm 1600 外形尺寸 总高 mm 1670 额定成员数 人 5 整车整备品质 kg 930 最大设计总质量 kg 1360 空载 kg 555 品质参数 前轴品质 满载 kg 680 确定整车设计目标 制定整车参数 车身设计 地盘三维参数布置设计 蓄电池 布置 设计 传动系 布置 设计 制动系 布置 设计 电机及制 动系统 设计 转向系 布置 设计 车身线 布置 设计 整车性能计算 4 中国中国科技论文在线科技论文在线 轴距 mm 2335 前轮 mm 1360 轮距 后轮 mm 1355 前悬 mm 645 后悬 mm 580 3 2 整车性能要求整车性能要求 75 太阳能电动汽车的动力性能主要取决于动力系统参数匹配 包括动力源 驱动电机 控 制器 变速器等 以及控制策略和各部件的特性等 根据设计要求 预计续驶里程 150km 因此要求选用轮胎型号为 145 70R12 本文设计的太阳能电动汽车整车动力性能及其它相关 参数及要求如下 最高车速 100km h 80 母线电压 144VDC 最大爬坡度 满载 20 整车整备品质 930kg 车轮滚动半径 0 25m 注 车轮型号为 145 70R12 其中 145 为轮胎面宽 70 及扁平比为 0 7 又因 1 英寸85 为 25 4 毫米 所以车轮滚动半径为 mm254 2 4 25 127 0145 3 3 主要系统的结构选型和参数匹配主要系统的结构选型和参数匹配 太阳能电动汽车的主要动力组件有 太阳能电池 蓄电池 电动机 相关控制系统 其 驱动系统结构示意图如图 4 所示 90 图 4 驱动系统结构示意图 1 太阳能电池的选取和匹配计算 蓄电池 太阳能电池 控制器 功率合成 电 机 电 机 5 中国中国科技论文在线科技论文在线 太阳能电池工程应用主要参数有许多 主要涉及到了开路电压 短路电流 峰值功率 最大功率时的电压和最大功率时的电流 太阳能电池组的工程数学模型如公式 1 所示 95 I VC VV CI oc SC 1exp1I 2 1 1 由于使用了太阳能电池阵列的最大功率跟踪器 所以太阳能电池的阵列应该在最佳功率点工 作 此时最大功率对应的电流 mo I与电压 mo V有如下关系 ref ref mo TT S S V lg0539 0 1Vm 2 在这里 是指参考日照强度下的电压温度系数 STTVC airOC o 03 0 005 0 V 代100 入 可以得到 I VC VV CII oc m acm 1exp1 2 1 3 那么 在任意条件下的输出为 mmm IV P 4 在这里给出了V 21 和ICC的表达式为 105 exp I 1C 2 1 oc m ac m VC V I 5 1 2 1ln1 ac m oc m I I V V C 6 ac refref I S S T S S I 1 7 IRTV S 8 通常的表示意义是 m I表示最大功率点电流 m V表示最大功率点电压 ac I表示短路电流 110 oc V表示开路电压 a R表示太阳能电池串联电阻 表示在参考日照强度下的电流温度系数 ref T表示参考电池温度 T表示在任意日照强度 S 及任意环境温度下 air T下的太阳能电池温 度 3 因此根据上述计算和资料显示得到如下结果 根据当前开发的太阳能电池的种类的优缺 点选择单晶体硅太阳能电池 其主要的参数经过上述公式计算和分析得到如下表 2 所示 115 表 2 太阳能电池的参数列表 技术参数 TECHICAL DATA 型号 MODEL 标称 功率 Pm 峰值电压 Vm 峰值电流 Tm 开路电压 Voc 短路电流 Isc CAT 200MIIIH 200W 25 4V 7 874A 34 0V 8 34A 6 中国中国科技论文在线科技论文在线 2 最大功率的计算和电动机的选型和匹配 根据最高车速求最大功率 由公式 9 120 max 2 max max 15 213600 1 PV AVC mgf d t 9 式中 Pmax 最高车速下的功率 kw t 传动系效率 0 85 Vmax 最高车速 设计 要求提出的车速 km h m 整车品质 kg 1500 f 地面摩擦系数 0 25 Cd 空气阻力 系数 0 25 A 迎风面积 2 m 1 8 所以由整车参数计算可得 max P 19KW a P 6 72KW 125 另外根据最大爬坡度确定的最大功率 Pe T 1 3600 cos a Gfu 3600 sin a iuG 76140 3 aDAu C 10 25kw 因此 电动机的最大功率应满足整车的最大功率需求 但实际行驶过程中 最大功率工作时 间很短 所以一般以整车平均速度下的功率为基点同时满足超载条件 超载能力大于等于130 2 由此取电动机额定功率为 20kw 最大功率为 25kw 4 3 蓄电池的选取和匹配计算 蓄电池的容量主要考虑蓄电池的 SOC 在设定范围 0 3 0 8 之间输出的能量满足车辆 在最大功率下行驶最长时间所需的能量 电池的放电能量计算公式为 1000 Wess SOCCUess 11 135 1000 7 0 24 12 0 2kwh 其中 Wess式中为电池组的实际能量 kwh Uess为电池组的平均工作电压 V C 为单 体电池的容量 Ah 而电动汽车行驶里程 S km 所需的能量 可以通过下式计算 假定汽 车以 ua 80km h 的速度行驶 Pe T 1 3600 a Gfu 76140 3 aDAu C 10 1kw 12 140 uSPtPW ened 13 7 575kwh 其中 Pe为汽车以纯电动驱动所需的功率 kW ess W为车辆行驶里程 S km 所需的能量 kWh S 80km 需要使满足 nedess WW 其中 Pe 是指纯电动行驶时车轮所需的功 率 n 是指电池数量 C 是指单节电池的容量 ess U是指单节电池的输出电压 S 是指纯145 电动的续驶里程 ua是指纯电动行驶车速 由电池容量与电压直接求续驶里程 计算公式如下所示 PVUeleele Soc ess CS 14 其中 Soc 是电池块的有效放电容量 电池不可能完全 100 放出其额定容量 所以其从放电 初始时 SOC 为 0 9 放电到 SOC 为 0 2 则该系数即为 0 7 即可放出其最大容量的 0 7 150 7 中国中国科技论文在线科技论文在线 所以根据上面的公式和所匹配的电压以及电池容量的关系 和选定的参数 V ele 取 80km h 经计算电池组的电压若为 250V 电池组的容量为 37Ah 考虑到行驶过程中 其 他电动附件对能量的消耗 选取电池组的电压 250V 电池组的容量 40Ah 4 主减速器和变速器额选取和匹配计算 由车辆最高车速和电机最高转速确定上限 155 i max max V n r 77 30 15 其中 max n 电机最高转速 max V 整车最高车速 根据电机最高转速下对应的最高输出转矩以及最高车速对应的最大行驶阻力确定下限 5 max M max max 9550 n P 16 max F 21 15 AVC mgf 2 maxd 17 160 i maxt max r F M 18 其中 max M 电机最高转速对应的最大输出转矩 max F 最高车速对应的最大行使阻力 代 入原始数据计算 2 7567 i 3 92782 所以本文中选取的4 3 0 i 设计中要求的变速器选择 四档变速器 其中传动比分别为 6 09 3 09 1 71 和 1 00 因此可以提供更高的速度和更好 的爬坡能力 165 4 利用利用 matlab 进行动力特性分析进行动力特性分析 在本文中利用 MATLAB 对该车的参数进行编程处理并对动力特性进行分析 首先是汽 车驱动力与行驶阻力平衡图如图 5 所示 图 5 汽车驱动力与阻力平衡图 170 从上图中可以看出 当驱动力和行驶阻力相等 汽车处于稳定的平衡状态 当车速低于 最高车速时 驱动力大于行驶阻力 这样汽车就可以利用剩余的驱动力加速或爬坡 因此 由图可以看到设计的驱动系统和传动系统符合设计要求 下图 6 为加速度倒数 速度曲线图 汽车的加速性能可用在良好路面上行驶时能产生的175 加速度来评价 但是在上面已经指出由于加速度的数值不易测量 实际中常用加速时间来表 8 中国中国科技论文在线科技论文在线 明汽车的加速能力 就像用直接挡行驶时 由最低稳定速度加速到一定距离所需的时间表明 汽车的加速能力 6 汽车的加速时间要先求出 由汽车行驶方程得 t u d d t F m 1 f F w F 19 显然 利用上式可以计算出各档在某一车速的加速度曲线 而且又可以根据加速度的公180 式求出有某一车速 u2 加速到另一个较高车速 u3 所需要的时间 图 6 汽车加速度倒数 速度曲线图 另外根据选择的电动机的型号及各项参数作出了 e P n 和 tq T n 曲线图 图 7 185 图 7 Pe n 曲线和 Ttq n 曲线 根据数据和