光电互补式电动汽车的动力源设计问题-大学生数学建模竞赛

大学生数学建模竞赛大学生数学建模竞赛 题目 题目 光电互补式电动汽车的动力源设计问题光电互补式电动汽车的动力源设计问题 院 系 院 系 专专 业 业 学生姓名 学生姓名 联系电话 联系电话 起止时间 起止时间 2015 03 30 2015 04 062015 03 30 2015 04 06 数学建模竞赛 论文 I 摘 要 从汽车诞生之日起 能源问题也就随之产生 电动汽车作为一种完全可以实现零污染 零能源消耗的新型能源汽车 将来必将走向市场 目前 电动汽车的发展还不是很成熟 主 要是效率问题 本课题以如何最大化的提高电动汽车的效率 延长汽车的使用寿命 以 及提高续航能力为研究的主要内容 围绕这几方面对电动汽车 E6 展开详细的讨论 提出 了三个问题 运用几何知识 非线性约束优化模型等方法成功解决了这三个问题 得到 了改进方法 并针对具体情况给出了我们的设计 针对问题一 我们在 E6 表面加装了太阳能光电板 有效利用了汽车的表面积 与蓄 电池组共同提供动力 达到光电互补的效果 提高 E6 的继航能力 光电互补发电系统由 光伏发电和蓄电池发电两部分组成 两个发电模块既可以单独供电也可以联合发电 光 电互补电动汽车充电控制系统依据日照强度 系统输出的功率和蓄电池充放电电压的数 据 对太阳能光电板 蓄电池组和电动汽车之间进行协调控制 从而达到整个系统能量 平衡的要求 针对问题二 我们 根据最新的科研成果 对磷酸铁锂电池的正极材料 负极材料 电解液 隔膜 制造工艺 装配技术和管理系统方面进行了改进 大大改善了电池的性 能 减轻了电池的重量 降低了电池的成本 从而间接的提高了 E6 的续航能力 针对问题三 通过对以上两个问题的研究 对于发展光电互补式汽车我们已经有了 一个明确的方向 通过增加了太阳能光电板 来达到光电互补的动力效果 同时对电池 进行了改进后 我们对结果进行了评估 发现 E6 的续航能力大大提高 达到了预期的效 果 针对问题四 使用太阳能为辅助能源的电动汽车 我们决定对电动汽车的制动能量 以蓄电池电能 飞轮动能 电池电机动能的方式进行回收 从而提高能量的利用率 并 且 制动能量回收之后 确实提高了电动汽车续的航能力 效果良好 最后 对所建立的模型和求解方法的优缺点给出了客观的评价 并指出了改进的方 法 关键词 光电互补式电动汽车 磷酸铁锂电池 太阳能光电板 制动能量回收 数学建模竞赛 论文 II 目 录 一 问题重述 1 1 1 问题背景 1 1 2 问题的提出 1 二 问题分析 2 2 1 问题一的分析 2 2 2 问题二的分析 2 2 3 问题三的分析 2 2 4 问题四的分析 3 三 符号说明 3 四 模型假设 3 五 模型的建立与求解 4 5 1 问题一的求解 4 5 1 1光能与电能的转换关系 4 5 1 2光照辐射量计算模型 5 5 2 问题二的求解 7 5 2 1 正极材料的制备方法与性能改良 7 5 2 2 新负极材料的开发 7 5 2 3 电解液的改进 8 5 3 问题三的求解 8 5 4 问题四的求解 9 5 4 1 蓄电池电能回收 9 5 4 2 飞轮动能回收 10 5 4 3电池电机动能回收 11 六 模型评价与推广 12 七 参考文献 13 数学建模竞赛 论文 1 一 问题重述 1 1 问题背景 随着人类对自然资源的过度索取和不合理利用 能源短缺所引发的各种问题 越来越突出 人类也不得不面对能源 枯竭 和 耗尽 的危机 作为人类社会活动 的动力资源 能源不仅是各种生产设备的动力来源 而且随着社会经济工业化水 平的不断提高 已经逐渐成为了整个社会和经济进步的驱动力 自从工业革命以 后 能源就和劳动力 资本一样 成为社会经济发展和进步的重要物质基础以及 战略资源 但是伴随着全球经济的高速增长 由于能源短缺引发的各种矛盾也越 来越尖锐 如何协调能源消耗与经济增长之间的矛盾关系成为各国急需解决的问 题 在这样的情况下 汽车领域中新能源动力汽车迅速发展 中国汽车工业协会 2015 年 1 月 12 日发布的数据显示 2014 年 中国新能源汽车生产 78 499 辆 销售 74 763 辆 比上年分别增长 3 5 倍和 3 2 倍 这标志着中国的新能源汽车 车产业正在进入高速增长期 E6 是比亚迪自主研发的一款纯电动 crossover 它 兼容了 SUV 和 MPV 的设计理念 是一款性能良好的跨界车 它的续驶里程超过 300Km 为同类车型之冠 但是 也存在着很多可以改进的方面 1 2 问题的提出 根据比亚迪 E6 的技术参数 性能指标和续航能力等方面的要求 本文依次 提出如下问题 1 如何有效利用小汽车的表面积 通过加装太阳能光电板提高 E6 的继航能 力 并对结果进行评价 2 加装了太阳能电板后 在不改变目前继航能力的前提下 是否可以考虑 减轻电池的重量以减少电池方面的成本 并对结果进行评价 3 结合上面的分析 请对发展光电互补式汽车给出建议 4 除了进行光电互补外 如果考虑利用其它形式的能量 比如对下坡时的 机械能的收集利用 进一步提高继航能力 给出方案 数学建模竞赛 论文 2 二 问题分析 提高续航能力的问题是一个过程优化问题 我们需要考虑优化后产品的实用 性 优化的可行性 生产制作成本等方面的因素 问题的特点在于关系复杂 实 际情况下受多种因素影响 解决问题的关键在于如何从汽车的参数 科学创新发 展中获取有用信息 找出之间的关系 得到确切的解决方式 2 1 问题一的分析 E6 最大的亮点 即采用电力驱动 其动力电池和启动电池均采用比亚迪自主 研发生产的 ET POWER 铁电池 磷酸铁锂电池 不会对环境造成任何危害 其含 有的所有化学物质均可在自然界中被环境以无害的方式分解吸收 能够很好地解 决二次回收等环保问题 是绿色环保的电池 在能量补充方面 E6 仅可使用 220V 民用电源慢充 并没有使用太阳能 对此 可以有效利用小汽车的表面积 通过加装太阳能光电板提高 E6 的继航能力 达到光电互补的动力效果 2 2 问题二的分析 ET Power 即铁动力电池 作为全球领先的 IT 电池巨头 比亚迪依靠其在 电池领域的强大技术背景 研发出全球第一的铁动力电池 成为电动汽车的动力 方式 此款 铁 动力电池在安全性能和动力性能上都有了很大的保障和提升 0 到 100km h 加速时间为 8 秒左右 一次充电续驶里程为 300Km 以上 此外 铁 电 池更具有成本低 无污染 无噪音 再回收等颠覆性的优势 加装了太阳能电板 后 在不改变目前继航能力的前提下 可以考虑从一些方面对电池进行改善 以 减少电池方面的成本 2 3 问题三的分析 通过对以上两方面问题的改进 增加太阳能光电板 达到光电互补的动力效 果 同时对电池进行改善后 E6 的续航能力将大大提高 然而在实际操作中还会 受到一些因素的影响 我们需要对这两点进行分析 通过建立新的模型以及与之 前的数据进行对比 得出较为客观地结论 数学建模竞赛 论文 3 2 4 问题四的分析 除了进行光电互补外 考虑从其它方面对 E6 进行改进 通过蓄电池电能 飞轮动能 电池电机动能的方式 将汽车制动时的能量进行回收利用 提高能量利用率 从而节约能源 进一步提高航能力 三 符号说明 光电板上第 j 小时的辐射量 Htj kWh m2 当地纬度 第 j 小时的散射辐射量 Hdj kWh m2 水平面上的日落时角 Ws 第 j 小时的辐射量 Hj kWh m2 太阳赤纬角 光电板倾斜角度 光电板方位角 地面反射率 电机电枢的电感量 L 光电板倾斜面上的日落时角 Wss 电枢电阻 Ra 光电板倾斜面上的日出时角 Wsr 制动限流电阻 Rb 电枢感应电势 Ea 电流回馈电路的等效 电阻 Rc 四 模型假设 1 不考虑因天气因素对太阳光照造成的影响 2 忽略汽车因前后挡风玻璃不能安装太阳能光电板的面积 3 汽车制动力的大小以平均值计算 4 忽略电池因充电次数过多导致的容量减少问题 5 不考虑许多外界因素的影响 如路面情况 驾驶员 天气因素 对最大 行驶里程造成的误差 数学建模竞赛 论文 4 五 模型的建立与求解 5 1 问题一的求解 光伏电池是太阳能光伏发电系统中基本核心部件 它的大规模应用需要解决两 大难题 一是提高光电转换效率 二是降低生产成本 以硅片为基础的第一代光 伏电池 其技术虽已经发展成熟 但成本一直高居不下 基于薄膜技术的第二代光 伏电池中 很薄的光电材料被铺在非硅材料的衬底上 大大减少了半导体材料的消 耗 且易于批量自动化生产 从而大大降低光伏电池的成本 国际上已经开发出电 池效率在 15 以上 组件效率 10 以上和系统效率 8 以上 使用寿命超过 15 年 的薄膜电池工业化生产技术 继晶体硅和薄膜电池之后 一些新概念 新结构的电 池 通过减少非光能耗 增加光子有效利用以及减少光伏电池内阻 使得光伏转换效 率的上限有望获得新的提升 目前许多研究人员把目光投向了以先进薄膜制造技 术为基础的 理论极限光电转换效率最高可达 93 的第三代太阳能电池 主要有量 子点 多层多结 染料敏化太阳能电池 有机聚合物电池 纳米结构电池等 这些 新型太阳能电池目前正围绕提高光电转换光电效率和降低生产成本两大目标展开 研发 5 1 1 光能与电能的转换关系 针对问题一 我们在 E6 表面加装了太阳能光电板 与蓄电池组共同提供动 力 达到光电互补的效果 太阳能输出功率为 P1 蓄电池充放电功率为 P2以及 电动汽车负载所需功率为 P3 光电互补发电系统由光伏发电和蓄电池发电两部 分组成 两个发电模块既可以单独供电也可以联合发电 在有日照的情况下 光伏电池发电 向电动汽车负载提供电能 蓄电池组不 工作 当 P1 U时 实现能量回馈 回馈电流为制动电流 I2 5 8 5 4 2 飞轮动能回收 飞轮动能回收系统是一套高效的动能回收系统 其工作原理很容易理解 类 似于儿童玩具中的紧扣汽车模型 当通过向后滚动车轮让聚能结构 一般为弹簧或 橡皮筋结构 积蓄势能后 再将车模放在地上 积蓄的势能便能让车模快速行驶起 来 飞轮动能回收系统正是以这种工作原理为基础 只不过具体工作过程和结构 要比模型复杂得多 飞轮动能回收系统通常是在车辆转弯制动过程中起作用 制动过程中车身动 能会通过无级变速器传入飞轮 处于真空盒中的飞轮被驱动 高速旋转积蓄能量 而当车辆驶离弯道时 飞轮积蓄的能量则通过无极变速器反向释放出来 并在变 速器的输出端和发动机动力汇合后 作为推动力传递给后轴 以达到辅助加强汽 车动力的效果 飞轮动能回收系统结构简单 紧凑 其工作全过程都是由飞轮动 能回收系统内的 SECU 标准 ECU 配套程序进行控制的 整个动能回收系统工 数学建模竞赛 论文 11 作过程在 SECU 控制下效率极高 飞轮动能回收系统是被 FIA 所倡导并且即将使用在 F1 赛车上的高转速动能 回收装置 比起传统低速动能回收装置其优点很多 大致包括 制造成本较低 工作效率高 结构比传统低速动能回收装置简单 体积小 质量轻 工作温度区 间广 安全稳定 寿命长可重复使用并且环保 飞轮动能回收系统虽说各项优势 都很突出 但是它的弱势体现在转矩输出小 能量存储有限 而电池电机动能回 收系统却弥补了这些弱势 5 4 3 电池电机动能回收 电池电机动能回收系统的工作原理类似于普通的油电混合动力汽车 但其特 殊的地方就是积蓄能量的特点 启动车辆时电池电机动能回收系统会类似油电混 合动力汽车辅助发动机进行工作 而当汽车制动时 电池电机动能回收系统就会 转换到发电机模式 即电动机转化为发电机 将动能转化为电能储存在最高电 压 158V 的镍金属电池中 并在汽车下一次需要动力的时候释放出来 这样一来 就大大减少了能量的消耗 现今宝马 M 系中部分车型装配了电池电机动能回收系 统 对车辆本身动力是一种极大的提高 电池电机动能回收系统的主要优点在于转矩输出大 能量释放便于控制 技 术成熟 不包含电池技术 稳定的电能使用率是其最突出的特点 但是电池电 机动能回收系统在体积与质量上缺乏一定优势 造价偏高也是制约其普及的弊端 动能回收系统作为新出现的环保高效动力辅助系统 极大地改变了由于法规 限定汽车排量而降低了动能的状况 飞轮动能回收系统与电池电机动能回收系统 虽然还存在着各自的缺点 但是在科学技术不断发展的趋势下 这些缺点会逐渐 被克服 当这些技术被广泛用于民用车时 汽车宝贵的能源将不会再被白白浪费 了 数学建模竞赛 论文 12 六 模型评价与推广 本文中的模型 从简单到复杂 步步深入 逻辑性强 增强了文章的可读性 同时也熟练运用简化模型的方法 使文章更加明了 本研究对数据及元素间的相关性进行了分析 处理 简化了计算过程 所建 立的模型与实际紧密联系 利用简单的模型就能达到很好的效果 有很好的通用 性和推广性 对数据进行了无量纲化处理 避免了运用数据时单位不统一的麻烦 运用了已经成功验证的公式 可信度高 论文中图形与数据相结合更具有说服力 另外 运用简化的方法可能使结果稍有偏差 使得误差增大 在求光照辐射 量的时候 一些数据具有不确定性 使得所得数据不准确 在处理数据和求解过 程中不可避免的出现各种误差 在一定也影响到模型求解的精确度 电动汽车 EV 的研究是在环境保护问题及能源问题日益受到关注的情况下兴 起的 电动汽车的能源是电能 电能可以有多种方式得到 是公认的清洁能源 也是解决资源问题和环境问题的一种可信的手段 本模型的建立对于研究减少城 市污染问题和增强汽车续航能力具有重要意义 尤其在当今以高能耗高污染的生 产模式为主的工业时代 该模型的建立对于提高电动汽车利用率具有重要的参考 价值 能够很好的解决实际问题 数学建模竞赛 论文 13 七 参考文献 1 刘权贵 汽车节能技术 北京 人民交通出版社 201