（光學工程專業(yè)論文）太陽能電動車模型設計.pdf

沈陽理工大學碩士學位論文 摘要 中國占有全世界五分之一的汽車市場 經過十五年的時間 中國成為全球汽 車需求量最大的國家 可是汽車保有量的增加給人類生存環(huán)境帶來了一些嚴重的 危害 例如環(huán)境污染和能源消耗過大 因此世界各國把清潔 環(huán)保的新能源汽車 作為汽車方面的首要研發(fā)內容 我國也把開發(fā)新能源汽車作為十二五期間重要的 發(fā)展戰(zhàn)略之一 從而在新能源的開發(fā)和利用上涌現出了太陽能電動車 本文在太陽能電動車理論基礎上建立了三維車身模型 利用f l u e n t 軟件對不 同車身模型的阻力特性進行了研究 并對太陽能電動車的行駛控制系統(tǒng)進行了仿 真分析 主要工作內容如下 1 設計了太陽能電動車車身 底盤 采用p r o e n g i n e e r 軟件 建立了完整 的太陽能電動車三維模型 2 利用f 1 u e n t 軟件對太陽能電動車車身模型在水平路面的行駛過程進行了數 值計算 研究了太陽能電動車的阻力特性 并針對車身存在的設計缺陷設計了新 的車身模型 完善了外形結構 對改進前 后車身模型的仿真結果進行了分析 結果表明改進后的車身模型降低了風阻系數 更加符合環(huán)保 經濟的設計原則 3 研究了太陽能電動車的行駛控制系統(tǒng) 利用m a t l a b s i m u l i n k 軟件建 立了控制模型 分別對采用p i d 控制的行駛系統(tǒng)和采用自適應控制的行駛控制系 統(tǒng)的太陽能電動車行駛過程進行了仿真和對比分析 分析結果表明采用自適應控 制系統(tǒng)在節(jié)能效果上優(yōu)于采用p 工d 控制系統(tǒng) 關鍵詞 太陽能電動車 三維模型 f l u n e t p i d 自適應行駛控制系統(tǒng) 沈陽理工大學碩士學位論文 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 鋤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 眥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 銜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 脅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 腳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 鋤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 腳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 謝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 鋤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 姍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 腳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鋤d t 1 1 ed r i 訪n gs y s t 鋤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 婦s t i v e l ya i l a l y z e d t h e 鋤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 鋤 第1 章緒論 第1 章緒論 隨著科學技術的進步和人們物質生活水平的不斷提高 汽車保有量日益增加 傳統(tǒng)的汽車給人們帶來出行方便的同時 也帶來了負面的影響 因為傳統(tǒng)的汽車 是以汽油或柴油為汽車提供動力 由于地球的石油資源是有限的 而汽車的尾氣 排放到空氣中對人類產生巨大危害 因此世界各國把環(huán)境和能源作為首要的問題 環(huán)境問題就是空氣污染 而空氣污染近一半是來自汽車排放的有害氣體 能源問 題主要是世界上的大部分汽車都是以石油為驅動力 世界石油資源是有限的 因 此人類將要面臨能源危機 解決環(huán)境和能源問題首先是提高汽車發(fā)動機的燃燒效 率和排放尾氣標準 其次開發(fā)新型可用能源作為汽車動力源 1 1 而開發(fā)新型可用能 源是最行之有效的方法 目前已經投入使用的電動車和正在開發(fā)的混合動力汽車 正逐漸替代傳統(tǒng)汽車 它們的使用標志著人類在開發(fā)新型可用能源已取得重大成 果 而同時每年世界各個國家舉行的太陽能汽車比賽 證明了太陽能在汽車上應 用以成為現實 因為太陽能能源豐富 用之不竭和環(huán)保 2 所以全世界各個國家把 太陽能汽車的開發(fā)放在首位 1 1 本文研究的背景及意義 1 1 1 研究背景 汽車作為人類交通工具之一 給人類帶來便利同時 也隨之帶來負面的影響 伴隨著經濟的發(fā)展 汽車的發(fā)展速度更快 其負面的影響表現的更為明顯 汽車 的保有量的增加 導致所需要的燃油量就越多 本國石油在供求上出現了供不應 求 迫使從很多國家紛紛進口 導致很多國家的石油價格飛速上漲 人類陸地上 大部分交通工具所用的動能都是汽油或者柴油燃燒產生的 而它們都是從石油中 提煉出來的石油制品 全世界汽車的保有量逐年上漲 汽車工業(yè)的發(fā)展將要受到 石油制品的制約 空氣中的污染物體大部分是傳統(tǒng)汽車排放的尾氣 這些污染物嚴 重的危害了人類生存的環(huán)境 導致全球變暖和天氣變化異常 在面對能源短缺和 環(huán)境惡化這樣嚴重的問題下 世界各國紛紛對汽車制造商制定了相應的法律 各 沈陽理工入學碩士學位論文 國以把在新能源的領域開發(fā)放在首位 汽車尾氣排放的法律法規(guī) 歐洲的一些發(fā)達國家分別出臺并頒發(fā)汽車尾氣排 放法規(guī) 并且越來越嚴格 在法律法規(guī)的驅動下更促進了汽車向發(fā)動機燃燒燃料 充分 尾氣污染逐漸減少 環(huán)境污染小等 把它作為發(fā)展目標 自從1 9 9 2 年開始 頒發(fā)歐洲i 號到現在近二十年先后頒布五次排放標準 歐盟實行的汽車尾氣排放標 準如表1 1 除了二氧化碳以外還對其它氣體在排放受到了限制 并且歐盟在2 0 0 8 年頒發(fā)并執(zhí)行了歐 汽車尾氣排放標準 這更促使一些全球頂級發(fā)動機設計開發(fā) 部門加速發(fā)動機的更新速度 寶馬發(fā)動機n 5 3 在2 0 0 6 其排放遠遠低于排放標準 為了進一步降低排放標準在2 0 1 0 年設計的直列四缸n 2 0 發(fā)動機其c o 為0 6 但是發(fā)動機無論怎么改進依然離不開汽油和柴油 目前 寶馬制定出進五年 的計劃開發(fā)新能源汽車 其太陽能汽車是首選 而我國已經實行歐i i i 尾氣排放標 準 在十二五期間預計能與歐盟所制定排放標準達成一致 3 表1 1 歐洲輕型汽車排放標準 c d g 枷一1 3 1 6 舊七 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 一個國家汽車業(yè)的發(fā)展代表著這個國家的工業(yè)水平 德國作為工業(yè)發(fā)達國家 它的汽車工業(yè)水平排在全球前列 目前 寶馬和奔馳公司紛紛前來中國開辦工廠 建立生產線 把先進的汽車工業(yè)本土化 增加其年銷售量 寶馬以每年在中國銷 售四十萬輛為目標 全世界所有的汽車廠都看中了中國銷售市場 都來生產且銷 售 還有中國本土的汽車 據不完全統(tǒng)計 每年在中國要銷售數千萬車輛 汽車 的保有量在劇增 而每年汽車將要燃燒石油數億噸 如果這些燃料沒有充分燃燒 排放到空氣中 就產生嚴重污染 導致全球變暖和氣候異常 同時伴隨著能源的 不斷緊缺 為了保護我們人類的生存環(huán)境 開發(fā)新型能源是解決環(huán)境污染和石油 第1 蕈緒論 短缺的最好辦法 近幾年人類在開發(fā)新能源汽車上已取得很大的成就 從混合動 力汽車和燃料汽車到電動汽車 充分說明人們正在研制新能源汽車來取代傳統(tǒng)汽 車 人類在不斷探索和研究中發(fā)現了太陽能的資源豐富 無污染 環(huán)保且用之不 完等優(yōu)點 并隨著光伏技術轉換率的提高 全世界都在研究太陽能汽車 這為太 陽能汽車領域的發(fā)展開辟了嶄新的篇章 4 5 表1 2 各種能源汽車性能比較 1 1 2 研究意義 傳統(tǒng)汽車所用的燃料是汽油或柴油 而汽油和柴油是從石油提煉出來 石油 的資源是由限的 汽車的保有量的迅速增加至使石油資源不斷在減少 汽車發(fā)動 機將燃燒的燃料一部分轉化為動力 另一部分卻沒完全燃燒排放到空氣中 形成 了空氣污染破壞了原有的自然世界 造成現有的環(huán)境惡化 氣溫異常和資源缺乏 為了應對這些問題各國研究了 3 所用的能源是石油和電的混合動力汽車 而且主 要的動力仍然是汽油或柴油燃燒后轉化的 以氫氣燃燒后轉化動力的燃料電池 以充電為主的純電動車和干凈 無污染的太陽能電動車 從1 2 圖可以對比太陽能 電動車的優(yōu)點超過以其它能源為燃料的汽車 太陽能電動車之所以被視為未來 綠色汽車 因為太陽能的資源豐富且無限 所以是取代傳統(tǒng)汽車能源的最好能源 太陽能應用于汽車上具有沒有廢氣排放 無噪音 對人類生存的自然生態(tài)環(huán)境無影響 同時整車結構比傳統(tǒng)汽車結構簡單 沒有發(fā)動機 是現階段噪聲最小的交通工具 歸納總結 太陽能電動車有如下優(yōu) 點 3 7 沈陽理工大學碩士學位論文 1 低噪音 無污染 太陽能電動車所用能量是陽光照射到太陽能電池板的化學 材料反應長生電流為電機或蓄電池充電 無需花費任何費用 無廢氣排放 由于 沒用發(fā)動機行駛時產生噪聲 機械系統(tǒng)傳動噪聲小 2 節(jié)能 太陽能電動車行駛時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 傳統(tǒng)汽車所用發(fā)動機提供動力的 所以在的啟動和減速制 動或停車時 及停車怠速時零部件的機械摩擦將會耗費部分能量 能量利用大大 降低了 太陽能電動車由于動力傳動的部件數量相對少 能量在傳遞過程中沒有 過多損耗 大大提高能源利用率 4 控制性能較好 太陽能電動車傳動系主要是無刷直流電動機通過電流調節(jié)車 速 控制系統(tǒng)采用單片機技術控制 易于實現人機運動控制 5 易于駕駛 無需電子點火 只需踩踏加速踏板便可啟動 利用控制器來控制 電機的電流或電壓 從而實現其不同路況的行駛速度 6 太陽能電動車沒有內燃機 離合器 變速箱 傳動軸 散熱器 排氣管等零 部件 結構簡單 制造難度降低 太陽能電動車基于這些優(yōu)點 各個國家把太陽能電動車作為研究的主要對象 紛紛制定新能源發(fā)展戰(zhàn)略目標 大力發(fā)展太陽能汽車 1 2 國內外太陽能電動車研究現狀 1 2 1 國外研究現狀 1 9 5 4 年 世界上第一塊太陽能電池研制成功 為太陽能源的開發(fā)和利用書寫 了新的新篇章 1 9 8 2 年澳大利亞人漢斯和帕金用玻璃纖維和鋁制成了一部 靜靜的完成者 太 陽能汽車 車頂部裝有能吸收太陽能的裝置 給兩個電池充電 電池再給發(fā)動機 提供電力 1 2 月1 9 日 兩人駕駛著這輛車 從澳大利亞西海岸的珀思出發(fā) 橫穿 澳大利亞大陸 于1 9 8 3 年1 月7 日到達東海岸的悉尼 實現了一次偉大的創(chuàng)舉 1 9 8 4 年 在瑞士舉行的世界首屆電動汽車與太陽能車比賽 標志著太陽能作 為汽車的能源是可行的 1 9 8 7 年1 1 月 在澳大利亞舉行的世界太陽能汽車拉力賽 來自7 個國家2 5 輛太陽能汽車參加比賽 賽程全長3 2 0 0 k m 幾乎縱貫整個澳大利亞 在這次大賽 第l 章緒論 中 美國 圣雷易莎 號太陽能賽車歷時4 4 小時5 4 分鐘跑完全程 奪得了冠軍 1 9 9 6 年芬蘭研制太陽能三輪車 曲線型的太陽能板安裝在車的后部 將太陽 能電池板轉換能量儲存在的蓄電池中 由2 5 0 w 的直流電動機向三輪車提供動力 行駛距離每小時2 5 公里 2 0 1 0 年加拿大馬塞洛 用時1 0 年 花費進5 0 萬美元制造出一款新型太陽能 汽車 他駕駛著自己研制的新型太陽能汽車 從加拿大到了美國洛杉磯 最后到 了中國 向人們展示他的杰作 宣傳環(huán)境保護需要開發(fā)新能源汽車 安裝在汽車 表面的這些小型太陽能電池板可以為這輛車提供所需的動力 在有陽光的日子里 這輛車行駛上百千米 而且只需要6 s 就能將車速從o 提高到5 0 h 1 1 1 最高車速可 達1 1 2 h 訛 該車特點是節(jié)能 環(huán)保 無噪音 不花費任何燃料費用 上述所用太陽能電池以單晶硅太陽能電池為主 一般使用公路作為比賽線路 而參與者主要是汽車公司 科研院所及大學 學生參賽隊使用的太陽能電池的轉 換效率一般在8 1 4 企業(yè)參賽隊則在1 9 2 3 技術和資金充裕的隊伍幾乎 全部使用了m p p t 裝置 這些太陽能賽事為太陽能汽車的發(fā)展提供了良好契機 同時也為各種新技術的開發(fā)和應用提供了一個良好的載體 1 2 2 國內研究現狀 2 0 世紀7 0 年代初世界上出現的開發(fā)利用太陽能熱潮 對我國的太陽能發(fā)展事 業(yè)也產生了巨大影響 一些由遠見的科技人員紛紛投身太陽能事業(yè) 積極向政府 有關部門提建議 出書辦刊 介紹國際上太陽能利用的新動態(tài) 并在農村推廣應 用太陽灶 在城市研制開發(fā)太陽能熱水器 空間用的太陽能也開始在地面上應用 1 9 7 5 年 河南安陽召開的 全國第一次太陽能利用工作經驗交流大會 進一步推 動了我國太陽能事業(yè)的發(fā)展 這次會議的影響下 太陽能研究和推廣工作納入了 我國政府計劃 獲得了專項經費和物資支持 一些大學和科研院所紛紛設立太陽 能課題組和研究室 有的地方開始籌建太陽能研究所 目前 我國也興起了開發(fā) 利用太陽能的熱潮 這一時期 興建太陽能并網發(fā)電和太陽能熱水器利用 太陽 能開發(fā)利用研究出現前所未有的發(fā)展時期 具有以下特點 1 我國也開始積極參與太陽能汽車開發(fā)利用工作 并制定近期和長遠 太陽能汽 車計劃 政府支持力度大大加強 同時一些汽車生產廠研制太陽能電動觀光車 這些太陽能觀光車受到了高爾夫球場和一些房地產開發(fā)商青睞 在十二五期間我 沈陽理工大學碩士學位論文 國把發(fā)展太陽能作為首要任務 全國各地都能看到太陽能利用的設備 太陽能路 燈 汽車的太陽能天窗 太陽能熱水器 太陽能汽車 2 改革開放以來人們的收入水平不斷增加 一些太陽能汽車愛好者出資自己設 計太陽能電動車又掀起太陽能利用的新潮 從大學校園設計的太陽能電動車到個 人設計的太陽能電動車 2 0 世紀末到2 l 世紀初大學生和個人愛好者紛紛設計自己的太陽能電動車 這 些太陽能電動車均采用太陽能電池板和鉛酸蓄電池作為動力源 清華大學學生自 己設計 制造的中國第一輛具有代表性的 追日 號太陽能電動車 同時參加了日本 能登國際太陽能汽車拉力賽以優(yōu)異成績獲得第1 3 名 而大連大學學生設計 制造 的太陽能汽車時速最高達到12 0 b 訛 江蘇太陽能汽車愛好者花了八年時間設計制造了兩輛太陽能汽車 第一輛太陽 能汽車由6 平方米太陽板和5 組電瓶等材料制成太陽能汽車 據試驗 該車正常 時速3 0 至8 0 公里 光照2 天可行駛1 2 0 1 5 0 公里 第二輛的太陽能汽車動力部 分由2 1 6 塊太陽能電池片和2 4 組電瓶組成 充滿電后可行駛2 5 0 多公里 太陽能 充一天電可行駛3 5 公里 時速5 0 6 0 公里 基于上述太陽能電動車的發(fā)展歷程 太陽能電動車技術具有下列幾方面的發(fā)展 趨勢 1 目前為止 太陽電動車開發(fā)利用在拉力比賽上 一些風景區(qū)和高爾夫球場等 僅限于小批量生產 這些太陽能電動車行駛里程相對短 并沒有在轎車上投 入生產 2 太陽能電動車車身和底盤 駕駛控制系統(tǒng) 電力系統(tǒng) 驅動系統(tǒng)等理論和應 用不成熟 不完善 3 太陽能電動車研發(fā)經費較高 尤其是光伏技術的研究耗資成本巨大 要想把 太陽能轉換率從3 0 提高的更多需要做更多的實驗和培養(yǎng)這方面的人才將是耗資 成本主要方面 1 2 2 太陽能電動車的主要技術 到目前為止 在汽車上應用太陽能技術主要有兩個方面 1 作為驅動力 2 用作汽車輔助設備的能源 完全用太陽能作為驅動力代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油 是最 第1 章緒論 理想太陽能汽車 也是太陽能汽車研究領域的焦點 6 7 太陽能電動車主要是太陽能電池板將太陽能轉化為電能的一種半導體材料 太陽能電池板在陽光的照射下產生的能量帶動電子從一個半運動金屬離子的一層 一到另一個層面 電子的運動產生了電力 太陽能電池通常分為硅電池 砷化鎵 電池等 其中最常用的是硅太陽電池 因為硅太陽能電池能把1 0 1 5 的太陽能 轉化成電能 既使用方便 晶球耐用 且很干凈 不污染環(huán)境 是比較理想的一 種電源 只是光電轉化率小一些 近年來 美國已研制成光電轉化率大3 5 的高 性能太陽能電池 澳大利亞用激光技術制造成的太陽能電池 其光電轉化率大 2 4 2 而且成本與柴油機發(fā)電相當 這些都為光電池在汽車上的應用開辟了廣闊 的前景 3 車身和底盤技術 在設計太陽能電動車車身時要讓阻力達到最小 而使太陽能與太陽光的接觸 比達到最大值 且質量要盡量小 無論是傳統(tǒng)汽車還是節(jié)能環(huán)保的新能源汽車都 必須考慮乘車的安全性 但安全系數盡量達到最高 在這些方面我們得到很多理 論作為支撐 如在車子的形狀和尺寸上都得花費大量的時間進行是跑試驗 進而 測出試圖的到最佳的外形效果圖 或是在p r o e n g i n e e r 三維建模及裝配環(huán)境下 設計了太陽能電動車模型 然后通過c f d 軟件f l u e n t 對其在水平路面的行駛過程 進行了數值仿真 對太陽能電動車的阻力特性進行了分析并針對車身存在的設計 缺陷進行了改進 完善了外形結構 降低了風阻系數 使其更加符合設計原則 太陽能電動車的底盤最主要要求是強度和安全度達到最佳 并且質量最小 每千克的質量都需要足夠大的能量使其在路面上移動 這就意味著車子的質量應 該減到最小 這就是汽車底盤關鍵部分 因此 安全是一項基本的要求 底盤必 須具有嚴格的強度和安全系數要求 4 驅動器系統(tǒng)技術 太陽能電動車通常所使用的雙線圈 高速線圈和低速線圈 交流無刷電機 這種 無刷電機由輕質量材料做成 在額定轉速下達到較高的使用率 價格比普通有刷 電機貴 由于太陽能電動車傳動系統(tǒng)的部件少 高速線圈起到了改便控制速度 頻率作用 低速線圈作為太陽能電動車的啟動和減速時增加傳動力矩裝置 5 儲能蓄電池技術 沈陽理工大學碩士學位論文 蓄電池是一種最輕便的電力資源 蓄電池組就相當與普通汽車的油箱 太陽 能電動車使用的蓄電池組來儲存電能 以便在必要時使用 太陽能汽車啟動裝置 控制著蓄電池組 但是當太陽能汽車開動后 是通過太陽能陣列提供能量 再充 到蓄電池組內 由于各中原因 大量的蓄電池作為能量被使用是有限 而大部分 蓄電池都是化學電池 如鉛酸蓄電池 鎳鎘蓄電池 鋰電池 鋰聚合物電池等 鎳鎘 鋰電池 鋰聚合物電池比鉛酸蓄電池可以遠遠提高蓄電能力 質量也比鉛 酸蓄電池要小得多 但是它們很少在太陽能電動汽車廣泛應用 主要是因為維護 不便 而且價格昂貴 6 能量管理系統(tǒng) 能量管理系統(tǒng)是太陽能電動車發(fā)展核心技術之一 它對其太陽能電動車的動 力性有著重要的意義 能量管理系統(tǒng)主要包括電池剩余容量 電池的充放電控制 由于各種情況下對應的能量消耗調整方法不同 能量有余的情況下加速電流增加 不足的情況下加速電流變小 轉彎加速的情況下需要調整較長的慣性行駛時間 因此合理匹配及正確地使用與維護 不僅能大大提高電動汽車的續(xù)駛里程 而且 能提高電池的使用壽命 1 3 本文研究的主要內容 結合前面對太陽能電動車國內 外發(fā)展現狀以及發(fā)展意義 分析了太陽能電 動車的基本組成 結構和原理 對太陽能電動車模型設計具體工作步驟如下 1 學習研究太陽能電動車的組成 結構和理論系統(tǒng) 2 閱讀了大量的國內 外太陽能汽車設計 在p r o e n g i n e e r 三維軟件環(huán)境 下設計了多款太陽能電動車模型 3 然后通過c f d 軟件f l u e n t 對其在水平路面的行駛過程進行了數值仿真 對 太陽能電動車的阻力特性進行了分析并針對車身存在的設計缺陷進行了改進 完 善了外形結構 降低了風阻系數 使其更加符合環(huán)保 經濟的設計原則 通過對 仿真試驗結果的對比 驗證了優(yōu)化設計后的太陽能電動車車身外形的合理性 進 一步說明其設計的可行性 4 行駛系統(tǒng)的數學建模 對太陽能電動車行駛系統(tǒng)進行分析研究 通過m a t l a b s i m u l i n k 軟件 對 第1 章緒論 p i d 行駛控制系統(tǒng)和白適應控制行駛系統(tǒng)分別建立仿真模型 并對所建立的仿真模 型進行調試 仿真 5 仿真曲線分析 仿真結果顯示采用參考模型的自適應控制系統(tǒng) 無論從總體動態(tài)性能還上從 靜態(tài)性能上都優(yōu)于p i d 控制系統(tǒng) 基于自適應控制超調量大 調節(jié)時間短特點 能保證在不同的負重載荷和電池供電情況下 有效地提高電機的工作效率 調節(jié) 車速平穩(wěn)輸出 使車速按規(guī)定行駛 沈陽理工大學碩士學位論文 第2 章太陽能電動車原理及動力系統(tǒng)總方案 2 1 太陽能電動車基本原理 太陽能電動車的工作原理 1 如圖所示2 1 圖2 1 太阡1 能電動車基本原理 太陽能電池板將收集的太陽光和其它形式的光照射在太陽能電池板表面上 內部建立了電場變生產電流 峰值最大跟蹤器將根據太陽能電動車行駛條件的需 要 將轉化的電流傳送到蓄電池 并貯存起來 也可以直接輸送到電動機控制器 或是根據行駛的工況蓄電池和太陽能電池板將同時為電機提供電流 控制器控制 電流的大小來調節(jié)電機轉速 并且通過傳動系將動力傳遞給車輪 最終使太陽能 電動車行駛起來 太陽能電動車在晴天行駛時 開始運行階段太陽光轉化的電能 直接被傳送到電動機控制系統(tǒng) 隨著行駛時間的增加更多來自太陽能電池板的能 量將超過了電動機控制器系統(tǒng)的范圍 在這種情況下 一部分提供給電機 額外 的那部分能量會被蓄電池儲存起來供以后行駛需要 在陰天或是在雨天太陽光照 射在太陽能電池板上產生的能量不能驅動電動機時 被蓄電池儲存的能量將用來 補充太陽能電池板那部分能量 使得太陽能電動車能正常行駛 滿足行駛需求 當太陽能電動車停車不用時 此時太陽能電池板產生的能量被蓄電池儲存起來 太陽能車在加速行駛或減速停車時 使用的機械制動并不象傳統(tǒng)汽車那樣 而是 第2 蘋太陽能電動車原理及驅動系統(tǒng)總方案 通過對直流電動機的電流控制 使電動機轉變成發(fā)電機 將其產生電流被蓄電池 存儲 以便使用 在這種情況下使得電能回收利用 更充分有效利用太陽能 達 到節(jié)能 太陽能電動車通常安裝太陽能最大功率跟蹤裝置 m p p t 而且在太陽能 電動車上的作用是控制所用的能量 使能量分配的更加合理 如圖2 2 太陽能電動 車能量匹配圖 蘭竺 l 圖2 2 太陽能電動車能量匹配圖 2 1 1直流電機的驅動系統(tǒng)的總體布置 電動機驅動系統(tǒng)是太陽能電動車的最主要的核心部位 它的作用是在駕駛員 的控制下 高效的將太陽能電池板和蓄電池的能量根據太陽能電動車不同的的行 駛路況轉化車輪上的力使得車輛能夠行駛 2 1 1 1 太陽能電動車對電動機驅動系統(tǒng)的要求 1 0 1 電動機的轉矩轉速特性與太陽能電動車負載特性匹配滿足要求 低速能傳 遞大轉矩 高速能傳遞小轉矩 2 電動機轉矩的動態(tài)性能好 能平順和迅速控制電動機的轉速 適應太陽能 電動車啟動 停車 加速和減速等各個工況需求 3 恒速 恒功率高和成本低 4 功率密度高 自身的質量和體積小 5 使用壽命長 能夠在惡劣環(huán)境下可靠地工作 且能夠承受高達幾倍的過載 溫度適應性強和維修方便 2 1 1 2 太陽能電動車的驅動電動機和調速控制系統(tǒng) 1 電動機的結構和類型 電動機的類型有兩大類分別是永磁電動機和非永磁電動機 永磁電動機的轉 子用永磁鐵制成 因此這種電機不需要電刷 可靠性能高 其結構緊湊 質量小 沈陽理工大學碩士學位論文 性能好 同時也具有節(jié)能省電的優(yōu)點 這種電機近幾年廣泛發(fā)展 非永磁電動機分為串激電機和并激電機 串激電機是將勵磁線圈與激磁線圈 串聯的電機 并激電機是將勵磁線圈與激磁線圈并聯的電機 兩種電機各有優(yōu)缺 點 2 調速控制系統(tǒng) 可控硅調速是最常見傳統(tǒng)調速系統(tǒng) 優(yōu)點是成本低 缺點是耗能大 控制精 度低 目前已經被i g b t 新型調速元件取代 可控硅由于成本低被應用在公共汽車 上 3 太陽能電動車傳動系統(tǒng)的布置方案 1 4 太陽能電動車傳動系統(tǒng)的布置方式有分為三種 其中各種所用傳動件是不同 的 分別為 1 傳統(tǒng)型驅動方式 2 減速驅動方式 3 獨立驅動方式 傳統(tǒng)型驅動方式就像普通汽車的發(fā)動機一樣 將電動機布置在燃料發(fā)動機的 位置上 如圖2 3 所示 機械變速器主要是為了提高啟動和爬坡等工況的要求 后 差速 主減速器與傳統(tǒng)汽車一樣 優(yōu)點是駕駛員操作方便 控制簡單 但缺點是 傳動線路長所以消耗能量高 噪音較大 整車質量重 行駛時速度低 行車距離 短 圖2 3 傳統(tǒng)驅動方式 減速驅動方式由于在傳動系統(tǒng)上所用零部件減少 故此整車質量輕 驅動輕 便 但是控制性相對復雜 并且能量耗損相對減少 如圖2 4 所示 圖2 4 減速驅動方式 獨立驅動方式在整個傳動系統(tǒng)中傳動部件最少 縮短了傳動里程 減少了能 量傳遞的損耗 傳遞功率大 車輛質量最輕 在相同能量的前提下行駛距離最長 結構緊湊 但成本高 控制系統(tǒng)是核心的關鍵問題 圖2 5 所示 第2 章太剛能電動車原理及驅動系統(tǒng)總方案 圖2 5 獨立驅動方式 2 1 1 3 典型的驅動電機類型及特性 1 2 1 6 1 直流電動機 直流電動機是有刷電動機 控制方式是最常見的斬波器控制 由于低速轉矩高 高速時的轉矩恒功率的不足特性 完全滿足太陽能電動車行駛 時的需求 它可以通過脈寬調制控制方法來實現 從而實現直流電動機的變壓調 速 直流電動機是太陽能電動車最常見的動力系統(tǒng) 它具有控制簡單 啟動加速 能力大 成本低和技術成熟等優(yōu)點 缺點是電刷和換向器磨損后需經常換更 效 率低 電刷需要經常維護 使用不便 電刷和換向器的使用壽命限制了轉速 最 終導致體積和質量變大 2 交流電機 被應用于各種交流電動機驅動系統(tǒng)中 尤其是最成熟最完善籠 式異步電動機的技術 應用最廣泛 因為它取消了機械換向器且轉子上無繞線組 與直流電動機相比具有 效率高 調速范圍寬 體積和質量小 壽命長和維修方 便 3 開關磁阻電機 結構簡單 工作可靠 它無換向器 電刷 用雙凸極轉子 定子采用集中繞組 轉子無礪磁 轉子終生不用維護 定子繞組電流具有單向性 為此控制系統(tǒng)設計簡單 電機轉速與電流無關 適用于寬范圍調速 開關磁阻電 機的缺點是最大速度不受限制 功率密度和效率沒有永磁無刷直流電機那么好 振動和噪聲也非常大 4 永磁無刷電機 永磁直流電機具有調速動態(tài)性能良好和交流電機采用了高 能永磁材料 對設定的輸出的功率 體積和現有的質量可以適度調整的 因此具 有功率密度的性能 由于轉子無繞組 所以效率高于其它電動機 定子是主要是 傳熱部件 為此易于采取散熱措施 而且具有近似于梯形磁密波形 不存在 無火 花換向區(qū) 由于它兼?zhèn)淞似渌姍C固有的特性 而且具有其它的功率密度和效率 高的最優(yōu)特性 永磁無刷直流電機具有最優(yōu)特性 故廣泛適用于電動汽車和太陽 能電動車驅動的動力系統(tǒng)上 沈陽理工大學碩士學位論文 2 2 太陽能電池板的選擇方案 2 2 1 太陽能電池工作的基本原理 1 9 太陽能是一種輻射能 它必須借助兩種能量相互轉換器才能將太陽能轉化為 電能 而這種能量轉化就是太陽能電池板 太陽能電池發(fā)電的原理是太陽能電池 板內部的半導體p n 結光生伏打效應 所謂的光生伏打效應是太陽能電池板將收 集的太陽光或者其他光源照射到自身上時 其電池板內的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化 產生了電動勢和電流的一種效應 太陽能電池在內部建力電場作用下 被產生的 光生電子和空穴被徹底分離開 太陽能電池板的兩端就會出現相對的異號電荷 簡單地定義為產生 光生電壓 即為是 光生伏打效應 在太陽能電池板內部建立 電場的兩側引出電極的導線 外部所接的負載就產生 光生電流 流過 此時便獲得 電壓 從而輸出功率 通過這種方式 太陽能把光能就直接轉換成可以實用的電 能來滿足用電設備的需求 太陽能電池板就是采用光生伏打效應的半導體材料把太陽光照射在電池板上 的熱能接轉換成電能的一種設備 其主要是p n 結的光伏效應 單晶硅的原子是 按照一定的規(guī)律排列的 正價元素為半導體硅 電子帶負電 如果在單晶硅中摻 入少量雜質元素磷元素之后 在單晶硅原子中就會有電子所替代的磷原子 此時 就會產生多余的自由移動的電子 而能夠自由移動電子的半導體被別稱為n 型半 導體 如果在單晶硅中摻有帶有正價硼 鋁等雜質元素之 就會出現硅原子被硼 原子取代 此時硼元素具有三價的電子 由于缺少一價電子 缺少了一個空穴 通常有多余空穴的半導體被定義為p 型半導體 單晶硅一面是n 型半導體 而另 一面是p 型半導體 而這兩種半導體的公共交界區(qū)域此時就會形成一個的薄層區(qū) 域 此時就形成了p 型帶有負電 而n 型帶有正電 原因是p 型半導體具有多余 的空穴 n 型半導體具有多余自由移動的電子 在這種情況下 n 區(qū)域的電子就 會移動擴散到p 區(qū)域 p 區(qū)域的空穴會充填擴散到n 區(qū)域 在這種情況下形成了 一個n 區(qū)域指向p 區(qū)域的 內建電場方向 的形式 于是就在p n 結的附近形成了 與勢壘電場方向相反的光電場 光生電場的一部分抵消勢壘電場 其余部分使得p 型區(qū)帶正電 n 型區(qū)帶負電 于是便產生了電動勢 如果將幾十塊 上百塊太陽 能電池串聯 并聯起來裝成太陽能電池組件 在太陽光的照射下 便能輸出電能 第2 章太剛能電動車原理及驅動系統(tǒng)總方案 2 2 2 太陽能電池板的結構 太陽能電池板產生的電能向太陽能電動車驅動系統(tǒng)提供動力 因此它是太陽 能電動車的最重要部分之一 由于太陽能電池板受到天氣環(huán)境的變化的影響 不 能以恒定的電流向電機供電或是向蓄電池供電能 因此轉化的效率相對低些 目 前 太陽能電動車將太陽能電池板安裝在車頂它的作用是不同的 一種太陽能電 池板與蓄電池之間安裝峰值最大跟蹤裝置 它可以根據溫度的變化調節(jié)能量轉化 因此這種使用方式被看為輔助蓄能裝置可增加太陽能電動車的行駛里程 另一種 是把太陽能電池板直接作為太陽能電動的驅動裝置 通過調節(jié)轉化的電流使得車 輛行駛 太陽能電池單位面積小 所以把單位面積稱作為最小的光電轉換單元 一般最小的單位面積為4 l o o 伽2 產生電壓約為o 4 5 o 5 v 電流為2 0 2 5 m 以 c m 2 單位面積產生電壓遠低于用電設備所需要的實際電壓 因此將多塊 面積小的太陽能電池板件串聯使用 這就組成為了太陽能電池板組件 使用中可 以產生所需要的電能 能夠滿足實際生活中的需要 根據需要把一些太陽能電池 按照蓄電池的容量可以組成不同的太陽能電池板組 以向不同的蓄電池充電 l 刀 太陽能電池板由上 下兩個金屬接觸層之間夾著的為硅的p n 接 圖2 6 中所示 上金屬接觸層是柵格狀的 這樣能夠容許光線直接射到p n 接合之上 太陽能電池 板為了保護太陽能光照射到表面上的陽光損失掉 所以在表面上粘上一層反射薄 膜 因此太陽能板的表面上通常看起來是黑暗淡色 太陽能電池的上面安有透光 玻璃 目的是太陽能光能穿透玻璃收集更多的熱量 產生更多的電能 以滿足太 陽能電動車行駛的需要 1 8 1 2 2 2 1 太陽能電池板主要組成如下 1 9 之o 1 上蓋板 覆蓋在電池的正面 構成組件的最外層 由于太陽能電池板受溫度影響需要 透光性能好 且強度高經受風沙和冰雹等的敲打 保護太陽能電池板內部結構 使用壽命長 2 黏結劑 起到固定電池作用 并且使的單晶硅金屬處上蓋與下蓋之間保證位置不變化 板密合的關鍵材料 要求具有在可見光范圍內具有高透光性 并抗紫外線老化 同時具有一定的彈性 可緩沖不同材料間的熱脹冷縮 沈陽理工大學碩士學位論文 3 底板 要求電池既有保護作用又有支撐作用 通常對底板的要求為 要具有良好的 耐氣候性能 對于從背面進來的潮氣和其它有害氣體要能夠有效的隔絕 在層壓 溫度的情況下不起任何變化 與上面的粘結材料要結合牢固 一般所用的底板材 料為玻璃 有機玻璃 鋁合金和p v f 復合膜等 目前生產上應用較多的材料一般 就是p v f 復合膜 4 邊框 太陽能電池組件在使用中便于安裝 所以將太陽能電池板安有邊框 邊框的 材料主要有不銹鋼 鋁合金 橡膠和塑料等 2 2 3新型薄膜太陽能電池 2 1 啦 2 2 3 1非晶硅薄膜太陽能電池 自從1 9 7 6 年世界制造出第一塊非晶硅薄膜太陽能電池 經過幾十年的研究人 類研制了新型薄膜太陽能電池 由于非晶硅半導體的優(yōu)點多 所以被廣泛應用 非晶硅半導體材料的原子結構的呈現晶體硅狀 形成一種共價無規(guī)網狀原子結構 即對一個單獨的硅原子來說 其周圍與單晶硅中原子一樣 由4 個硅原子組成共價 鍵 在其鄰近的原子也有規(guī)則的排列 但更遠一些的原子 其排列則沒有規(guī)律 非晶硅電池與單晶硅電池的工作原理類似 光能轉化成電能都是利用半導體的光 生伏打效應這一特性來實現的 非晶硅電池的載流子的擴散是以漂移運動形式運 動的 由于非晶硅結構中的原子長距離呈無序狀態(tài)和短距離呈無規(guī)則網絡狀 產 生了擴散現象 載流子在其范圍內變化較小 如果光生載流子附近不存在電場 光生載流子幾乎不會發(fā)生漂移 彼此之間不能完全吸收 為了能更加有效地將載 流子收集 電池被設計成為p i n 型 其p 代表陽光入射層 i 代表太陽光吸收層 介 于p 層和n 層之間是內建電場 當太陽能光照射到p 層通過內電場照射到i 層 便可生 成一對電子一空穴 光生載流子形成后就被內建電場分離 空穴漂迅速移動到p 參 電子漂移到n 參 便可以產生光生的電流和光生的電壓 非晶硅薄膜電池可以用玻璃 不銹鋼 特種塑料 陶瓷等為襯底 非晶硅電 池襯底由透明玻璃制成 這樣太陽光從玻璃面入射 電流從導電膜和鋁電極輸出 由不銹鋼作為非晶硅電池襯底與單晶硅電池相同 電極在透明導電膜上引出 電 流從電極和不銹鋼流出 結構有兩種 一種是兩層結構使用相同的非晶硅材料 第2 章太陽能電動車原理及驅動系統(tǒng)總方案 另一種是上層是非晶硅合金 下層是非晶硅鍺合金 以增加對太陽能光的吸收 上層是寬能量間隙的非晶硅合金層 以便吸收藍色光線 中間層用含鍺約1 5 的中 等帶能量間隙的非晶硅鍺合金 以便于吸收紅線 2 2 3 2 硒銦銅 c i s 系薄膜太陽能電池 硒銦銅薄膜太陽能電池板是由三種化學元素化合而成的半導體材料 具有黃 銅礦 閃鋅礦兩個同素異形的晶體結構 摻人鎵 g a 即形成為四元化合物 c i s 硒 銦銅 和c i g s 硒鎵銦銅 的制備方法很多 歸納起來大致有物理方法和化學方法兩 種 經過多年的研發(fā)c d s c u i i l s e 2 電池組件的效率已達1 1 c d s c u i i l g a s e 2 電池 組件的效率已達1 9 5 并已建立起了效率達1 8 以上的工業(yè)化生產線 目前德國 美國 日本的5 家公司已向市場提供產品 年產量約達1 0 0 m w 該電池的主要優(yōu)點 是 具有較高的光吸收率 比非晶硅電池效率高 可達2 0 左右 生產成本低 僅 為晶體硅電池的l 3 1 2 今后應在提高電池的穩(wěn)定性和改進與完善工業(yè)化生 產工藝技術等方面進一步開展研究 這種電池能否成為可以廣泛生產應用的光伏 器件 最為關鍵的問題是銦的資源保證問題 因為世界銦的資源十分有限 同時 鎘的污染問題也是應加關注的問題 2 2 3 3 多晶硅薄膜太陽能電池 多晶硅 p o l y s i 薄膜是由面積不等和不同晶面的晶粒組成的 晶粒尺寸大約在 幾十至幾百n m 等級 大顆粒的尺寸可達到u m 級 單晶硅 c s i 薄膜和非晶硅氫合 金 c t s i h 薄膜的性能參數通?？梢源娓哔|量的半導體多晶硅薄膜的性能參 數 多晶硅薄膜在陽光充足下具有高度光敏捷性 對一切可見的光能充分吸收 它與晶體硅一樣的具有光照能量轉化穩(wěn)定性 因此被認為是轉化效率高 能量耗 損低的理想光伏設備 多晶硅薄膜電池在制造工藝上硅原料用量相對少和硅片制造簡單化等特點 同時還具有能量轉換率高和轉化能量穩(wěn)定性能可靠 它的厚度僅是晶體硅電池厚 度的3 因此 要獲得同樣的能量轉換效率 對薄膜材料的質量要求是較高的 多晶硅薄膜電池在制造過程中把電池和組件制作為一體從而大大降低了生產成 本 多晶硅薄膜電池具有上述的效率高 能量利用率穩(wěn)定且高和制造成本的優(yōu)點 降低太陽能電池制造成本 但目前由于多晶硅薄膜低溫裝換低 質量差 薄膜晶 沈陽理工大學碩士學位論文 粒尺寸較小 轉化電能效率低 多晶硅薄膜在高溫情況下也產生沉積 能量耗損 高 缺少價格便宜且優(yōu)質的多晶硅薄膜的襯底材料 因而今后將把照射大面積 晶粒薄膜的技術 同時提高薄膜的使用率是主要的研究內容 薄膜缺陷的控制技 術 優(yōu)質 價廉襯底材料的研發(fā) 電池優(yōu)良設計 表面結構技術及背反射技術等 的研究 2 2 3 4 微晶硅薄膜太陽能電池 由于微晶硅可以采用與非晶硅相兼容的技術制備 具有接近單晶硅的光學帶 隙1 1 2 e v 可將光譜響應范圍擴展到紅外區(qū)域 并且?guī)缀鯖]有光致衰退 s w 效應 提高效率的潛力很大等優(yōu)點 目前已成為世界薄膜太陽能電池的研發(fā)熱點 被世 界光伏界公認為是新一代硅基薄膜太陽能電池板主流技術 微晶硅是由納米晶粒 晶粒間界 空洞和非晶硅成分共存的半導體材料摻雜 形成 它摻雜效率高 與非晶硅材料相比 長波響應好 穩(wěn)定性好 幾乎不存在 s w 效應 介于非晶硅和單晶硅之間的均勻摻雜的半導體材料 既具各非晶硅的吸 收熱能量高 同時更具有單晶硅穩(wěn)定的光能轉化電能的性質 并且可在價格較低 的襯底材斟上制各 具有與非晶硅 a s i 相同的低溫制各工藝 但因其是一種間接 帶隙的半導體材料 為了充分吸收太陽光 因而要求其吸收層的厚度要大于1 弘m 接近于2p l m 以微晶硅為底電池 非晶硅為頂電池制備非晶硅 微晶硅疊層薄膜