太阳能电动汽车总体设计和匹配

中国科技论文在线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:[e-mail]（长安大学汽车学院，西安710064）摘要：本文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5本文对太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：太阳能；总体设计；动力系统；参数匹配中图分类号：TK-910ThetotaldesignandmatchingofsolarenergyelectricvehiclesJIANlinsha,LANGminghua,JIGenChang,LUJiguo(Chang'anUniversity,CollegeofAutomaticEngineering,Xi'an710064)15Abstract:Withthereductionofsources,solarenergyisusedanddevelopedasasourceofpower.Thearticlecompletedtotaldesignandmatchingaboutsolarenergyelectricvehicles(SEEV),whichmainlyensuredbasicstructureaboutpowersystemandtransmissionsystemandmadeamatchingcalculationforpowertrainparameters.TheparametersaretestedthroughtheplatformofMATLABandtheparametersselectedanddesignedmeetthedesignrequirements.20Keywords:solarenergy;totaldesign;powersystem;parametermatching0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，而在关键技术中其中最为重要的则是太阳能电池，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，没有对转向系、制动系35和车身线路做设计计算，主要是针对与动力系统和传动系统，首先确定了整车的基本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，对于以后的太阳能电动汽车的研究有一定的40参考作用。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：45图1太阳能电动汽车构造图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的话，电能将直接输送给电机驱动太阳能车，在多数情况下，电机50不需要全部的能量，剩余的电能通过电机制器和蓄电池充电控制器送给蓄电池储存备用，如果日照条件不佳，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。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：55图2能量流程图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。60（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65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3.1整车参数设计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：75表1.整车参数项目参数型式长头，4*2前轮驱动总长mm3560总宽mm1600外形尺寸总高mm1670额定成员数人5整车整备品质kg930最大设计总质量kg1360空载kg555品质参数前轴品质满载kg680轴距mm2335前轮mm1360轮距后轮mm1355前悬mm645后悬mm5803.2整车性能要求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80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中国科技论文在线制器、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母线电压144VDC85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英寸为25.4毫米，所以车轮滚动半径为：mm254≈24.25127.0145×+×903.3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：图4驱动系统结构示意图95(1)太阳能电池的选取和匹配计算：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：{}IVCVVCIocSCΔ+⎥⎦⎤⎢⎣⎡−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⋅Δ−−=1exp1I21（1）100由于要使用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总是在最佳功率点工作，此时的最大功率时的电流moI与电压moV有如下关系：()refrefmoTTSSV−+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+=βlg0539.01Vm（2）蓄电池太阳能电池控制器功率合成电机电机中国科技论文在线在这里，β是指参考日照强度下的电压温度系数，STTVCairOCo03.0,005.0,/V+==β代入，可以得到：105IVCVVCIIocmacmΔ+⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⋅Δ−−=1exp121（3）那么在任意的条件下的输出为：mmmIV⋅=P（4）在这里我们给出了V,,21ΔΔ和ICC的表达式为：)exp(I-1C21ocmacmVCVI⋅−=）（（5）121ln1−⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=acmocmIIVVC（6）110acrefrefISSTSSI⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−+Δ⋅⋅=Δ1α（7）IRTVSΔ⋅−Δ⋅−=Δβ（8）在这里通常的表示意义是：mI表示最大功率点电流；mV表示最大功率点电压；acI表示短路电流；ocV表示开路电压；aR表示太阳能电池串连电阻；α表示在参考日照强度下的电流温度系数；refT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airT115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：表2：太阳能电池的参数列表120技术参数TECHICALDATA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IscCAT-200MIIIH200W25.4V7.874A34.0V8.34A（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）max2maxmax15.2136001PVAVCmgfdt⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=η（9）式中：Pmax—最高车速下的功率（kw）；tη—传动系效率0.85；Vmax—最高车速（设125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(2m)1.8；所以由整车参数计算可得maxP=19KW，aP=6.72KW另外根据最大爬坡度确定的最大功率：Pe=Tη1(3600αcosaGfu+3600sinaiuG+761403aDAuC)（10）130中国科技论文在线=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135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：1000Δ**WessSOCCUess=（11）=10007.0*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）；C140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=Tη1(3600aGfu+761403aDAuC)=10.1kw（12）uSPtPWened/⋅=⋅=（13）=7.575kwh145其中Pe为汽车以纯电动驱动所需的功率（kW）；essW为车辆行驶里程S(km)所需的能量（kWh）。S=80km需要使满足：nedessWWf，其中，Pe是指纯电动行驶时车轮处的功率需求，n是指电池数量;C是指单节电池的容量，essU是指单节电池的输出电压，S是指纯电动的续驶里程，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：1