以太阳能为能源的智能小车设计

2015年第14卷第5期产业与科技论坛2015.（14）.5Industrial&ScienceTribune以太阳能为能源的智能小车设计□王　超　房伟强　马　驰　朱建军【内容摘要】目前汽车所造成的污染是非常大的，以太阳能为动力源的智能小车既能满足消费者的需求，又能够绿色环保、节能减排。在本实验中，将建立太阳能发电、蓄能及负载系统，即太阳能小车。小车可以做到自动采集光线，把光能转换成电能，给蓄电池充电，然后再由蓄电池放电驱动小车。这个项目，将能够为消费者省去大量电池费用，而且还有利环境，节约不可再生能源。【关键词】太阳能电池板；蓄电池；电动机；太阳能汽车【基金项目】本文为２０１４年上海工程技术大学市级大学生创新项目“以太阳能为能源的智能小车”（编号：Ｃｓ１４２４００１）研究成果。【作者简介】王超（１９９５．３～），男，上海工程技术大学电子电气工程学院学生房伟强，上海工程技术大学学生；马驰，上海工程技术大学学生；朱建军，上海工程技术大学　　一、引言太阳能（ＳｏｌａｒＥｎｅｒｇｙ）一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电或者为热水器提供能源。从古代开始，我们的祖先就会利用太阳能晾晒粮食，并可以以此来制作食物，例如用海水晒盐等等。在不可再生资源日益缺少的现代，太阳能早已经变成了人们生活中重要的能源来源，并且发展迅速。其绿色，环保的宗旨使之成为一种新兴的可再生能源。目前，我国新能源政策也大力支持太阳能的开发。太阳能汽车（ｓｏｌａｒｃａｒ）是以太阳能为动力来驱动系统的汽车。和传统内燃机驱动的汽车相比，以太阳能为动力的汽车基本上可以达到零污染。太阳能智能汽车之所以被多个国家所倡导和使用，正是因为太阳能汽车可以达到零污染。综合以上诸多优势，太阳能汽车正在飞速蓬勃发展。智能汽车（ｓｍａｒｔｃａｒ）是一个可以将规划决策、环境感知、辅导驾驶功能等诸多方面合为一体的综合系统，其中的现代传感、信息通讯、系统智能化、自动控制技术以及对计算机的运用，为其重要核心，是典型的高新科技产品。太阳能智能汽车（ｓｏｌａｒ－ｓｍａｒｔｃａｒ）是结合太阳能和智能化为一体的小车，它不仅体现了太阳能能源的清洁、低碳、环保的理念，还体现了智能感知的特点。图１　太阳能智能小车构造图二、太阳能智能小车的工作原理及结构太阳能智能小车主要由太阳能电池板、电机驱动、系统储能、系统智能环节四大部分组成，其结构原理图如图１所示。图２　能量流程图图３　整车性能设计流程图太阳能智能小车工作原理为：光源照射在太阳能电池板上产生了电流，通过蓄电池的充电控制器和峰值功率跟踪仪输送给蓄电池进行储能，经过变压后，一部分输送到智能化模块中的ＣＰＵ，另一部分输送给电动机系统，或直接应用到电动机系统和智能化模块。如果太阳能智能车在行进的时候，光照强度比较低的话，太阳能智能车可以将蓄电池中的·１５·产业与科技论坛2015年第14卷第5期2015.（14）.5Industrial&ScienceTribune电能释放出来并且可以和太阳能电池上产生的电能一齐对智能模块和电机进行供电；当太阳能智能车停车时，太阳能转化为电能直接对蓄电池进行充电。但是为了使对太阳能的利用更加有效，我们通常会使用太阳能最大功率跟踪装置（ＭＰＰＴ），而且在小车工作的过程中，需要保证小车各环节能量的合理分配，小车能量流程图如图２所示。太阳能最大功率跟踪装置（ＭＰＰＴ）智能化模块电动机蓄电池三、太阳能智能小车的整车总体设计流程太阳能智能小车总体设计流程主要为：确定小车所实现的功能、确定小车整体参数、小车整体性能计算、程序编写、计算机仿真、底盘三维参数布置设计、智能化模块建立。其中底盘三维参数布置设计包括蓄电池布置设计、电动机系统设计。具体的流程图如图３所示。以如上流程来进行最后整车性能调试。四、太阳能智能小车的整体设计（一）整车参数设计。经查阅大量的书籍和资料，并且按照要求初步计算和设计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４轮驱动外型尺寸总长３５ｃｍ总宽１８ｃｍ总高８ｃｍ最大设计质量１ｋｇ额定电压７Ｖ绝缘电压９Ｖ　　（二）主要系统的结构选型和参数匹配。太阳能智能小车的主要动力组件有：太阳能电池板，蓄电池，电动机，智能化模块，其驱动系统结构示意图如图４所示。图４　以太阳能为蓄电池提供能源驱动电机的智能化模块（三）太阳能电池的选取和匹配计算。太阳能电池的选取主要参照以下参数：开路电压、短路电流、峰值功率、最大功率时的电压和电流。其数学模型公式如下公式所示：Ｉ＝Ｉｓｃ｛１－Ｃ１ｅｘｐＶ－ΔＶＣ２·Ｖｏｃ()－１[]｝＋Δｌ考虑到太阳能电池阵列在使用时，因在最佳功率点工作，故需计算最大功率对应的电流和电压，其计算关系如下：Ｖｍ＝Ｖｍｏ１＋０．５３９ｌｇＳＳｒｅｆ[][]＋β（Ｔ－Ｓｒｅｆ）在这里，β是指参考日照强度下的电压温度系数，带入，可以得到：Ｖ／℃，β＝０．００５ＶＯＣ，Ｔ＝Ｔａｉｒ＋０．０３Ｓ带入，可以得到：Ｉｍ＝Ｉａｃ１－Ｃ１ｅｘｐＶｍ－ΔＶＣ２·ＶＯＣæèçöø÷－１éëêêùûúú{}＋Δｌ那么，在任意条件下：Ｐｍ＝Ｖｍ·Ｉｍ在这里给出了Ｃ１，Ｃ２，ΔＩ，ΔＶ的表达式为：Ｃ１＝１－ＩｍＩａｃæèçöø÷ｅｘｐ－ＶｍＣ２·Ｖｏｃæèçöø÷Ｃ２＝ＶｍＶｏｃ－１æèçöø÷ｌｎ１－ＩｍＩａｃæèçöø÷éëêêùûúú－１ΔＩ＝α·ＳＳｒｅｆ·ΔＴ＋ＳＳｒｅｆ－１()ＩａｃΔＶ＝－β·ΔＴ－Ｒｓ·ΔＩ通常的表示意义是：Ｉｍ表示最大功率点电流；Ｖｍ表示最大功率点电压；Ｉａｃ表示短路电流；Ｖｏｃ表示开路电压；Ｒａ表示太阳能电池串联电阻；α表示在参考日照强度下的电流温度系数；Ｔｒｅｆ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Ｔａｉｒ下的太阳能电池温度。因此根据上述计算和资料显示得到结果：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表２所示。表２技术参数额定功率Ｐｍ峰值电压Ｖｍ峰值电流Ｔｍ开路电压Ｖｏｃ短路电流Ｉｓｃ２０Ｗ８．９Ｖ２０ｍＡ７．２Ｖ１Ａ　　图５　单片机模块电路图五、智能化介绍———单片机模块ＡＴ８９Ｓ５２是一种低功耗、高性能的ＣＭＯＳ８位控制器，其拥有的８位ＣＰＵ和可编程Ｆｌａｓｈ使得ＡＴ８９Ｓ５２在嵌入式中应用广泛，所以，太阳能智能小车采用ＡＴ８９Ｓ５２单片机作为小车的检测和控制核心；使用红外线发射和接收管等分立元件组成探头，并使用ＬＭ３３９电压比较器（加入迟滞电路）可实现避障的精确测量；单片机模块如图５所示。六、结语太阳能电池的使用效果与天空中的阳光强弱，太阳能电池板与阳光角度（是否垂直于阳光）等因素有很大关系，掌握了不同电性能太阳能电池间串、并联组合的使用方法和规律，自动避障可以利用单片机模块，编好程序，用精度高的超声波探头和传感器提高避障的准确性。【参考文献】［１］周勋，徐明．太阳电池的研究和应用进展［Ｊ］．贵州师范大学学报（自然科学版），２０００［２］吴黎明．单片机原理及应用技术［Ｍ］．北京：科学出版社，２００５，第１版·２５·