微型太陽能電動車的設計及動力參數(shù)匹配

陶曉娟　湯輝

【摘 要】文章以微型電動車為設計基礎，根據(jù)整車參數(shù)的特征，以各部件的設計理論為依據(jù)，首先制定太陽能電動車動力傳動方案，然后對動力和驅動系統(tǒng)進行匹配設計，最后在汽車動力性理論的基礎上，進行動力性相關計算，并運用matlab軟件進行太陽能電動車的動力性仿真分析，得到驅動力與行駛阻力平衡圖、功率平衡圖、爬坡度曲線圖及加速度特性曲線圖，完成了整車設計及關鍵部件的校核工作。

【關鍵詞】電動車；動力參數(shù)；MATLAB；匹配設計；校核

【中圖分類號】U469.72.1 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）01-0022-05

0 前言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，對于資源的消耗也越來越大，環(huán)境污染帶來的一系列問題使得政府及廣大消費者對新能源汽車的渴求越來越強烈，新能源汽車成為新一輪汽車工業(yè)的重大發(fā)展使命。

本文以微型電動車設計為基礎，整個設計的過程會考慮很多因素，例如根據(jù)汽車理論中汽車的功率公式：汽車的質量越小則汽車在行駛的過程中功率消耗就會越低。相對其他轎車而言，太陽能電動車續(xù)駛里程短且最高行駛速度低。為了克服這些缺點，將輕量化的思想灌入太陽能電動車設計中，以某微型電動車（smart fortwo）為原型，進行設計的改進。

太陽能電動車是一個復雜的系統(tǒng)，只有各個系統(tǒng)協(xié)調而又穩(wěn)定地工作，才能保證整車的正常運行，因此太陽能電動車的設計是一個嚴密而又繁瑣的工作，一般依據(jù)如圖1所示的流程進行，其中動力參數(shù)的匹配是電動車設計的關鍵，不僅關系到電動車的動力性問題，還對整個汽車的車身布置、整車質量、行駛可靠性產(chǎn)生影響。

確定設計的整車參數(shù)是整個設計過程的輸入條件，后續(xù)的造型設計、動力匹配等都是圍繞著滿足整車參數(shù)來進行的。本文確定電動車的整體參數(shù)見表1，從整車總體來看，其車身外輪廓比較小，不僅可以節(jié)省功率，還可以在交通擁堵的城市間自由穿梭?？傊妱榆囀褂闷饋磔^為方便，且安全性能高、環(huán)保無污染。

目前，電動車的驅動方案主要有2種：第一種是傳統(tǒng)的驅動方式（如圖2所示）；這種傳動方式容易實現(xiàn)，只是將傳統(tǒng)的內燃機替換為電動機，但缺點是傳動線路長，因此消耗能量高、噪音較大、整車質量重、行駛時速度低、行車距離短。

第二種方式是減速型驅動方式（如圖3所示），它與傳統(tǒng)型驅動方式相比，具有經(jīng)濟節(jié)能、低碳環(huán)保、輕量化等特點，雖然它的控制系統(tǒng)稍微復雜，但在未來，電動車肯定會朝著智能化方向發(fā)展。因此控制系統(tǒng)的設計是電動汽車必不可少的重要環(huán)節(jié)。本文選用第二種驅動方式——減速式驅動方式。

1 動力組件的選型及參數(shù)匹配

太陽能電動車的動力部件對于它的動力性能的達標有著非常重要的影響，動力部件的選型及匹配也是整車設計的關鍵部分。本文將在太陽能電動車整車結構參數(shù)、性能要求的基礎上，合理地布置太陽能電池，科學地匹配蓄電池和電動機，并進行關鍵部件選型等工作。

汽車在行駛的過程中，其行駛的動力性是其重要的性能指標之一、它是指汽車在良好的路面上行駛時受到的縱向外力決定的所能達到的平均行駛速度。這項性能指標可由3個方面來評定，即汽車的最高車速、汽車的加速時間、汽車的最大爬坡度。在設計的過程中需要考慮到的因素有發(fā)動機性能參數(shù)、汽車結構參數(shù)及汽車使用參數(shù)。本文結合太陽能電動車的結構特點，對整車動力性相關的參數(shù)設定見表2。

本文根據(jù)太陽能電動車的一般行駛路工況，假設本車在水平路面上或者行駛路面有很小的坡度。當太陽能電動車以最大速度行駛在水平路面時，此時的最大功率可由以下公式求得[16]。

將表2中動力性相關參數(shù)設定帶入式（2），可得太陽能電動車行駛的額定功率為1.95 kW。

1.2 電動機參數(shù)匹配

1.2.1 電動機功率匹配

電動機額定功率的選取應大于純電動汽車以最高車速行駛的阻力功率，從而保證在良好的工況下，能以較高的車速行駛。電動機的最大功率應滿足整車的最大功率需求，即最大功率Pmax≥7.42 kW，為了安全起見，取Pmax=10 kW。

但實際行使過程中，最大功率工作時間很短，因此一般以整車平均速度下的功率為基點，同時滿足過載條件（過載能力≥2），由此取電動機額定功率Pa=5 kW。

1.2.2 轉速扭矩匹配

額定功率相同的電動機，額定轉速高時，其體積小、重量輕、價格低、效率和功率因數(shù)較高，且從整車性能來說，電動機轉速高，既可減少實際運行過程中的機械損耗，充分利用蓄電池的能源，也能為控制系統(tǒng)提供較大的調速范圍，因此電動機轉速高是有利的。

但在汽車的行駛速度一定時，如果考慮直接擋為正常行駛擋，電動機的額定轉速越高，則傳動速比越大，有可能加大主減速器的速比和尺寸。因此，電動機額定轉速的選擇應視具體情況并綜合考慮以上因素，確定額定轉速為2 000 r/min，最高轉速為5 000 r/min。

綜合以上各個方程得到1.841 7≤i≤1.918，取i=1.9。

2 太陽能電動車的動力性分析

本課題研究的太陽能電動車共設置2個擋位，在整個設計的過程中需要讀其進行動力性的校核，因為汽車動力性的好壞直接影響它的行駛性能。

2.1 減速擋位動力性校核

利用matlab編制m文件，得到驅動力-行駛阻力平衡圖和功率平衡圖（如圖4、圖5所示）。

由圖5可以看出，太陽能電動車減速擋位的穩(wěn)定車速是23.5 km/h，直接擋位的穩(wěn)定車速為72.6 km/h，最大車速為115.7 km/h。

利用matlab根據(jù)相關爬坡度公式進行m文件的編制，繪制爬坡度曲線圖如圖6所示，一擋原地起步加速時間曲線圖如圖7所示。

2.2 續(xù)駛例程校核

假定太陽能電動汽車在續(xù)駛里程測試過程中以速度V等速行駛，其行駛阻力可由式計算得到：

3 結論

本文以微型電動車（smart fortwo）為原型，進行修改設計。首先根據(jù)整車構成及整車參數(shù)的特征，以各部件的設計理論為依據(jù)，完成太陽能電池布置方案和數(shù)目分布、蓄電池和電動機的匹配工作及太陽能電動車動力傳動方案確定。對動力和驅動系統(tǒng)進行匹配設計，根據(jù)設計要求，對電動機、電池、發(fā)動機或發(fā)電機等進行比較選型，并計算確定相應的額定功率等參數(shù)及動力電池模塊的數(shù)量及容量。其次運用UG三維建模軟件進行關鍵部件的模型建立，其中包括太陽能電動車傳動系、太陽能電池及整車模型，進而完成傳動系、整車外形圖、底盤二維圖的繪制。本文根據(jù)相關理論，對前后軸進行校核。最后在汽車動力性理論的基礎上，進行動力性相關計算，并運用matlab軟件進行太陽能電動車的動力性仿真分析，得到驅動力與行駛阻力平衡圖、功率平衡圖、爬坡度曲線圖及加速度特性曲線圖，通過對這些結果圖分析，完成整車設計及關鍵部件的校核工作。根據(jù)結果可知，本文對太陽能電動車的設計是可行的。

參 考 文 獻

[1]張浩鍇.新能源汽車車身結構的概念設計開發(fā)[D].廣州：華南理工大學，2013.

[2]趙玉東.太陽能電動車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配及仿真研究[D].長春：吉林大學，2007.

[3]馮卓津.國外太陽能汽車的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].汽車雜志，1994（4）：27-30.

[4]黃堃.英國退出新型低功率太陽能車[J].中國建設信

息，2009（23），22.

[5]Shimizu Y，Komatsa Y.Solar car cruising strategy

and its supporting system[J].JSAE Rview，1998

（19）：143-149.

[6]張曉東.太陽能電動車模型設計[D].沈陽：沈陽理工大學，2011.

[7]張明.太陽能電動車電池管理系統(tǒng)研究[D].長春：吉林大學，2012.

[責任編輯：鐘聲賢]