輕型低成本太陽能車設(shè)計說明書

1、輕型低成本太陽能車設(shè)計說明書 設(shè)計者：譚先華、汪一帆、李志達、江漪、何坤、尹斌、陳曉佳 指導(dǎo)老師：周世權(quán) 作品內(nèi)容簡介 通過分析現(xiàn)有普通汽車和概念型太陽能汽車的特點，我們設(shè)計了一種新型太陽能汽車以及其相關(guān)制造方法，同時經(jīng)過一系列計算與實驗，按照設(shè)計方法制作出該新型太陽能汽車。 本車在技術(shù)上與現(xiàn)有普通汽車相比，采用的是太陽能轉(zhuǎn)換成電能進行驅(qū)動，具有高效的節(jié)能減排特點，不僅減少了現(xiàn)有化石燃料的消耗，同時也減少了有害氣體和二氧化碳的排放。 本車和現(xiàn)有的太陽能汽車相比，由于采用了環(huán)氧樹脂作車身和鋼架結(jié)構(gòu)車架，使本車比普通太能汽車更為輕便高效，同時還極大程度下低了本車的生產(chǎn)成本，相比于普通太陽能十多萬的

2、成本，本車成本僅不足三萬，具有很好的經(jīng)濟優(yōu)勢。 考慮到節(jié)能減排的需求，本車采用綠色太陽能，大輻度降低了化石能源的消耗，同時本車的生產(chǎn)過程所使用的材料絕大部分都可以回收再利用，不會造成環(huán)境污染，具有高效的節(jié)能減排性能。 將太陽能動力應(yīng)用于汽車，將能夠有效降低全球環(huán)境污染。燃燒汽油的汽車是城市中一個重要的污染源頭，汽車排放的廢氣包括二氧化硫和氮氧化物都會引致空氣污染，影響我們的健康?，F(xiàn)在各國的科學(xué)家正致力開發(fā)產(chǎn)生較少污染的電動汽車，希望可以取代燃燒汽油的汽車。但目前電力一大部分來自于化石燃料的燃燒，使用電動汽車會增加用電的需求，增加發(fā)電廠釋放的污染物。有鑒于此，我們團隊希望可以將太陽能轉(zhuǎn)化為電能在

3、儲電池中存起備用，用來推動汽車的電動機。由于太陽能車不用燃燒化石燃料，所以不會放出有害物。據(jù)估計，本車可以減少二氧化碳排放43%54%。本車可以分為車身，車架，電路三個部分，在生產(chǎn)過程中采用了化學(xué)，機械原理，電控原理等多項技術(shù)，并輔助以CAD/CAM軟件進行設(shè)計，本車的多項技術(shù)已申請專利。一 研制背景及目標(biāo) 全球范圍內(nèi)能源危機和環(huán)境污染兩大問題的日益突出，“零排放”節(jié)能車的必要性上升到了新的高度。太陽能汽車具有節(jié)能、環(huán)保、小污染、低噪音等特點，無疑成為眾多“零排放”方案中最吸引人的一個。 經(jīng)過近一年的努力，我們完成了第一輛太陽能原型車的制作。全車基本采用純手工制作，在諸多限制條件下，使用現(xiàn)有資

4、源發(fā)明多項原創(chuàng)技術(shù)，開辟出一條合理的開發(fā)路徑，其中多項技術(shù)已申請專利。 原型車具有太陽能汽車的基本功能：如行駛、轉(zhuǎn)向、制動、倒車等。整車滿足安全性強、可靠性高、重量輕、能耗低等要求。且外形美觀、駕駛舒適、操作簡便。在進一步發(fā)展后，具有較高的市場價值。二 、太陽能汽車概要設(shè)計2.1 太陽能汽車總體設(shè)計 本車分為車身、車架和電控三大部分：車身：主要任務(wù)是承載太陽能板并減少行進中的空氣阻力，目前的車身為半封閉式，扣掛在車架上。其主要難點是如何精確成型；車架：要求有一定的承載能力，目前的車架為不銹鋼通過焊接構(gòu)成。其難點有三部分：（1）受力分析。（2）前橋設(shè)計。（3）駕駛艙設(shè)計。電控：目前采用單片機作為

5、核心，但是以后希望擴展為ARM加DSP的物理結(jié)構(gòu)。理論上的難點為最大功率追蹤算法的研究；工程上的難點包括穩(wěn)定強電電路的設(shè)計，太陽能板功率測試框架搭建，脈寬板(DSP)與控制板(ARM)的設(shè)計與實現(xiàn)。2.2 太陽能汽車結(jié)構(gòu)劃分 如上所述，輕型低成本太陽能汽車分為三大部分，基于功能職責(zé)的不同這三部分可以進一步細分：車身：車身分為前蓋，艙蓋，后蓋和側(cè)翼四部分。目前太陽能板主要安置在后蓋部分。車身主要材料為玻璃纖維，目前的手糊制作方案可以初步成型。不過平面難保證平整，曲面難保證光滑。車架：車架細分為前橋，后架和駕駛艙。車架部分較為復(fù)雜且質(zhì)量要求較高。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是前橋部分的涉及難點與重點。駕駛艙的設(shè)計要求

6、簡約而舒適。后架主要安置蓄電池，并支撐車身的后蓋。電控：電控部分邏輯上分為脈寬調(diào)制與控制電路兩大部分。脈寬調(diào)制部分只負責(zé)接受調(diào)制參數(shù)，并保證充電過程的安全?？刂齐娐分饕邮芴柲馨咫娏麟妷海铍姵仉娏麟妷旱葏?shù)，并通過控制面板與駕駛員完成交互。三 車身設(shè)計3.1總體設(shè)計需求（1）保證太陽能汽車最基本的安全性和完整性，車身必須能與車架完美的連接，不僅需要外觀的配合，同時還要保證兩者相對位置的力學(xué)固定；（2）車身設(shè)計過程要考慮到行駛過程中阻力，盡可能減少空氣阻力與地面阻力對汽車動力能量的浪費；（3）為太陽能電池板的鋪設(shè)提供條件，同時盡量增加太陽能電池板對太陽光的有效接收面積，最大限度地利用太陽能。

7、車身設(shè)計圖如下所示：3.2車身設(shè)計尺寸：3600mm*1600mm*1000mm(局部1600mm)（1）車身長度：考慮到太陽能汽車的軸距與太陽能電池板的外形與尺寸參數(shù)：縱梁是車身中的主要承載原件，其長度一般為軸距的1.41.7倍。每塊太陽能板尺寸為360mm*354mm*25mm綜合上述條件，太陽車的車身總長度為3600mm.（2）車身的寬度為了節(jié)約制造車身所需材料，減少整車重量提高汽車運行效率，同時考慮到整車的橫向穩(wěn)定性以及減少外側(cè)裝置的懸伸長度，車身寬度設(shè)計為1600mm（3）車身的高度車身高度保證駕駛員乘坐的安全與舒適，以及具備良好的視野條件，車身高度為1000mm座艙局部高度為160

8、0mm.（4）車身總布置車身整體采用流線型設(shè)計，局部為了便于太陽能電池的布置與黏貼，車身頂部與兩側(cè)采用近似平面，這種設(shè)計減少了迎風(fēng)面積，進而減少了空氣阻力，節(jié)約汽車運行時的能耗。3.3車身制造工藝： 為了降低整車重量，同時增加車身強度，車身采用玻璃鋼為制造材料。車身部份利用鋼筋直接在車架上焊接出車身外形支承結(jié)構(gòu)，然后在該支承結(jié)構(gòu)上用具有一定自成型能力和一定強度剛度的鐵絲網(wǎng)構(gòu)造出車身模型，在該模型上敷制玻璃纖維成型。 制造過程主要采用191不飽和樹脂、玻璃布、固化劑及其他促進劑，車身用調(diào)制好的樹脂敷制9層，然后進行固化，歷時僅需兩天，車身最終厚度達79mm。滿足強度需要。該制造過程具有用時省，能

9、耗低的特點。 四、車架設(shè)計4.1總體設(shè)計及其要求 太陽能汽車中，車架使用以將發(fā)動機、底盤和車身中各主要總成連成一個整體。在進行太陽能電動車車架設(shè)計時，必須使其滿足以下的基本要求:（1）具有足夠的強度，保證太陽能電動車在任何工況下，車架的主要零部件不因受力而破壞。（2）具有足夠的抗彎剛度，以免車架上的總成因變形過大而早期損壞。（3）車架要有合適的扭轉(zhuǎn)剛度。（4）車架重量要輕，主要考慮到太陽能的功率有限，又要保證一定速度，所以車架重量應(yīng)盡可能輕。4.2 車架結(jié)構(gòu)原理設(shè)計 為了達到以上要求，是太陽能車架在整體上滿足強度，剛度，重量以及平穩(wěn)安全方面的要求，在車架設(shè)計中將其分為如下幾塊：前橋，后架，駕駛

10、艙。前橋部分主要負責(zé)車體在行駛過程中的轉(zhuǎn)向及大部分的承重，其中轉(zhuǎn)向由轉(zhuǎn)向機控制，承重由與前橋相連的兩個車輪及減震器控制。后架部分主要負責(zé)車身后半部分的承接及車體后半部分的承重，其中承重由與后輪連接的減震器控制。駕駛艙部分主要安放駕駛員座位，同時也放置儀表盤，控制按鈕，方向盤及剎車等物件。這三個部分又整體鋼架連接在一起，同時前橋前邊還向前伸出前架，整體鋼架同時又是車身的支撐框架。 太陽能電動車車架的結(jié)構(gòu)如下圖 4.2.1 車架幾何尺寸 由于太陽能電動車承受的載荷較小行駛的路面狀況較好因此太陽能電動車的架采用類似于框架邊梁式整體結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點是便于安裝車身布置其它總成，靈活性大。由于車架內(nèi)部要有一定

11、的容積，這就需要車架身的結(jié)構(gòu)不能太復(fù)雜，采用框架式結(jié)構(gòu)可以節(jié)約大量的空間。在承受扭矩時，縱梁橫梁同時產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)，避免了應(yīng)力的集中。 太陽能電動車車架設(shè)計必須遵循輕量化的設(shè)計原則，這是根據(jù)市場和社會提出的安全、無公害、低成本及節(jié)能的要求，車輛制造者必須要考慮的技術(shù)課題。太陽能電動車的車架大約占整車總重的20%左右，所以車架輕量化就可以在很大程度上減輕整車的重量。在車架設(shè)計進展過程中，通過對市場上諸多結(jié)構(gòu)材料的調(diào)研，確定采用1.5mm厚的不銹鋼方管作為太陽能電動車車架的主干結(jié)構(gòu)材料。根據(jù)總布置技術(shù)指標(biāo)要求，定義太陽能電動車的外廓尺寸如下：長：2900mm；寬：1430mm；高：500mm:軸距

12、：1500mm;輪距：1220mm。因此，車架的幾何尺寸必須以滿足整車外廓尺寸為前提。 4.2.2 車架附件 車架的附件包括:轉(zhuǎn)向系總成與制動系總成的安裝支架、車身殼體的固定支架、頂部太陽能電池板的固定支架、蓄電池與冷卻風(fēng)扇的安裝支架、地板、座椅等。以上所有支架均根據(jù)其它總成提供的數(shù)據(jù)設(shè)計，不再贅述。底板選2mm厚的膠合板，原因是膠合板的密度低，它的作用主要是防塵、密封。 4.3車架詳細設(shè)計4.3.1 前橋設(shè)計 該前橋主要由轉(zhuǎn)向板、轉(zhuǎn)向軸、減震彈簧、上臂、下臂母板和前橋主體組成，并能夠選用現(xiàn)有的轉(zhuǎn)向機構(gòu)進行配合連接。減震彈簧為傾斜一定角度放置，以增加在汽車拐彎時的適應(yīng)能力。上臂、下臂、母板、轉(zhuǎn)

13、向板轉(zhuǎn)向軸組成一個近似平行四邊形機構(gòu)，這樣汽車上下擺震時不會導(dǎo)致車輪歪斜。母板卡在兩主軸之間，并連接至兩端，防止母板松動，增加車架地盤的穩(wěn)定性和負載能力。母板的形狀是根據(jù)其受力設(shè)計的，可用厚鋼板制作。轉(zhuǎn)向板可以由鋼板軋制或鍛壓成型，使其具有良好的力學(xué)性能。上臂和下臂可用鑄鋼，或使用鋼板鍛壓。其結(jié)構(gòu)圖如下所示： 圖中: 1車輪, 2轉(zhuǎn)向板, 3轉(zhuǎn)向軸, 4下臂, 5減震彈，6上臂, 7母板, 8前橋主體, 轉(zhuǎn)向機構(gòu) 4.3.2 后架設(shè)計 后架是由支架連桿，耳片，上耳片墊板，下耳片墊板，支架耳片，支架耳片墊片，下支座，上支座，支架及減震彈簧組成。減震彈簧為傾斜一定角度放置，能夠很好的在車行駛過程中

14、起到減震效果。支架連桿及耳片在上下支座之間，并連接至兩端，增加車架地盤的穩(wěn)定性和負載能力。耳片的形狀是根據(jù)其受力設(shè)計的，可用厚鋼板制作。墊片可以由鋼板軋制或鍛壓成型，使其具有良好的力學(xué)性能。上支座和下支座可用鑄鋼，或使用鋼板鍛壓。具體設(shè)計如下圖所示：4.3.3駕駛艙設(shè)計 駕駛艙主座位，要由中間橫桿，靠背，坐墊，方向盤，儀表盤，操作按鈕，剎車及座艙蓋組成，在設(shè)計過程中盡可能保證了在滿足整車功能及駕駛者舒適程度的基礎(chǔ)上使它看起來比較美觀。4.4車架分析4.4.1太陽能車車架靜態(tài)性能（1）太陽能車車架有限元模型的建立 由于太陽能電動車車架材料為規(guī)則的管件結(jié)構(gòu)，并且截面在長度方向上沒有變化，所以完全可

15、以用直線代替實際管件，根據(jù)骨架的特點，采用ANSYS空間梁單元進行模擬和分析。抽取骨架的中心線作為ANSYS分析的對象，可以很好的擬合骨架結(jié)構(gòu)。采用這種線框結(jié)構(gòu)在不降低計算精度的前提下，大大簡化了車架的實際結(jié)構(gòu)，顯著減少了模型劃分的單元數(shù)目，從而減少了計算時間。 車架模型建完以后，下一步就是對其進行單元的選擇。太陽能電動車車架采用梁單元對其進行單元劃分。太陽能電動車車架采用ANSYS自帶的自動網(wǎng)格劃分(Sm別rtsize)，選取6級劃分精度。 太陽能電動車車架的計算載荷主要有: 車架的自重。主要是橫梁與縱梁。 載重。駕駛員重量。 其它總成及設(shè)備重量。包括頂電池板重量、車身外殼重量、蓄電池總成重

16、量等。 車架的自重以均布載荷的形式加載，駕駛員、蓄電池的重量以局部均布載荷的形式加載，而電池板、車殼重量以相應(yīng)連接點的集中載荷形式加載。在求解車架的總剛度方程時，要有足夠的約束條件，消除車架的整體剛體位移，才能求出車架因變形而引起的節(jié)點位移。為了消除空間運動的六個自由度，可設(shè)置如下圖所示的支座約束來滿足這個要求。此約束狀態(tài)相當(dāng)于用三個支座把車架支承在三個試驗點上。支座約束，進行有限元分析時，在右前側(cè)車軸A處約束X、Y、Z三個自由度，左前側(cè)車軸B處約束X、Y兩個自由度，在后軸C處約束Y、Z兩個自由度，三點處ROTX、ROTY、ROTZ自面這樣就可以消除三個方向的剛體位移。（2）車架的靜強度通過計

17、算機輔助分析，從應(yīng)力分布云圖中得到，車架的最大應(yīng)力為22.4MPa,發(fā)生在右前懸架處。車架的計算工況主要包括:（1）車架受非對稱垂直載荷。這種工況是指太陽能電動車單側(cè)車輪駛上路面凸起障礙或陷入凹坑時，車輪與路面沖擊時發(fā)生的最大動載荷。（2）緊急制動時，由慣性力引起的最大縱向動載荷。（3）轉(zhuǎn)彎時的側(cè)向力。4.4.2太陽能車車架動態(tài)性能（1）車架模態(tài)分析 模態(tài)分析主要用于決定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，這是動態(tài)載荷作用下結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)，因此對車架進行固有特性的模態(tài)分析是很有必要的。 在本設(shè)計中，利用ANSYS中的Modal模塊對太陽能車車架進行模態(tài)分析。在討論車架的自由模態(tài)時，取與模態(tài)試驗的約束條

18、件相同，將車架用一根柔性的彈簧吊起，使其處于自由狀態(tài)下進行分析。具體懸吊方法是:車架縱梁前端左右兩側(cè)各用一根柔性的彈簧吊起，后端用一根柔性的彈簧吊起，即采用三點懸吊式，最終求得車架前十階的固有頻率和振型。前十階頻率如下表所示：階次12345678910頻率(Hz)26.9140.8765.2975.0384.3786.8895.16103.48107.13121.30變形情況扭轉(zhuǎn)變形彎曲變形扭轉(zhuǎn)變形彎曲變形彎曲變形彎扭組合彎扭組合彎扭組合彎扭組合彎扭組合（2）車架的諧態(tài)響應(yīng) 當(dāng)把汽車近似作為線性系統(tǒng)處理時，掌握了輸入的路面不平度功率譜以及車輛系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)，就可以求出各響應(yīng)物理量的功率譜，

19、并用功率譜來分析振動系統(tǒng)參數(shù)對各響應(yīng)物理量的影響和評價車輛平順性。在求解出模態(tài)之后，以“激勵集”為輸入，即可求出各自由度的響應(yīng)。響應(yīng)輸出形式可以以時域或頻域上的XY函數(shù)的形式給出，也可進行數(shù)學(xué)上的進一步處理 4.4.3 車架結(jié)構(gòu)技術(shù)計算（1）車架尺寸及受力 在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，為了初步確定縱梁圓管的截面尺寸(即直徑和壁厚)，須作以下幾點假設(shè):a 縱梁為支承在前后軸上的簡支梁:b 整車的簧載質(zhì)量均加在簡支梁上;c 所有內(nèi)外載荷均通過截面的形心(忽略局部扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的影響)。因此車架可以簡化為下圖的簡支梁模型。 確定計算彎矩圖中，F(xiàn)1只為承受的頂蓋電池板的重量;q1為駕駛員重量的等價均布載荷;q2為蓄電池及

20、風(fēng)扇的等價均布載荷。設(shè)駕駛員的質(zhì)量M1=80Kg;蓄電池及風(fēng)扇的總質(zhì)量M2=60Kg;頂部電池板的質(zhì)量M3=50Kg。所以: F1=M3*9.8/4=50*9.8/4=122.5N F2=F1=122.5N Q1=515N/m Q2=237N/m L1=740mm; L2=760mm; L3=1240mm;L4=500mm因此車架的彎矩圖如下圖所示 其中： M1=-90.65Nm M2=-61.25Nm M3=82Nm 縱梁截面尺寸的確定由于縱梁在長度方向上截面尺寸無變化，所以在最大彎矩處其彎曲應(yīng)力達到最大值。設(shè)D為管外徑(單位mm)，d為管內(nèi)徑(單位mm)，取管壁厚2mm，d=D一4。做大切

21、應(yīng)力=Mdmax/W=176.2Mpa. 縱梁抗彎剛度的初步校核為了保證整車和其它安裝在太陽能電動車車架上其它總成的正常工作，對縱梁的最大彎曲擾度應(yīng)加以限制。根據(jù)縱梁所受載荷，計算得縱梁的位移圖如下:根據(jù)計算結(jié)果，縱梁的最大擾度fmax=3.24mm0，在右邊是dP/dV0，它是已知的擾動走向的MPP的太陽能板的工作點。 擾動和觀察算法然后繼續(xù)向擾動的同一方向增加。如果dP/dV0，那么在工作點變化將使太陽能電池板遠離MPP點，這時應(yīng)該反方向擾動4。 圖11中的VPV是光伏組件的輸出電壓，IPV是光伏組件的工作電流，PPV_old是前一次采樣的光伏組件的工作電壓，PWM是當(dāng)前的占空比，PWM_

22、old是前一次采樣的占空比，K是PWM的占空比調(diào)整的步長，在某些時候下這個K是很難確定的。 擾動和觀察的方法的主要優(yōu)點是，它很容易實現(xiàn)，需要較低的計算復(fù)雜度。然而，有一些限制，比如在穩(wěn)態(tài)運行MPP時，由于擾動算法的反應(yīng)速度緩慢，并不能跟得上天氣的變化速度而導(dǎo)致追蹤不到最大功率點。 本研究中，MOSFET的PWM信號由STC89C5410AD放出，目前在使用40MHz的晶振時頻率可以達到70KHz（PCA），20KHz（自帶PWM）。該芯片自帶PWM，PCA，DAC等功能，能夠滿足我們使用。控制程序使用了Keil C51的RTX51-Tiny操作系統(tǒng)，按照時間片輪轉(zhuǎn)的方式進行按鍵的掃描，電壓電流

23、的采樣，計算后調(diào)整PWM信號，定時對字符液晶上的信息進行更新。 5.2.3 DC/DC電路設(shè)計 DC/DC電路是連接太陽能電池板與鉛酸電池的橋梁，其主要作用是進行電壓變換以及光伏電池陣列的最大功率追蹤。 根據(jù)輸出電壓與輸入電壓的不同，DC/DC轉(zhuǎn)換電路可以分為升壓（Boost）、降壓（Buck）和升降壓三種基本類型。由于光伏陣列在工作時容易受到太陽輻射和溫度變化的影響，在某些情況下最大功率點是的電壓可能變得比較低，這時選用升壓的Boost型的DC/DC電路（如圖4所示）比較合適。而且只要保證輸入電感足夠大，Boost升壓電路就可以始終工作在電流連續(xù)模式。同時，Boost電路十分簡單，并且功率管一端接地，其驅(qū)動電路也比較簡單5。 5.3太陽能電池板的參數(shù)太陽能電池板尺寸：