轻型低成本太阳能车设计说明书.docx

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轻型低成本太阳能车设计说明书

设计者：

谭先华、汪一帆、李志达、江漪、何坤、尹斌、陈晓佳

指导老师：

周世权

作品内容简介

通过分析现有普通汽车和概念型太阳能汽车的特点，我们设计了一种新型太阳能汽车以及其相关制造方法，同时经过一系列计算与实验，按照设计方法制作出该新型太阳能汽车。

本车在技术上与现有普通汽车相比，采用的是太阳能转换成电能进行驱动，具有高效的节能减排特点，不仅减少了现有化石燃料的消耗，同时也减少了有害气体和二氧化碳的排放。

本车和现有的太阳能汽车相比，由于采用了环氧树脂作车身和钢架结构车架，使本车比普通太能汽车更为轻便高效，同时还极大程度下低了本车的生产成本，相比于普通太阳能十多万的成本，本车成本仅不足三万，具有很好的经济优势。

考虑到节能减排的需求，本车采用绿色太阳能，大辐度降低了化石能源的消耗，同时本车的生产过程所使用的材料绝大部分都可以回收再利用，不会造成环境污染，具有高效的节能减排性能。

将太阳能动力应用于汽车，将能够有效降低全球环境污染。

燃烧汽油的汽车是城市中一个重要的污染源头，汽车排放的废气包括二氧化硫和氮氧化物都会引致空气污染，影响我们的健康。

现在各国的科学家正致力开发产生较少污染的电动汽车，希望可以取代燃烧汽油的汽车。

但目前电力一大部分来自于化石燃料的燃烧，使用电动汽车会增加用电的需求，增加发电厂释放的污染物。

有鉴于此，我们团队希望可以将太阳能转化为电能在储电池中存起备用，用来推动汽车的电动机。

由于太阳能车不用燃烧化石燃料，所以不会放出有害物。

据估计，本车可以减少二氧化碳排放43%～54%。

本车可以分为车身，车架，电路三个部分，在生产过程中采用了化学，机械原理，电控原理等多项技术，并辅助以CAD/CAM软件进行设计，本车的多项技术已申请专利。

一研制背景及目标

全球范围内能源危机和环境污染两大问题的日益突出，“零排放”节能车的必要性上升到了新的高度。

太阳能汽车具有节能、环保、小污染、低噪音等特点，无疑成为众多“零排放”方案中最吸引人的一个。

经过近一年的努力，我们完成了第一辆太阳能原型车的制作。

全车基本采用纯手工制作，在诸多限制条件下，使用现有资源发明多项原创技术，开辟出一条合理的开发路径，其中多项技术已申请专利。

原型车具有太阳能汽车的基本功能：

如行驶、转向、制动、倒车等。

整车满足安全性强、可靠性高、重量轻、能耗低等要求。

且外形美观、驾驶舒适、操作简便。

在进一步发展后，具有较高的市场价值。

二、太阳能汽车概要设计

2.1太阳能汽车总体设计

本车分为车身、车架和电控三大部分：

车身：

主要任务是承载太阳能板并减少行进中的空气阻力，目前的车身为半封闭式，扣挂在车架上。

其主要难点是如何精确成型；

车架：

要求有一定的承载能力，目前的车架为不锈钢通过焊接构成。

其难点有三部分：

（1）受力分析。

（2）前桥设计。

（3）驾驶舱设计。

电控：

目前采用单片机作为核心，但是以后希望扩展为ARM加DSP的物理结构。

理论上的难点为最大功率追踪算法的研究；工程上的难点包括稳定强电电路的设计，太阳能板功率测试框架搭建，脉宽板（DSP）与控制板（ARM）的设计与实现。

2.2太阳能汽车结构划分

如上所述，轻型低成本太阳能汽车分为三大部分，基于功能职责的不同这三部分可以进一步细分：

车身：

车身分为前盖，舱盖，后盖和侧翼四部分。

目前太阳能板主要安置在后盖部分。

车身主要材料为玻璃纤维，目前的手糊制作方案可以初步成型。

不过平面难保证平整，曲面难保证光滑。

车架：

车架细分为前桥，后架和驾驶舱。

车架部分较为复杂且质量要求较高。

转向系统是前桥部分的涉及难点与重点。

驾驶舱的设计要求简约而舒适。

后架主要安置蓄电池，并支撑车身的后盖。

电控：

电控部分逻辑上分为脉宽调制与控制电路两大部分。

脉宽调制部分只负责接受调制参数，并保证充电过程的安全。

控制电路主要接受太阳能板电流电压，蓄电池电流电压等参数，并通过控制面板与驾驶员完成交互。

三车身设计

3.1总体设计需求

（1）保证太阳能汽车最基本的安全性和完整性，车身必须能与车架完美的连接，不仅需要外观的配合，同时还要保证两者相对位置的力学固定；

（2）车身设计过程要考虑到行驶过程中阻力，尽可能减少空气阻力与地面阻力对汽车动力能量的浪费；

（3）为太阳能电池板的铺设提供条件，同时尽量增加太阳能电池板对太阳光的有效接收面积，最大限度地利用太阳能。

车身设计图如下所示：

3.2车身设计尺寸：

3600mm*1600mm*1000mm（局部1600mm）

（1）车身长度：

考虑到太阳能汽车的轴距与太阳能电池板的外形与尺寸参数：

纵梁是车身中的主要承载原件，其长度一般为轴距的1.4～1.7倍。

每块太阳能板尺寸为360mm*354mm*25mm

综合上述条件，太阳车的车身总长度为3600mm.

（2）车身的宽度

为了节约制造车身所需材料，减少整车重量提高汽车运行效率，同时考虑到整车的横向稳定性以及减少外侧装置的悬伸长度，车身宽度设计为1600mm

（3）车身的高度

车身高度保证驾驶员乘坐的安全与舒适，以及具备良好的视野条件，车身高度为1000mm座舱局部高度为1600mm.

（4）车身总布置

车身整体采用流线型设计，局部为了便于太阳能电池的布置与黏贴，车身顶部与两侧采用近似平面，这种设计减少了迎风面积，进而减少了空气阻力，节约汽车运行时的能耗。

3.3车身制造工艺：

为了降低整车重量，同时增加车身强度，车身采用玻璃钢为制造材料。

车身部份利用钢筋直接在车架上焊接出车身外形支承结构，然后在该支承结构上用具有一定自成型能力和一定强度刚度的铁丝网构造出车身模型，在该模型上敷制玻璃纤维成型。

制造过程主要采用191不饱和树脂、玻璃布、固化剂及其他促进剂，车身用调制好的树脂敷制9层，然后进行固化，历时仅需两天，车身最终厚度达7~9mm。

满足强度需要。

该制造过程具有用时省，能耗低的特点。

四、车架设计

4.1总体设计及其要求

太阳能汽车中，车架使用以将发动机、底盘和车身中各主要总成连成一个整体。

在进行太阳能电动车车架设计时，必须使其满足以下的基本要求:

（1）具有足够的强度，保证太阳能电动车在任何工况下，车架的主要零部件不因受力而破坏。

（2）具有足够的抗弯刚度，以免车架上的总成因变形过大而早期损坏。

（3）车架要有合适的扭转刚度。

（4）车架重量要轻，主要考虑到太阳能的功率有限，又要保证一定速度，所以车架重量应尽可能轻。

4.2车架结构原理设计

为了达到以上要求，是太阳能车架在整体上满足强度，刚度，重量以及平稳安全方面的要求，在车架设计中将其分为如下几块：

前桥，后架，驾驶舱。

前桥部分主要负责车体在行驶过程中的转向及大部分的承重，其中转向由转向机控制，承重由与前桥相连的两个车轮及减震器控制。

后架部分主要负责车身后半部分的承接及车体后半部分的承重，其中承重由与后轮连接的减震器控制。

驾驶舱部分主要安放驾驶员座位，同时也放置仪表盘，控制按钮，方向盘及刹车等物件。

这三个部分又整体钢架连接在一起，同时前桥前边还向前伸出前架，整体钢架同时又是车身的支撑框架。

太阳能电动车车架的结构如下图

4.2.1车架几何尺寸

由于太阳能电动车承受的载荷较小行驶的路面状况较好因此太阳能电动车的架采用类似于框架边梁式整体结构。

其优点是便于安装车身布置其它总成，灵活性大。

由于车架内部要有一定的容积，这就需要车架身的结构不能太复杂，采用框架式结构可以节约大量的空间。

在承受扭矩时，纵梁横梁同时产生弯曲和扭转，避免了应力的集中。

太阳能电动车车架设计必须遵循轻量化的设计原则，这是根据市场和社会提出的安全、无公害、低成本及节能的要求，车辆制造者必须要考虑的技术课题。

太阳能电动车的车架大约占整车总重的20%左右，所以车架轻量化就可以在很大程度上减轻整车的重量。

在车架设计进展过程中，通过对市场上诸多结构材料的调研，确定采用1.5mm厚的不锈钢方管作为太阳能电动车车架的主干结构材料。

根据总布置技术指标要求，定义太阳能电动车的外廓尺寸如下：

长：

2900mm；

宽：

1430mm；

高：

500mm:

轴距：

1500mm;

轮距：

1220mm。

因此，车架的几何尺寸必须以满足整车外廓尺寸为前提。

4.2.2车架附件

车架的附件包括:

转向系总成与制动系总成的安装支架、车身壳体的固定支架、顶部太阳能电池板的固定支架、蓄电池与冷却风扇的安装支架、地板、座椅等。

以上所有支架均根据其它总成提供的数据设计，不再赘述。

底板选2mm厚的胶合板，原因是胶合板的密度低，它的作用主要是防尘、密封。

4.3车架详细设计

4.3.1前桥设计

该前桥主要由转向板、转向轴、减震弹簧、上臂、下臂母板和前桥主体组成，并能够选用现有的转向机构进行配合连接。

减震弹簧为倾斜一定角度放置，以增加在汽车拐弯时的适应能力。

上臂、下臂、母板、转向板转向轴组成一个近似平行四边形机构，这样汽车上下摆震时不会导致车轮歪斜。

母板卡在两主轴之间，并连接至两端，防止母板松动，增加车架地盘的稳定性和负载能力。

母板的形状是根据其受力设计的，可用厚钢板制作。

转向板可以由钢板轧制或锻压成型，使其具有良好的力学性能。

上臂和下臂可用铸钢，或使用钢板锻压。

其结构图如下所示：

图中:

1车轮,2转向板,3转向轴,4下臂,5减震弹，6上臂,7母板,8前桥主体,转向机构

4.3.2后架设计

后架是由支架连杆，耳片，上耳片垫板，下耳片垫板，支架耳片，支架耳片垫片，下支座，上支座，支架及减震弹簧组成。

减震弹簧为倾斜一定角度放置，能够很好的在车行驶过程中起到减震效果。

支架连杆及耳片在上下支座之间，并连接至两端，增加车架地盘的稳定性和负载能力。

耳片的形状是根据其受力设计的，可用厚钢板制作。

垫片可以由钢板轧制或锻压成型，使其具有良好的力学性能。

上支座和下支座可用铸钢，或使用钢板锻压。

具体设计如下图所示：

4.3.3驾驶舱设计

驾驶舱主座位，要由中间横杆，靠背，坐垫，方向盘，仪表盘，操作按钮，刹车及座舱盖组成，在设计过程中尽可能保证了在满足整车功能及驾驶者舒适程度的基础上使它看起来比较美观。

4.4车架分析

4.4.1太阳能车车架静态性能

（1）太阳能车车架有限元模型的建立

由于太阳能电动车车架材料为规则的管件结构，并且截面在长度方向上没有变化，所以完全可以用直线代替实际管件，根据骨架的特点，采用ANSYS空间梁单元进行模拟和分析。

抽取骨架的中心线作为ANSYS分析的对象，可以很好的拟合骨架结构。

采用这种线框结构在不降低计算精度的前提下，大大简化了车架的实际结构，显著减少了模型划分的单元数目，从而减少了计算时间。

车架模型建完以后，下一步就是对其进行单元的选择。

太阳能电动车车架采用梁单元对其进行单元划分。

太阳能电动车车架采用ANSYS自带的自动网格划分（Sm别rtsize），选取6级划分精度。

太阳能电动车车架的计算载荷主要有:

①车架的自重。

主要是横梁与纵梁。

②载重。

驾驶员重量。

③其它总成及设备重量。

包括顶电池板重量、车身外壳重量、蓄电池总成重量等。

车架的自重以均布载荷的形式加载，驾驶员、蓄电池的重量以局部均布载荷的形式加载，而电池板、车壳重量以相应连接点的集中载荷形式加载。

在求解车架的总刚度方程时，要有足够的约束条件，消除车架的整体刚体位移，才能求出车架因变形而引起的节点位移。

为了消除空间运动的六个自由度，可设置如下图所示的支座约束来满足这个要求。

此约束状态相当于用三个支座把车架支承在三个试验点上。

支座约束，进行有限元分析时，在右前侧车轴A处约束X、Y、Z三个自由度，左前侧车轴B处约束X、Y两个自由度，在后轴C处约束Y、Z两个自由度，三点处ROTX、ROTY、ROTZ自面这样就可以消除三个方向的刚体位移。

（2）车架的静强度

通过计算机辅助分析，从应力分布云图中得到，车架的最大应力为22.4MPa,发生在右前悬架处。

车架的计算工况主要包括:

（1）车架受非对称垂直载荷。

这种工况是指太阳能电动车单侧车轮驶上路面凸

起障碍或陷入凹坑时，车轮与路面冲击时发生的最大动载荷。

（2）紧急制动时，由惯性力引起的最大纵向动载荷。

（3）转弯时的侧向力。

4.4.2太阳能车车架动态性能

（1）车架模态分析

模态分析主要用于决定结构的固有频率和振型，这是动态载荷作用下结构设计中的重要参数，因此对车架进行固有特性的模态分析是很有必要的。

在本设计中，利用ANSYS中的Modal模块对太阳能车车架进行模态分析。

在讨论车架的自由模态时，取与模态试验的约束条件相同，将车架用一根柔性的弹簧吊起，使其处于自由状态下进行分析。

具体悬吊方法是:

车架纵梁前端左右两侧各用一根柔性的弹簧吊起，后端用一根柔性的弹簧吊起，即采用三点悬吊式，最终求得车架前十阶的固有频率和振型。

前十阶频率如下表所示：

阶次

频率

（Hz）

26.91

40.87

65.29

75.03

84.37

86.88

95.16

103.48

107.13

121.30

变形

情况

扭转变形

弯曲变形

扭转变形

弯曲变形

弯扭组合

（2）车架的谐态响应

当把汽车近似作为线性系统处理时，掌握了输入的路面不平度功率谱以及车辆系统的频率响应函数，就可以求出各响应物理量的功率谱，并用功率谱来分析振动系统参数对各响应物理量的影响和评价车辆平顺性。

在求解出模态之后，以“激励集”为输入，即可求出各自由度的响应。

响应输出形式可以以时域或频域上的XY函数的形式给出，也可进行数学上的进一步处理

4.4.3车架结构技术计算

（1）车架尺寸及受力

在结构设计时，为了初步确定纵梁圆管的截面尺寸（即直径和壁厚），须作以下几点假设:

a纵梁为支承在前后轴上的简支梁:

b整车的簧载质量均加在简支梁上;

c所有内外载荷均通过截面的形心（忽略局部扭转产生的影响）。

因此车架可以简化为下图的简支梁模型。

①确定计算弯矩

图中，F1只为承受的顶盖电池板的重量;q1为驾驶员重量的等价均布载荷;q2

为蓄电池及风扇的等价均布载荷。

设驾驶员的质量M1<=80Kg;蓄电池及风扇的总质量M2=60Kg;顶部电池板的质量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

因此车架的弯矩图如下图所示

其中：

M1=-90.65Nm

M2=-61.25Nm

M3=82Nm

②纵梁截面尺寸的确定

由于纵梁在长度方向上截面尺寸无变化，所以在最大弯矩处其弯曲应力达到最大值。

设D为管外径（单位mm），d为管内径（单位mm），取管壁厚2mm，d=D一4。

做大切应力=Mdmax/W=176.2Mpa.

③纵梁抗弯刚度的初步校核

为了保证整车和其它安装在太阳能电动车车架上其它总成的正常工作，对纵梁的最大弯曲扰度应加以限制。

根据纵梁所受载荷，计算得纵梁的位移图如下:

根据计算结果，纵梁的最大扰度fmax=3.24mm

4.5制作部分方案及流程

车架在制作过程中尝试使用了胶焊。

车架胶焊过程中使用的环氧树脂E-44，及辅助材料硬化剂乙二胺，增韧剂邻苯二甲酸二丁酯。

a．表面处理：

粘合面必须经过去污处理，一般可用砂轮、砂纸等磨平去锈，然后再用溶剂（苯、甲苯、丙酮、酒精等）除去油腻，方可进行粘合。

b．粘合工艺：

配方：

E——44100克

乙二胺6—8克（一般用7克）

将配好的粘合剂，均匀地在粘合面上薄薄涂上一层（两面都要涂上一层，厚度约0．1mm），然后格两个粘合面合在一起，用夹具夹住，不使其松开。

在室温放置或加热硬化，待完全硬化后，再卸去夹具即可。

配制好的粘合剂应迅速用掉，否则因粘度增大而失效。

c．注意事项：

（1）硬化剂用量要准确，不能过多或过少，酸酐用量范围较宽，胺类用量比较严格；

（2）胺类、酸酐类硬化剂对皮肤及眼睛都有影响，应避免触及皮肤，溅及眼睛；（3）胺类硬化剂反应时大都放热高，不宜配制较大数量，应小量配制，而且迅速用完；（4）单官能团环氧化合物，有过敏性作用，操作时应注意使用防护用具；（5）调配粘合剂应避免产生气泡，特别是加入填料，气泡会影响各种性能；（6在粘合时，两种材料合拢后，应该用夹具夹住，影响粘合，甚至粘不住；如有否则（7）除非材料不允许加热，一般都希望加热硬化。

因为加热硬化，性能良好，即使用室温硬化的硬化剂，如果再在高温下硬化，性能大大提高。

五、电路控制设计

5.1控制系统设计

控制部分总体上分为能量控制、动力控制、仪表显示三个部分。

如图9。

（1）能量控制：

包括太阳能能量转化，MPPT（最大功率追踪），蓄电池能量储存和释放。

（2）动力部分：

整车的动力驱动，速度控制、倒车、刹车等基本控制功能。

（3）仪表部分：

包括太阳能电池板工作电压电流，蓄电池充放电电流和电压，功率追踪以及系统当前工作状态，行驶速度等。

5.2最大功率跟踪

5.2.1MPPT原理

太阳能电池板是一个非线性电源（如图10），即它的输出电流/功率决定于负载上的工作电压和依赖于太阳辐射和温度变化的最大功率点。

在某一特定环境下，光伏电池板只具有一个最大功率点（MaximumPowerPoint，MPP），要想提高光伏发电系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程称为最大功率点追踪（MaximumPowerPointTracking，MPPT）。

最大功率追踪是光伏发电控制系统中不可缺少的部分，它的目的是使太阳电池阵列始终工作在最大功率点附近，使太阳电池阵列始终能保持最大的功率输出，这对于提高系统的整体效率有着极其重要的作用。

一般可以提高能量利用率10%-30%，某些条件下提高的更加明显。

5.2.2基于扰动观测法的MPPT控制的原理与实现

扰动和观察是一种被叫做“爬山”的方法，这种方法基于光伏阵列的P-U特性，在MPP的左面功率的变化与电压变化的比值dP/dV>0，在右边是dP/dV<0。

如果太阳能电池板的工作电压是在给定的扰动方向和dP/dV>0，它是已知的扰动走向的MPP的太阳能板的工作点。

扰动和观察算法然后继续向扰动的同一方向增加。

如果dP/dV<0，那么在工作点变化将使太阳能电池板远离MPP点，这时应该反方向扰动[4]。

图11中的VPV是光伏组件的输出电压，IPV是光伏组件的工作电流，PPV_old是前一次采样的光伏组件的工作电压，PWM是当前的占空比，PWM_old是前一次采样的占空比，K是PWM的占空比调整的步长，在某些时候下这个K是很难确定的。

扰动和观察的方法的主要优点是，它很容易实现，需要较低的计算复杂度。

然而，有一些限制，比如在稳态运行MPP时，由于扰动算法的反应速度缓慢，并不能跟得上天气的变化速度而导致追踪不到最大功率点。

本研究中，MOSFET的PWM信号由STC89C5410AD放出，目前在使用40MHz的晶振时频率可以达到70KHz（PCA），20KHz（自带PWM）。

该芯片自带PWM，PCA，DAC等功能，能够满足我们使用。

控制程序使用了KeilC51的RTX51-Tiny操作系统，按照时间片轮转的方式进行按键的扫描，电压电流的采样，计算后调整PWM信号，定时对字符液晶上的信息进行更新。

5.2.3DC/DC电路设计

DC/DC电路是连接太阳能电池板与铅酸电池的桥梁，其主要作用是进行电压变换以及光伏电池阵列的最大功率追踪。

根据输出电压与输入电压的不同，DC/DC转换电路可以分为升压（Boost）、降压（Buck）和升降压三种基本类型。

由于光伏阵列在工作时容易受到太阳辐射和温度变化的影响，在某些情况下最大功率点是的电压可能变得比较低，这时选用升压的Boost型的DC/DC电路（如图4所示）比较合适。

而且只要保证输入电感足够大，Boost升压电路就可以始终工作在电流连续模式。

同时，Boost电路十分简单，并且功率管一端接地，其驱动电路也比较简单［5］。

5.3太阳能电池板的参数

太阳能电池板尺寸：

360mm*354mm*25mm

车身可覆盖太阳能板块数：

28块

太阳能电池板接受阳光实际有效面积：

3.2M2

太阳能电池板实际可提供功率：

接近300W

六、创新点分析

1．采用了清洁能源——太阳能作为能量来源，对环境无污染。

2．车身设计时充分考虑到太阳能汽车的运行效率问题，车身结构紧凑，重量轻，行车时受空气阻力与地面阻力较小，极大限度地提高了太阳能汽车的运行效率。

3．车身制造过程所用材料轻，强度高，制造过程中产生污染的小，且耗时短无需使用大型机床设备。

4．采用不锈钢方钢管焊接的车架，不仅满足了车架强度、刚度等方面的力学性能要求，而且大幅度减轻了车架重量和成本。

5．采用了立式桁架结构（目前基本没有），在满足了各方面要求的同时，还制作简单，同时方便了其他总成的布置与车身的结合，为驾驶员腾出了足够的空间。

6．充分地利用了单片机的强大功能，把电压、电流采样，最大功率跟踪算法处理，PWM波输出和电池充放电管理等功能高度地集成到一块电路板上。

能有效地提高太阳能的利用率，且自身耗能低，成本低廉，易于制作。

比目前大多数的恒压系统在能量利用效率方面得到了大大的提高，比采用DSP或ARM控制的系统成本则要低不少。

7．采用轮毂式的外转子直流无刷电机，结构紧凑且无需机械传动，可简化动力系统设计，并避免了传动装置可能带来的机械损失，提高效率。

比过去采用交流电机的太阳能车少了直流逆变的环节，减少了电能损失，并省去了很多功率器件，降低了重量。

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