一種太陽能電動三輪車的改造設(shè)計(jì)

李凱，邵金菊，劉浩

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一種太陽能電動三輪車的改造設(shè)計(jì)

李凱，邵金菊，劉浩

（山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255000）

電動三輪車所使用的鉛酸蓄電池在使用時經(jīng)常處于深度放電狀態(tài)，電池壽命受到很大影響，使用太陽能充電則可以使蓄電池處于浮充狀態(tài)，可以極大提高蓄電池的壽命。為實(shí)現(xiàn)對電動三輪車進(jìn)行節(jié)能改造的目的，文章基于太陽能板的性能、電動三輪車的車輛參數(shù)和使用性能要求對車輛進(jìn)行了電機(jī)匹配、電池匹配，以及太陽能板的尺寸計(jì)算，并給出了一套太陽能電動三輪車的改造方案。

電動三輪車；太陽能；電機(jī)匹配；電池匹配

前言

十九世紀(jì)中期，第二次工業(yè)革命以后，電進(jìn)入了人們生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域，人類進(jìn)入了電氣時代。電動機(jī)的出現(xiàn)改變了人們的生活，大大的提高了生產(chǎn)力。電能有著輸送安全、使用方便、干凈清潔等優(yōu)點(diǎn)，因此電力驅(qū)動越來越受到大家的推崇。然而現(xiàn)階段我國的電能主要來源于火力發(fā)電，但近些年來，以煤炭、石油、天然氣為主的化石能源儲藏量嚴(yán)重下降，世界各國都面臨著能源枯竭的危機(jī)。另一方面，煤炭的燃燒會產(chǎn)生大量的煙塵，二氧化碳、二氧化硫氣體，加重環(huán)境負(fù)擔(dān)。因此，尋找化石能源的替代品就顯得尤為重要。如今許多國家的能源政策對核電、光伏發(fā)電等新能源方面都有著明顯的側(cè)重。最近幾年來，太陽能開發(fā)利用規(guī)?？焖贁U(kuò)大，技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級加快，成本顯著降低，已經(jīng)成為能源轉(zhuǎn)型的重要組成部分。

隨著交通運(yùn)輸工具的不斷完善升級，各種各樣的車輛進(jìn)入了我們的生活，電動三輪車也隨之進(jìn)入到我們的視野之中。中國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)民人口占中國總?cè)丝诘囊话胍陨?，而這一部分人大多生活在城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村。電動三輪車載重量大，適合各種復(fù)雜地形的特點(diǎn)也因此受到了廣大農(nóng)民的喜愛。電力驅(qū)動更是使得電動三輪車的使用十分方便，因此，電動三輪車的發(fā)展勢頭十分強(qiáng)勁。由于電動三輪車使用量逐步增大，對電能的需求量也越來越多，因此本文選擇對電動三輪車進(jìn)行太陽能供電改造。改造共分為三大部分，首先本文通過對車輛參數(shù)的分析來匹配型號合適的電機(jī)，其次通過電機(jī)的峰值功率與車輛的參數(shù)來進(jìn)行電池匹配，最后根據(jù)所得數(shù)據(jù)來分析計(jì)算所需太陽能板尺寸，計(jì)算所得尺寸需與車頂面積相適應(yīng)。具體操作流程如圖1所示：

圖1 整車設(shè)計(jì)流程圖

1 主要參數(shù)

為對電動三輪車進(jìn)行太陽能供電改造，本文以某品牌電動三輪車為例，對電動三輪車的主要參數(shù)和相關(guān)性能進(jìn)行了詳細(xì)的分析：

表1 某電動三輪車主要參數(shù)

2 電機(jī)匹配

電機(jī)的主要參數(shù)包括功率、扭矩、轉(zhuǎn)速三部分，為滿足車輛對于動力的要求，電動三輪車的電機(jī)匹配要對于車輛車速、爬坡度等因素進(jìn)行充足考慮。

車輛在水平道路上勻速行駛時，既要克服來自于地面的滾動阻力，還要克服來自于空氣的空氣阻力，因此根據(jù)公式計(jì)算出車輛在水平路面上全速行駛時對電機(jī)功率的需求：

當(dāng)車輛車速低于最高車速時，驅(qū)動力大于行駛阻力，車輛就可以利用剩余的驅(qū)動力進(jìn)行爬坡。因此當(dāng)車輛行駛中遇到坡道時，一般選用較低檔位進(jìn)行爬坡操作。爬坡時，車輛需克服重力沿坡道方向的分力，也稱作坡度阻力。根據(jù)公式計(jì)算出車輛爬坡時對電機(jī)功率的需求：

由于車輛電機(jī)的選取需要同時滿足車輛全速行駛和爬坡時所需要的最大功率。綜合考慮電動三輪車最高車速和最高爬坡度等因素對電機(jī)功率的需求，選取額定功率P=600W的差速電機(jī)。

考慮到空氣阻力、滾動阻力以及坡道阻力對電動三輪車行駛所消耗功率的影響，計(jì)算出電機(jī)的峰值功率：

車輛想要在各種道路上正常行駛，就要具有一定的爬坡能力，所謂爬坡能力是指車輛在良好路面上克服滾動阻力和空氣阻力后的余力全部用來克服坡度阻力時所能爬上的坡度。一方面考慮到作用于驅(qū)動輪上的轉(zhuǎn)矩是由發(fā)動機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩經(jīng)傳動系統(tǒng)傳至驅(qū)動輪，另一方面由于車輛對于爬坡能力的需求，因此計(jì)算出電機(jī)峰值扭矩T：

3 電池選擇

結(jié)合電動三輪車的價格以及普遍情況，選取鉛酸電池作為主要研究對象。由于電動三輪車常行駛在鄉(xiāng)鎮(zhèn)和村莊，多用于載貨，因此要考慮到坡度阻力與滾動阻力、空氣阻力的影響，而加速阻力僅在一定條件下存在，此處不予考慮。根據(jù)公式計(jì)算出電動三輪車正常行駛所需平均功率為：

選擇額定電壓為48V鉛酸蓄電池，根據(jù)電機(jī)功率計(jì)算出電池工作電流：

已知電動三輪車的續(xù)航里程為40km，代入公式計(jì)算出電動三輪車所需電池容量為：

4 太陽能板尺寸匹配

為完成對電動三輪車的節(jié)能改造任務(wù)，本文選擇功率為100的單晶太陽能板對車輛進(jìn)行太陽能供電改造。太陽能板的空間布置既要符合人機(jī)工程學(xué)原理，方便駕駛?cè)顺塑?，又要便于太陽能板收集光能，因此選擇在車頂安裝太陽能板。

假設(shè)平均每天的有效光照時間t=4，每天使用電動三輪車的時間=1.5，將數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算出所需太陽能板的面積：

5 經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算

市面上每平方米太陽能板的價格約為330元，改裝電動三輪車所需各種設(shè)備需要經(jīng)費(fèi)750元。按照每度電平均0.8元計(jì)算，若年平均每天光照時間4小時以上，那么經(jīng)計(jì)算可得，日節(jié)約電費(fèi)0.72元，預(yù)計(jì)938天可以收回改造成本。已知太陽能板的使用壽命一般為15年，成本收回后，平均每年可以產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益為263元。

根據(jù)有關(guān)資料顯示，一噸標(biāo)準(zhǔn)煤經(jīng)燃燒可以發(fā)電3333度，產(chǎn)生二氧化碳2620千克，二氧化硫8.5千克。經(jīng)改造后，每年可以減少煤炭燃燒99千克，減少二氧化碳釋放258千克，減少二氧化硫釋放0.84千克。

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A retrofit design of solar electric tricycle

Li Kai, Shao Jinju, Liu Hao

( School of transportation and vehicle engineering, Shandong university of technology, Shandong Zibo 255000 )

The lead-acid battery used in electric tricycle is often in the state of deep discharge when used, which has greatly influenced battery life. The battery can be in the state of floating charge by using solar energy, which can greatly improve the life of the battery. In order to achieve the purpose of energy saving for electric tricycle, based on the performance of the solar panel, the vehicle parameters and the performance requirements of the electric tricycle, the motor matching, battery matching, and the size calculation of the solar panel are carried out, and a set of transformation scheme for the solar electric tricycle is given.

Electric tricycle; Solar energy; Motor matching; Battery matching

A

1671-7988(2018)18-24-03

U462.1

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1671-7988(2018)18-24-03

CLC NO.: U462.1

李凱，就職于山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.009