太阳能电动车的设计与试制

引 言

近年来，能源危机和环境污染的压力越来越大，太阳能作为一种清洁无污染，取之不尽、用之不竭的清洁能源，受到了大家的青睐。将太阳能作为电动车的能量来源可以实现 零排放 ，有助于保护环境。现在有很多机构和科研院所都在研究太阳能电动车，且清华大学、上海交大、德州学院等成功研制出了一些太阳能电动车 [1,2]，但这些车还未能大量进入普通百姓的生活。

太阳能的特点是分散性和时变性。在阳光最强时每平米的功率只有大约 1 kW。由于树荫、阴雨、夜晚等导致太阳能电池输出功率存在巨大变化。此外，现有太阳能电池板转换效率较低，大约为17%，即每平米太阳能电池板最多提供 170 W 功率。且蓄电池能量密度较低，现有铅酸电池的能量密度大约为 40 Wh/kg，一块 48V20AH 的蓄电池重量超过 20 kg。所有这些因素使得太阳能电动车的发展受到了很大限制，为此很多文献提出采用太阳能最大功率跟踪法来提高太阳能的充电效率[2-5]，同时也有文献对太阳能电动车的能量管理策略进行了研究，提出加入超级电容来辅助储能[6,7]，亦有文献提出建设大面积太阳能充电站为电动车充电[8]。这些文献都在理论上为太阳能电动车的研制提供了很好的方法，但却忽视了一般家庭用车 90% 以上的时间是停止的，太阳能的低效可以用停车时间来弥补，只要功率匹配、结构合理，就可以制作出有实用价值的太阳能电动车。

由于两轮电动车无法安装大面积太阳能电池板，本文对现有电动三轮车运行状况进行了测试，根据测试数据和车体尺寸加装了太阳能电池板，对其进行了长达一年的试用，证明其可以作为家庭近距离代步车使用。在此基础上，文中选择驱动后桥，设计了更为舒适的太阳能电动四轮车并进行了实验。两次实验结果可以为电动车生产企业提供新的设计思路，让太阳能电动车早日进入千家万户。

1 电动三轮车的选择与测试

目前市场上的电动三轮车种类很多，可选择范围广。选择时主要考虑方便在车上安装太阳能电池板支架，装好后既可用来接收光照，又可作为车辆的顶棚。此次试制采用一款国产老年电动三轮车，该车的整车尺寸为 2450 900 850（长 宽 高）；电机种类为无刷直流电机 ；电机功率为 350W；其最高车速为 30km/h；该车的蓄电池为 48V20Ah铅酸免维护电池 ；车的净质量为 120kg；载重量为 200kg；最大行驶距离为 40 km。

首先对电动车性能做充电测试，用原车配备的充电器对蓄电池充电，记录到最大充电电流为 2.66 A，充电 8 小时后进入涓流充电状态，此时可认为蓄电池充满，断开充电器，测得电压为 56 V。接着对电动车用电情况进行测试，车前后乘坐两人，前面的人负责驾驶，后面的人观察电压、电流以及里程并记录，测得启动电流为 12 A ；平路运行电流为 4~6 A ；平均车速为 20 km/h ；

在电池耗尽的情况下（4 ～6 A 电流，电池电压降到约42 V），发现该车的最大行驶距离约为 42 km。由于条件限制，测试只在平路进行，没有做上下坡测试（如果有坡路，行驶距离会减小），但在测试过程中做了频繁的加减速。

通过测试可以看出，这种小型电动三轮车不论是充电电流还是用电电流都很小，可以试验将其改造为以太阳能作为动力源的 太阳车 。

2 太阳能电动三轮车的设计与试制

在改装之前，先对实验数据进行简单计算。电动车平路行驶速度在 20 km/h 的情况下时，电流取平均值，电机平均功率约为：

P=UI=48 5=240 W

可见电机是在轻载状态下运行。共行驶约 40 千米，用时小时，测试过程中车辆总耗电量约为：

W1=PT=240 2=480 Wh=0.48 kWh

48 V 20 Ah 蓄电池总储能量理论计算为：

W2=UIT=48 20 1=960 Wh=0.96 kWh

在测试过程中，蓄电池放电深度为：

Dod= W1 /W2=0.48/0.96=50%

蓄电池储存的电能并未完全释放，属于中等深度放电， 这对蓄电池使用寿命有益。

2.1 太阳能板的选择与安装

目前市场上大量销售的太阳能电池板主要有柔性太阳能板，钢化玻璃太阳能板和薄膜太阳能板，柔性太阳能板将太阳能硅片固定到较薄的不锈钢或其他较软的基板上，将硅片电路连接后表面再覆盖一层透明树脂，封装好的组件可以弯曲一定的弧度，由于表面采用有机树脂，随时间推移透光性变差， 组件寿命较短，理论寿命只有 2 年。常见的太阳能电池板表面使用 3~4mm 的钢化玻璃和铝合金边框，正常使用寿命可达20 年，价格较便宜。薄膜太阳能电池板可折叠，易收纳，但目前价格较高。

此次试验的目的在于将太阳能电动车产品化，市场化。所以选用性价比较高的钢化玻璃太阳能电池板。就三轮车尺寸而言，应选择尽可能大的电池板，最终使用的电池板的开路电压为 17.8 V ；短路电流为 2.8 A ；最大功率为 50 W ；外形尺寸为1 065 350 35 ；重量为 4 kg ；数量为 4 个。

2.2 顶棚和电路的设计与整车安装

将四块电池板串联并水平放置，通过具有最大功率跟踪功能（MPPT）的太阳能充电控制器为蓄电池充电，测得西安地区夏季中午最大充电电流为 2.3 A，与市电充电器充电电流2.66 A 接近。将电池板接呈 40 度角倾斜放置，让阳光直射， 测得最大充电电流为 2.7 A，考虑到电动车顶棚的形状，将电池板前低后高稍微倾斜安装，这样在不影响外观的情况下电池板效率还可以更高，在下雨或洗车时也能方便水从电池板上流下。车身结构和电路原理如图 1 和图 2 所示[9]。

顶棚支架材料选用 20mm不锈钢方管，壁厚为 1mm， 在框架转角处增加斜拉杆以增加强度，框架整体焊接而成， 与车体采用螺栓连接。在太阳能电池板与框架之间垫上橡胶垫， 用螺丝安装，并用结构胶密封以防漏水。装配好的电动车实物如图 3所示。

图 3 装好电池板的电动三轮车

2.3 测试实验

由于在三轮车顶部高过头顶的位置安装了近 20 kg 的电池板和支架，使得车辆重心有所上升，故组装后应先测试车辆的平稳性。在开阔地以S 形路线做急转弯动作，鉴于实验的危险性，车速不能太快，凭驾驶感觉控制速度。实验后驾驶者发现为三轮车加装电池板后对车辆的平稳性稍有影响，开车时稍加注意即可。

测试车辆的电气性能。测试前一天不接太阳能电池板， 将电动车电池能量耗尽，耗尽的标志为 6A放电电流，电压降到 42V。第二天接好太阳能充电回路，用太阳能电池板充电直至日落，测量电池电压达到 56V之后开始测试。在平路上行驶 24千米后电压降到 42V。由此可以得出，若西安地区晴天日照一天，则 200W的太阳能电池板所产生的能量可以供电动车行驶 20千米以上。

测试完以后恢复正常家用，平均每天仅行驶约 10 千米， 蓄电池处于浅充浅放状态。同时落灰、落叶等因素伴随着使用全过程，对太阳能电池板的发电效率稍有影响，但由于使用里程少，也从未用市电充电，可完全依靠太阳能。试验发现， 一年后虽然电池容量有所下降，但其它性能都正常。由此可见， 将太阳能运用到电动车上完全可行。

3 太阳能四轮代步车的设计与试制

电动三轮车的安全性和舒适性稍差。太阳能电池板选用普通钢化玻璃电池，电池板重量较大，安装到车顶后对车辆的稳定性稍有影响。因此有必要继续设计稳定性和安全性更好的太阳能四轮电动车。

电动四轮车采用后轮驱动，前轮转向的方式。后驱动有以下两种方案：

(1) 两个后轮都采用轮毂电机，这种方案的优点是机械结构简单，悬挂刹车也较为容易；缺点是两个电机分别控制， 存在驱动力负荷分配和转向速差的控制问题，目前还处于研究阶段，没有成熟的产品和技术[10]。

(2) 使用差速后桥技术，电机输出经过齿轮差速器，通过传动轴分别驱动两个后轮，这种方式的优点是采用单个电机， 容易控制；缺点是机械摩擦损耗大。

综合考虑，文中试验选用差速后桥方式。

太阳能电动四轮车设计目标为近距离代步，较三轮车而言， 其安全性和舒适性有所提高。车体结构采用钢管焊接而成，车顶及前发动机盖位置全部安装太阳能板，前悬挂采用双三角叉弹簧结构，使用方向盘转向。后悬挂采用拖拽臂及弹簧钢板减震，使用四轮油压碟刹。

此次试验的太阳能电动四轮车后桥采用 750W无刷直流电机驱动的差速后桥，太阳能电池板选用4块100W的电池板，其开路电压为 22V；短路电流为 5.95A；最大功率为100W；外形尺寸为1 200 mm 540 mm 30 mm ；重量为 9 kg。

设计试制好的车辆其整车尺寸为 2 550 mm 1 300 mm1 800mm（长宽高）；电机种类为无刷直流电机；电机功率为 750W；最高车速为 40km/h；蓄电池采用 48V40Ah铅酸免维护电池 ；净质量为 220 kg ；最大行驶距离为 60 km。

四轮代步车车架形状如图 4所示。装配好的实物如图 5所示。

图 4太阳能四轮代步车车架形状 图 5 太阳能四轮代步车实物

在车身两侧可以安装太阳能板[11]，但车身侧面安装太阳能板会受自身阴影影响，需要时常改变车辆方向才能采光。车顶采用伸缩机构[12] 或车顶两侧吊挂太阳能板，但此举会增加车顶重量，影响车辆的安全性。综合考虑性价比、安全性、可靠性、方便性这些因素，未做此项实验。

4 太阳能四轮代步车的测试与优缺点

将组装好的太阳能四轮电动车做了简单测试，试验其电机驱动力、转向灵活性及刹车性能。由于条件所限，这些性能未做专业测试，仅做了简单实验。采用人车拔河的方式测试车辆的驱动力，发现车辆的驱动力介于一人到两人力量之间。转向和制动则是与三轮车比较，四轮车总体感觉比三轮车的舒适性好。

随后对车辆的充放电性能进行测试，平均日照一天，可以行使 20 km 以上；日照两天，可以行使 40 km 以上。证明依靠累积储存太阳能的方案是可行的，有使用价值。

太阳能四轮代步车由于采用钢管焊接、框架结构，可以很好地保证驾乘者的安全，和三轮车相比这是最大的优点。

但在此次试验中，钢管焊接车体时只考虑了安装太阳能电池板和悬挂装置，未做模型分析和力学试验 [13]，导致车体过重，因此在该方面还有优化的空间。

太阳能四轮代步车样车车顶安装普通平面的太阳能电池板，车辆四周未密封，影响了车辆美观，后续仍需美化设计。

5 结 语

综合太阳能三轮代步车和四轮代步车试制过程，有如下几点体会：

(1) 由于车顶不可能安装大功率的太阳能板，只有将电能累积储存才可用于驱动电动车。少量使用太阳能直接驱动的车辆仅限于比赛用车，由于面积太大不能产品化到大众使用。

(2) 太阳能电动车在只使用太阳能的情况下，适合近距离出行代步，如在实验测得的 20km范围内运行。增加蓄电池和车辆停放时间则另当别论。

(3) 由于空气阻力原因和蓄电池储存能量有限，太阳能电动车只适合设计成低速行驶车辆，速度宜小于 40km/h，不能追求轿车般的高速性和舒适性。

(4) 若为太阳能电动车增加市电充电功能和发电机充电功能，则其使用范围会大大增加[14]。