微型太阳能电动车的设计及动力参数匹配

陶晓娟　汤辉

【摘 要】文章以微型电动车为设计基础，根据整车参数的特征，以各部件的设计理论为依据，首先制定太阳能电动车动力传动方案，然后对动力和驱动系统进行匹配设计，最后在汽车动力性理论的基础上，进行动力性相关计算，并运用matlab软件进行太阳能电动车的动力性仿真分析，得到驱动力与行驶阻力平衡图、功率平衡图、爬坡度曲线图及加速度特性曲线图，完成了整车设计及关键部件的校核工作。

【关键词】电动车；动力参数；MATLAB；匹配设计；校核

【中图分类号】U469.72.1 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）01-0022-05

0 前言

随着汽车工业的快速发展，对于资源的消耗也越来越大，环境污染带来的一系列问题使得政府及广大消费者对新能源汽车的渴求越来越强烈，新能源汽车成为新一轮汽车工业的重大发展使命。

本文以微型电动车设计为基础，整个设计的过程会考虑很多因素，例如根据汽车理论中汽车的功率公式：汽车的质量越小则汽车在行驶的过程中功率消耗就会越低。相对其他轿车而言，太阳能电动车续驶里程短且最高行驶速度低。为了克服这些缺点，将轻量化的思想灌入太阳能电动车设计中，以某微型电动车（smart fortwo）为原型，进行设计的改进。

太阳能电动车是一个复杂的系统，只有各个系统协调而又稳定地工作，才能保证整车的正常运行，因此太阳能电动车的设计是一个严密而又繁琐的工作，一般依据如图1所示的流程进行，其中动力参数的匹配是电动车设计的关键，不仅关系到电动车的动力性问题，还对整个汽车的车身布置、整车质量、行驶可靠性产生影响。

确定设计的整车参数是整个设计过程的输入条件，后续的造型设计、动力匹配等都是围绕着满足整车参数来进行的。本文确定电动车的整体参数见表1，从整车总体来看，其车身外轮廓比较小，不仅可以节省功率，还可以在交通拥堵的城市间自由穿梭。总之，电动车使用起来较为方便，且安全性能高、环保无污染。

目前，电动车的驱动方案主要有2种：第一种是传统的驱动方式（如图2所示）；这种传动方式容易实现，只是将传统的内燃机替换为电动机，但缺点是传动线路长，因此消耗能量高、噪音较大、整车质量重、行驶时速度低、行车距离短。

第二种方式是减速型驱动方式（如图3所示），它与传统型驱动方式相比，具有经济节能、低碳环保、轻量化等特点，虽然它的控制系统稍微复杂，但在未来，电动车肯定会朝着智能化方向发展。因此控制系统的设计是电动汽车必不可少的重要环节。本文选用第二种驱动方式——减速式驱动方式。

1 动力组件的选型及参数匹配

太阳能电动车的动力部件对于它的动力性能的达标有着非常重要的影响，动力部件的选型及匹配也是整车设计的关键部分。本文将在太阳能电动车整车结构参数、性能要求的基础上，合理地布置太阳能电池，科学地匹配蓄电池和电动机，并进行关键部件选型等工作。

汽车在行驶的过程中，其行驶的动力性是其重要的性能指标之一、它是指汽车在良好的路面上行驶时受到的纵向外力决定的所能达到的平均行驶速度。这项性能指标可由3个方面来评定，即汽车的最高车速、汽车的加速时间、汽车的最大爬坡度。在设计的过程中需要考虑到的因素有发动机性能参数、汽车结构参数及汽车使用参数。本文结合太阳能电动车的结构特点，对整车动力性相关的参数设定见表2。

本文根据太阳能电动车的一般行驶路工况，假设本车在水平路面上或者行驶路面有很小的坡度。当太阳能电动车以最大速度行驶在水平路面时，此时的最大功率可由以下公式求得[16]。

将表2中动力性相关参数设定带入式（2），可得太阳能电动车行驶的额定功率为1.95 kW。

1.2 电动机参数匹配

1.2.1 电动机功率匹配

电动机额定功率的选取应大于纯电动汽车以最高车速行驶的阻力功率，从而保证在良好的工况下，能以較高的车速行驶。电动机的最大功率应满足整车的最大功率需求，即最大功率Pmax≥7.42 kW，为了安全起见，取Pmax=10 kW。

但实际行使过程中，最大功率工作时间很短，因此一般以整车平均速度下的功率为基点，同时满足过载条件（过载能力≥2），由此取电动机额定功率Pa=5 kW。

1.2.2 转速扭矩匹配

额定功率相同的电动机，额定转速高时，其体积小、重量轻、价格低、效率和功率因数较高，且从整车性能来说，电动机转速高，既可减少实际运行过程中的机械损耗，充分利用蓄电池的能源，也能为控制系统提供较大的调速范围，因此电动机转速高是有利的。

但在汽车的行驶速度一定时，如果考虑直接挡为正常行驶挡，电动机的额定转速越高，则传动速比越大，有可能加大主减速器的速比和尺寸。因此，电动机额定转速的选择应视具体情况并综合考虑以上因素，确定额定转速为2 000 r/min，最高转速为5 000 r/min。

综合以上各个方程得到1.841 7≤i≤1.918，取i=1.9。

2 太阳能电动车的动力性分析

本课题研究的太阳能电动车共设置2个挡位，在整个设计的过程中需要读其进行动力性的校核，因为汽车动力性的好坏直接影响它的行驶性能。

2.1 减速挡位动力性校核

利用matlab编制m文件，得到驱动力-行驶阻力平衡图和功率平衡图（如图4、图5所示）。

由图5可以看出，太阳能电动车减速挡位的稳定车速是23.5 km/h，直接挡位的稳定车速为72.6 km/h，最大车速为115.7 km/h。

利用matlab根据相关爬坡度公式进行m文件的编制，绘制爬坡度曲线图如图6所示，一挡原地起步加速时间曲线图如图7所示。

2.2 续驶例程校核

假定太阳能电动汽车在续驶里程测试过程中以速度V等速行驶，其行驶阻力可由式计算得到：

3 结论

本文以微型电动车（smart fortwo）为原型，进行修改设计。首先根据整车构成及整车参数的特征，以各部件的设计理论为依据，完成太阳能电池布置方案和数目分布、蓄电池和电动机的匹配工作及太阳能电动车动力传动方案确定。对动力和驱动系统进行匹配设计，根据设计要求，对电动机、电池、发动机或发电机等进行比较选型，并计算确定相应的额定功率等参数及动力电池模块的数量及容量。其次运用UG三维建模软件进行关键部件的模型建立，其中包括太阳能电动车传动系、太阳能电池及整车模型，进而完成传动系、整车外形图、底盘二维图的绘制。本文根据相关理论，对前后轴进行校核。最后在汽车动力性理论的基础上，进行动力性相关计算，并运用matlab软件进行太阳能电动车的动力性仿真分析，得到驱动力与行驶阻力平衡图、功率平衡图、爬坡度曲线图及加速度特性曲线图，通过对这些结果图分析，完成整车设计及关键部件的校核工作。根据结果可知，本文对太阳能电动车的设计是可行的。

参 考 文 献

[1]张浩锴.新能源汽车车身结构的概念设计开发[D].广州：华南理工大学，2013.

[2]赵玉东.太阳能电动车动力系统参数匹配及仿真研究[D].长春：吉林大学，2007.

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[7]张明.太阳能电动车电池管理系统研究[D].长春：吉林大学，2012.

[责任编辑：钟声贤]