风电混合动力微型车设计

边国俐 徐亚龙 罗子卓

摘 要：电动车由于电池技术的制约下，续航里程还无法达到理想水平。本论文旨在设计一款风电混合动力微型车，以达到降低行驶耗能，充分利用发电能源来提高电动车的续航里程。根据国内外文献和实际测量研究分析，本文从风能发电机结构、风能回收率与车速关系以及制作简单的汽车模型，从而实现风电混合动力微型车的设计。

关键词：风力发电机；叶扇；保护系统

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.052

1 发电机叶扇设计

作用在叶素上的力可按入流速度的方向分为两个力，Fd与入流方向平行，Fi与入流速度垂直Ci（α）为升力系数、Cd（α）为阻力系数，所以与入流方向垂直的力Fi为升力，与入流方向平行的力Fd为阻力，由公式得：

贝兹理论是风力发电中关于风能利用效率的一条基本的理论，它由德国物理学家Albert Betz于1919年提出，用于计算在理想情况下，风能的最大利用率，在计算时，将风力发电机简化的看成一个单元管。

由两式综合可得风能的最大利用率在理想状态下为0.593，但是在实际情况下由于存在各种因素，风能利用率往往不能达到最大利用率，但经过国内外研究文献，可得知实际风能利用率在0.3-0.6之间，在设计模型车叶片面积时暂时使用计算的最大利用率，根据模型车实际数据反馈再做修改。

在得出公式后风速的测试，根据我国气候环境的特点，测试时一律选择在无风的环境下测试，同时为了计算方便，测试路段全都选用为直线，将风速仪安装在车顶上直接测量风速，由于路面凹凸程度不同所以，让车子在路面比较平稳、不同的直线路面多次测量取平均值来作为最终结果，测试结果如下：

在无风的情况下风速跟车速的比值大概在0.5左右，随着车速增加比值也增加，当车速达到40km/h时风速与车速比值达到一个阈值，大概在0.54左右，所以实际风速计算时可按车速的0.54倍来计算。

总结：综合上述的公式计算和实际风速测量，可以计算理论上扇叶的面积角度和在不同风速下输出的功率，还有扇叶转动可以产生的扭矩，为齿轮箱齿轮设计提供条件。

2 小型发电机结构设计

风力发电机的结构多种多样，但总结归纳起来大体分为两种：①水平轴风力发电机；②垂直轴风力发电机。

垂直轴风力发电机的风轮旋转方向与风向垂直，扇叶的设计也依靠叶素理论和贝兹理论，而且在实际应用上，垂直轴发电不受风向改变的影响，输出功率也就不会被车辆拐弯或风向改变影响，叶片设计一般为直叶片没有角度弯曲，各个截面相同，但是垂直轴发电机对风能的利用率没有水平轴高，而且结构设计上所需空间比较大，在普通的电动车上不好设计安装。

水平轴风力发电机的风轮旋转方向与风向平行，大多数风力发电机的设计都采用水平轴，目前水平轴风力发电机的研究比垂直轴的要成熟，水平轴风力发电机结构设计简单，适合运用于各种大小型发电机，在原有的电动车结构上不需要太大改动即可加入小型风力发电机用以回收风能，而且风能利用率最高可达到理想状态下的0.593，根据国内外目前实际研究测量，在实际情况下利用率平均可以在0.4以上。

水平轴风力发电机又有升力型和阻力型之分。阻力型的转速低，风能利用率比较低，而升力型转速高，风能利用率比较高，叶尖速比通常在4以上，是大多数水平轴发电机采用的结构，所以我们设计时采用水平轴升力型发电机。

总结：在确定发电机的结构型号下，再综合扇叶的结构参数，来设计发电机齿轮箱，从而实现在日常车速下发电机能给电池充电。

3 保护系统

因为在实际路况和实际环境下，由于路面不平，弯道较多或者是自然风风速大小不稳定，都会导致发电机输出功率的浮动，从而输出的电压不稳会导致对电池的损害，所以在发电机里要安装小型稳压器用来固定功率输出从而保护电池。在实际路况中，还可能会遇到迎面风速很大的情況，风速过大再加上车辆本身车速行驶所产生的风速，发电机可能会产生超过小型变压器的额定电压，所以要在齿轮箱跟扇叶之间加装一个转速传感器，传感器连接车辆的ECU，用以监控扇叶转速，当扇叶转速过高时，ECU切断发电机与稳压器的连接，暂时停止电流通过稳压器，等转速回复到安全数值在连通发电机和稳压器。

总结：在发电机和扇叶都设计完成后，在通过实际测量得到转速的安全范围后，进行转速传感器的设计与编程，最后计算发电机正常工作输出功率范围，用以设计稳压器。

4 全文总结

（1）本文先通过对扇叶的设计计算得出相应的数据，用风速仪在实际路况和实际环境下，测量风速，以供后面设计步骤提供数据条件。计算时都是在理想状态下，所以设计制造出实物后还要根据实际测量数据，对设计进行调整。

（2）在完成扇叶的设计后，得到扇叶面积、扭矩和转速等详细参数后，根据所选取的发电机的种类型号来制作齿轮箱的齿轮，使发电机能在正常车速范围下工作。

（3）在正常情况工作时，还需稳压器控制输出功率，从而保护电池，在非正常情况下需要传感器监控，从而对发电机起到保护作用。

（4）本文对发电机的设计结构概念简图如下：

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本文系2017年广西科技大学自治区级大学生创新创业训练计划项目“风电混合动力微型车设计”成果。项目编号：201710594227