基本信息
- 项目名称：
- 基于太阳能模式的纯电动汽车研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 整车功能：整车经过科学设计，采用新型材料制作，底盘采用了单横臂式独立悬架，能实现四轮驱动遥控控制行驶，自由转向自由加速，减速、太阳能或电能单独驱动及电能、太阳能混合驱动，调节太阳板角度等功能。具有电压显示模块能实时监控太阳板的工作。
- 详细介绍：
- 车壳设计说明 1．设计理念 造型设计概念 该模型车壳造型设计主要是采用柔性与刚性互相呼应特点设计，使人们在第一眼望去的时候觉得其充满动力，而又不失含蓄。 2. 造型设计原理 风阻是车辆行驶时来自空气的阻力，一般空气阻力有三种形式。 第一是气流撞击车辆正面所产生的阻力，就像拿一块木板顶风而行，所受到的阻力几乎都是气流撞击所产生的阻力。 第二是摩擦阻力，空气与划过车身一样会产生摩擦力，然而以一般车辆能行驶的最快速度来说，摩擦阻力小到几乎可以忽略。 第三则是外型阻力，指汽车前部的正压力和车身后部的负压力之差形成的阻力，约占整个空气阻力的58%，一般来说，车辆高速行驶时，外型阻力是最主要的空气阻力来源。外型所造成的阻力来自车后方的真空区，真空区越大，阻力就越大。所以车身尽量设计成流线型，横向截面面积尽量减小，使得车壳与底部更加紧凑，车身各部分用适当的圆弧过渡，尽量减少突出车身的附件，前脸、整体适当向后倾斜,车身整体向前下方倾斜，车身后部比较平直，这种造型能有效地克服升力。 3. 车身设计 整体车身造型 由于动力学是影响车身造型的最重要因素，根据节约能源、减小风阻系数和提高空气动力性能等原理，所以车壳的主要造型采用圆润的流线型，而不是棱角分明的造型。 因为棱角分明很难大幅度的降低风阻系数，而流线型作为一种外部形状，通常表现为平滑而规则的表面，没有大的起伏和尖锐的棱角。流体在流线型物体表面主要表现为层流，有或很多有湍流，这保证了物体受到较小的阻力，所以该车壳只在前后部分和少量地方采用棱角分明的构成，这样使得线条明晰优美，符合科学原理而又不显得过于单调，使车身的美感和科学性达到和谐统一。 在颜色搭配上则采用黑白相间，给白色给人以明快、活泼、大方的感觉，容易与外界环境相吻合，另外，白色是膨胀色，容易使车整体显大，而加上少量的黑色则使得车子不失沉稳和大气。 该车壳无论是从其造型的简练、动感方面，还是从其对空气动力学的体现方面，都比较符合现代人们的主观要求，具有极强的现代气息，给人以美好的享受和速度的快捷感。 车壳末端部分 车壳末端部分则是选用飘逸造型风格，而不单独的增加尾翼。 尾翼专业的叫法为扰流板，属于汽车空气动力套件中的一部分。尾翼的主要作用是为了减少车辆尾部的升力，如果车尾的升力比车头的升力大，就容易导致车辆过度转向、后轮抓地力减少以及高速稳定性变差。 虽然安装尾翼能起到美观的作用和提供必要的稳定性。但因为考虑到该模型车的功率不是很大，而汽车表面的凸出物越少，线条越流畅风阻越小。增加的尾翼毫无疑问会增大风阻，风阻是汽车行驶时所遇到最大的也是最重要的外力。 空气阻力系数，又称风阻系数，是计算汽车空气阻力的一个重要系数。它是通过风洞实验和下滑实验所确定的一个数学参数, 用它可以计算出汽车在行驶时的空气阻力。风阻系数的大小取决于汽车的外形.风阻系数愈大,则空气阻力愈大。 模型车在行驶时根本达不到尾翼能够发挥作用的时速，这样体积越大，低速阻力就越大，再加上车身整体重量的增加，也势必会导致耗电量的上升，所以车壳力求简洁，一气呵成，没有零散的分块，同时也易于成型，适合快速成型机制作。 车身衔接 由于该模型车是采用新型的太阳能发电作为动力之一，所以必须在车身上面架一块太阳能装置接收太阳光，而这种装置的安装角度（指太阳能电池板正面与地面夹角）有一定的要求，所以车壳的前端向下倾斜了大概30°角，上端趋于平坦，能方便角度的调节，有利于太阳光的接收。 车壳与车身的衔接则主要采用卡位的方式，在车的前面有两个卡位的地方与下端的间隙刚好匹配，而后则做一块挡板形的卡位，采用螺栓固定的方式。 车壳材料 车壳的主要制作材料采用ABS工程塑料，ABS树脂ABS树脂是五大合成树脂之一，其抗冲击性、耐热性、耐低温性、耐化学药品性及电气性能优良，还具有易加工、制品尺寸稳定、表面光泽性好等特点，容易涂装、着色，还可以进行表面喷镀金属、电镀、焊接、热压和粘接等二次加工，广泛应用于机械、汽车、电子电器、仪器仪表、纺织和建筑等工业领域，是一种用途极广的热塑性工程塑料。 ABS有优良的力学性能，其冲击强度极好，可以在极低的温度下使用；ABS的耐磨性优良，尺寸稳定性好，又具有耐油性，可用于中等载荷和转速下的轴承。ABS的耐蠕变性比PSF及PC大，但比PA及POM小。ABS的弯曲强度和压缩强度属塑料中较差的。ABS的力学性能受温度的影响较大。ABS不受水、无机盐、碱及多种酸的影响，但可溶于酮类、醛类及氯代烃中，受冰乙酸、植物油等侵蚀会产生应力开裂。ABS的耐候性差，在紫外光的作用下易产生降解；于户外半年后，冲击强度下降一半。ABS在一定温度范围内具有良好的抗冲击强度和表面硬度，有较好的尺寸稳定性、一定的耐化学药品性和良好的电气绝缘性。 它不透明，一般呈浅象牙色，能通过着色而制成具有高度光泽的其它任何色泽制品，电镀级的外表可进行电镀、真空镀膜等装饰。通用级ABS不透水、燃烧缓慢，燃烧时软化，火焰呈黄色、有黑烟，最后烧焦、有特殊气味，但无熔融滴落，可用注射、挤塑和真空等成型方法进行加工。 参考文献 【1】刘君主编.当代汽车车身设计浅析 【2】百度百科 太阳能电动车参数说明 一、 传动 1、半轴 2、差速器 3、传动轴 4、驱动齿轮 5、飞轮 图一 传动机构示意图 1、工作原理 本电动汽车模型采用4X4 的驱动形式，动力通过齿轮啮合和车轴扭转的形式进行动力的传递。如图一所示，动力从电机经由飞轮5，传动动力到驱动齿轮4。通过驱动齿轮4和传动轴3的固性连接，驱动齿轮4带动传动轴3的扭转。传动轴3经过双向传动，把动力传动到前、后的车桥。动力经过差速器2，分配到半轴，从而带动各个车轮转动。 2、结构特点 1）通过电机驱动四个车轮，有效地解决模型车在不同的路面状况行使问题。 2）前后差速器的应用，模型车的通过性能和转向性能大大提升。 二、 悬架 1、 车身 2、弹性元件 3、横摆臂 4、铰链 图2 悬架结构简图 1、 简介 本模型汽车采用独立悬架机构，独立悬架形式为单横臂式独立悬架。如图2，横摆臂3的内端与车架铰接，外端与车轮相连接，弹性元件2装在摆臂与车身之间。当车轮弹跳引起弹性元件变形时候，摆臂以铰链为中心带动车轮在汽车横向平面内摆动。在悬架弹性元件一定变形范围内，两侧车轮可以单独运动。互不影响，可以减少行使过程中车架与车身的振动，防止转向轮的偏摆，由于主减速器，差速器及其外壳等都固定在车架上，由弹性元件支撑。因而其簧载质量不由弹性元件支承的载荷质量小。这样，悬架受到的冲击载荷小，汽车行使的平顺性好。更有，此悬架降低了汽车质心，提高了汽车的行车稳定性，而轮上下运动空间较大，可以将悬架刚度设计得较小，降低车身振动频率，改善了汽车的行使平顺性。 2、 特点 车桥断开，两侧端部安装车轮的车轮各自独立地面通过弹性元件悬挂在车架。在车行使过程中，当一侧车轮相对车身位置发生变化时，对另一侧的车轮几乎没有影响。 三、 车架 图三 车架 车架各个参数如图3所示 1、 特点 1)铝合金的支架，所有的部件都利用其上的螺丝孔安装，固定。包括，电机、差速器、悬架、集成电路等。 2)此支架为整一片的铝合金块，安装所有部件后，其底为一平整面，平整底面更有利于车在路面行使，更少的风阻，气流从其底部平顺划过，更有，遇到尖锐的障碍物时，更有保护汽车部件的作用。 3)铝合金制的支架更轻、更稳固。 四、 转向 图四 转向结构图 车轮利用转向横摆臂的往返拉动进行转向，如上图4箭头所示 图五 转向结构简图 模型利用大量的杠杆原理进行设计构造，从而实现车轮转向。 运动原理 利用舵机，车辆可以实现转向的需求。利用舵机的摆动，舵机转向连杆实现如图箭头所示的往返运动。通过直角为固定端的直角摆臂，连接转向横摆臂的一端就实现了左右运动。而主销为车轮的固定位置，通过横摆臂的左右拉推，车轮就实现以主销为中心的左右摆动。通过横拉杆连接右边车轮，两前轮就能同时实现了左右摆动了。 模型车结构图 正视 1、减震器 2、安装架 3 差速器壳 4 横摆臂 俯视 1、 差速器壳 2、半轴 3、转向横拉杆 4、驱动齿轮壳 5、飞轮 6、电机 7 舵机 8 减震器 侧视 1、 舵机转向连杆 2、舵机（侍服机） 3舵机摆杆 零部件 一、电机 电机的工况 电机功耗线性图 性能参数列表(空载状态) 电压/V 11.1 11.2 11.4 11.62 11.97 电流/mA 183 180 185.7 190 198.8 功率/W 2.0313 1.9824 2.1169 2.2078 2.3796 电机尺寸 直径 (mm) 轴径 (mm) 轴长 (mm) 45 4 100 二、车轮 车轮示意图 本模型车的车轮以塑料和普通橡胶车胎组成，其内部为空心，没有内胎，但具有一定的弹性。无内胎的车胎有以下优点，结构简单，质量较小；不存在因内、外胎之间摩擦或卡住而引起的损坏。本模型车没有存在好像汽车无内胎轮胎的缺点，也就是说不存在自粘层，更没有因为天气炎热时自粘层软化并向下流动，破坏车轮动平衡。 本模型车胎外径为60mm，内径为50mm，车轮宽为25mm。通过公式计算 扁平比＝截面高度／截面宽度（H／W） 得出 扁平比=1/25 三、主减速器和差速器 减速齿轮示意图 1、 主减速器的作用 主减速器的作用是降速增扭，对于此模型还有改变力矩的传递方向。 1-1主减速器的传动比 由齿轮的传动原理可知道，一对齿轮不同的齿轮啮合传动时候可以变速，而且两个齿轮的转速与其齿数成反比。设主动齿轮的转速为n1、齿数为Z1，从动齿轮的转速为n2、齿数为Z2。则主动齿轮（即输入轴）转速与从动齿轮（即输出轴）转速之比值i12（称为传动比）为 I12=n1/n2=z2/z1 或者 n2=n1(z1/z2)=n1/i12 本模型车采用的主动齿轮齿数为13，从动齿轮齿数为38, 得出 传动比=13/38 差速器示意图 2、 差速器的作用 模型车转向时候，内外两侧车轮中心在同一时间内移动过的曲线距离显然不同，即外侧车轮移过的距离大于内侧车轮。 若模型车驱动桥的两侧驱动轮用一根整轴连接，由于两侧车轮的转速相等，则此时外轮必然是边滚动边滑移，内轮是边滚动边滑转，驱动轮与地面之间不能作纯滚动。同样，汽车在直线行驶时，由于路面不平或者诸多的因素造成的轮胎有效半径不等，都会使两侧车轮实际移过的距离不相等，从而产生前述滑转与滑移现象。 车轮与地面间这种滑转、滑移现象不仅会加速轮胎的磨损，而且还会增加模型车的功率消耗和电量消耗，并且导致转向困难、制动性能恶化和行使稳定性变差。为了消除这种不良现象，保证驱动轮与地面作纯滚动，将汽车左右两侧驱动轮分装在两根半轴上，并且在两半轴之间装以差速器。综上所述，差速器的功用是将主减速器传来的动力传给左右两半轴，并在必要时允许左右半轴以不同得转速运转，以满足两侧驱动轮差速的需要。 差速器行星齿轮齿数为10 ，半轴齿轮数为13。 四、电路原理 电路构成：电路由一电池、接收机、侍服机、电机、遥控器组成 工作过程：电路通过电池提供电能，利用遥控器控制动作，包括前、后、左、右四个基本动作，发送命令到接收机。接收机把命令转化为电信号，控制电机和侍服机的转动，从而控制车辆的行使动作和方向。 流程图如下: 接收器芯片信息 概述 RSM8196 是用于双通道遥控车接收的单片IC 它有 CH1 CH2 两个通道 分别用来控制遥控车的左右 前后运动姿态 配用 27MHz 的晶体谐振器 频率稳定度 接收灵敏度等性能大为提高 是新一代遥控车装置的理想器件 本器件与 RSM2108 配套使用 特点 两种供电模式 可使用稳定的 5V电源供电 或外加 6.2V~12V的电源 超外差接收制式 采用石英晶振 可获得高频率稳定度 10 6 和高接收灵敏度 驱动能力强 低功耗 内含两种低温度系数参考源 内含脉码解调电路 引脚排列 应用图 侍服机芯片信息 YT5188 半导体集成电路用于伺服 控制装置驱动电机，IC 中包括内置稳压电路和 差分比较电路,用来改善YT5188电源电 压波动特性和温度变化特性。 功能特性 静态电流:3.5 mA (当输出为开路)； 死区设置简单； 电源电压范围：3.5-6.5V； 工作温度：-20℃ - +75℃； 包括持续高电平输入保护电路; 接入CMOS水平的输入接口。 引出端排列图 电路原理图 参考文献 【1】主编 肖兴宇 <汽车底盘构造> 【2】百度，百度百科 【3】电力电子新技术系列图书，康龙云编著 机械工业出版社 柔性太阳能电池板解说 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源，不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用当中；大阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。 制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用中，我们根据小汽车的状况和用途选择了具有特色的柔性太阳能电池板。 一、柔性太阳能电池板工作原理与结构 太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如 下： 图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，它的形成可以参照下图： 图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生入图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P（positive）型半导体。 同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N（negative）型半导体。黄色的为磷原子核，红色的为多余的电子。如下图： N型半导体中含有较多的空穴，而P型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。 当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。(如下图所示） 二、 柔性太阳能电池板的制作流程 通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350～450μm的高质量硅片上制成 的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。 三、柔性太阳能电池板的性能与技术优势 180mm 40mm 每一片柔性太阳能电池板的性能： 额定功率(W)：0.6+15% 转 化 率 ： 20% 工作电压 (V)：2+11% 太阳能电池面积(m2 )：0.007 工作电流 (A)：0.3+4% 尺 寸(mm)：180×40×2 重 量(g)：20 选取此种柔性太阳能电池板的技术优势： 这柔性太阳能电池板池对太阳光能量的吸收率为20% 。太阳能产品在一般户外使用时，其内部的太阳能电池（Solar Cell）温度常常超过摄氏25度。当太阳能电池温度升高时，一般太阳能产品的电能转换效率会受到影响而降低许多，但此种柔性太阳能电池板相比一般太阳能产品不受影响的技术高很多，在耐遮影方面，更是采用三复合层高伏特光电技术，当遇到遮蔽或阴影情况时，仍然能够转换输出比一般太阳能产品要多的电能。且这柔性太阳能电池板的重量轻，相对功率高，每38公克可输出1瓦特电力。柔性太阳能电池板的整体柔韧可弯曲，使用沉积法，在柔韧可弯之不锈钢基板上堆栈非晶硅薄膜。其厚度仅1公厘。其柔性太阳能电池板的表面舍弃了易碎的玻璃，而是使用抗UV聚合物封装太阳能电池，故产品特别持久耐用。 四、柔性太阳能电池板的联接 由于一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，所以于是需要将很多电池并联或串联起来使用，形成太阳能电池板。而此车是由9个柔性太阳能电池板 串联起来作为汽车运行的主要部分能源，其总功率为在一般情况下保持在5.4 W左右，总电压保持在18v左右，电池板总面积为0.063m²。 五、 柔性太阳能电池板的支撑支架 铝合金支架 电池板导线 柔性太阳能电池板的支撑支架是由硬度大，质量轻的铝合金制作而成。铝合金制作的支架在保持太阳板平稳的同时以最轻的质量来支撑太阳板，从而使柔性太阳能电池板在运动的情况下受光稳定，也减轻了汽车的负载。 而且，铝合金支架在造型上也极为时尚美观。我们本打算设计太阳板能自动调节角度，以保证时时使太阳板的受光面积最大，能吸收的光能最多，但好几次商讨之后发现技术方面我们还是没能达到那种水平，所以经考虑我们设计了能手动调节的支架，经调节之后也能近乎达到所想要的理想角度，以获取最好的太阳光，从而保证了较高的电压，较强的电能。 电压电子显示模块: 我们在车辆上安装了一个电压电子显示模块，其能够显示当前车辆行驶时的工作状况。 电子模块示意图 这个电子显示模块能够显示太阳板跟电池的电压，当太阳能板电压高于电池的电压时，能直观地让我们知道电池是否在充电，以便我们预计我们车辆是否满足行驶的条件。相反，当太阳能板处于一个条件不好的情况下，我们也能知道我们的车辆能够处于一个什么的状态，以便我们使用车辆时有一个保险线，不至于造成很大的麻烦。 显示模块直接用电池供电，不必外加电池，节约资源。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：1利用电能或太阳能做为原动力，驱动汽车模型，； 2保护环境，节约能源 3能够较好地收集到太阳能 4能够一定限度地减低汽车的重量，以达到更长时间的行使 创新点：1、能源清洁环保，不对环境造成污染，创造洁净的生活环境，是一种新型的模型车； 2、利用新型的材料制作，硬度加强，可塑性强，易于外形改装； 3、太阳能板设计面积大，收集太阳能面积大，能够充分吸收太阳能，提高了太阳能的的效率； 4、 单电机配合四轮驱动，动力损失大大降低，有效分配动力； 5、有了显示模块，我们也能知道锂电池是否处于放电或者充电的状态，以便人为切换车辆运行模式。
科学性、先进性
- 1、能源清洁环保，不对环境造成污染，创造洁净的生活环境，是一种新型的模型车； 2、利用新型的材料制作，硬度加强，可塑性强，易于外形改装； 3、太阳能板设计面积大，收集太阳能面积大，能够充分吸收太阳能，提高了太阳能的的效率； 4、 单电机配合四轮驱动，动力损失大大降低，有效分配动力； 5、有了显示模块，我们也能知道锂电池是否处于放电或者充电的状态，以便人为切换车辆运行模式。
获奖情况及鉴定结果
- 作品于2011年4月在第十一届“挑战杯”广东大学生课外学术科技作品竞赛终审决赛中荣获三等奖
作品所处阶段
- 作品的目的、效果以达到预期设计，如今在逐步更加完善中。
技术转让方式
- 正在商讨中
作品可展示的形式
- 现场作品操作和介绍
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 混合动力汽车技术的先进性和实现的现实性，节能、环保效果明显，采用混合动力汽车是现阶段解决环保和能源问题最为切实可行的方案。因此，混合动力汽车是传统汽车时代向电动汽车时代的过渡车型技术。 目前纯电动汽车的使用性能不如混合动力汽车和燃料电池汽车，而且成本较高，因而它在混合动力汽车和燃料电池汽车技术的日益完善和成本有效控制的竞争下发展空间不断缩小，发展前景不是十分乐观。 地球资源的瓶颈。石油资源呈现下降趋势，早人类就预测石油有枯竭的一天，现在世界各国都在开发新的能源，太阳能是最有价值的一个，其中太阳能车是一个亮点。 太阳能是我们最容易得到的能源，无疑，太阳能电动车会成为社会发展的新贵，前景大好一片的。 第一， 绿色环保，节能减排的需要。据法国论坛报报道，全球碳计划机构主席、合作研究者指出如果经济增长保持预期速度， 第二， 不受制约。太阳能汽车的一大亮点是环保，另外，其不用停车充电，不受“能源站”的数量的制约。人们不用再因为油价高而烦恼。
同类课题研究水平概述
- 混合动力电动汽车 (HEV) HEV可以说是清洁能源电动汽车和传统汽车之间的过渡产品, 顾名思义, 混合动力既可以燃油驱动, 又可以电驱动, 而解决能源危机和环境污染的最终目的还是要用清洁能源来解决燃油问题, 不过在目前技术条件下, 由于 HEV可有效降低排放,节约能源, 并且相对 FCEV和 PEV 成本较低, 得到了广泛的应用。汽车行业专家预言, 不久的将来, 新生产的汽车中HEV将占 40 %以上。近年来, 我国的汽车工业也顺应科技发展趋势, 抓住 HEV这块市场, 在国外产品涌入之前, 集中科研力量攻关, 加大研发力度。目前我国的各大汽车集团都在进行 HEV的研发,多数以混合动力电动客车的研制开发为主, 这种研究方向符合我国目前的现状, 有利于我国电动汽车的研究发展。南车集团、长春一汽、东风汽车等企业都纷纷推出了自己的HEV。 纯电动汽车 ( PEV ) PEV完全以二次能源电力作为动力源, 在行驶过程中不排放污染大气的有害气体。随着人们环保意识的增强、各国政策的大力扶持和电池技术的发展, PEV迎来了发展的春天。目前, 美国国家实验室正投入巨资进行 PEV的先进驱动系统、先进电池及其管理系统等的深入研究。另外小型、低速、特种用途的 PEV也在不断发展。在日本, PEV 与智能交通系统 ( ITS) 的组合已成为目前电动汽车技术水平下实用化和商业化的新途径。2010年, 日本推出首款纯电动汽车叶子 ( leaf), 在世界车展会上, 以其轻巧的设计、出色的性能受到各国高度关注。国内, PEV的自主研发正不断取得突破, 使我国在电动汽车领域初步构建起自主知识产权技术体系, 有望为中国汽车工业开拓新的增长点。比亚迪、吉利、奇瑞 2010年都纷纷推出了自己的 PEV。PEV的发展离不开充电设施的建设, 目前, 充电站建设的落后成为制约纯电动汽车发展的瓶颈之一。为响应国家号召, 履行企业责任, 国家电网公司巨资建设充电站、充电桩。同时相关标准、政策也在紧锣密鼓出台中。日前 PEV 在技术上、运行经济上、基础设施上还存在着产业化发展的瓶颈, 需要政府相关政策支持, 通过政府各种鼓励支持政策和措施,营造 PEV市场启动阶段的政策环境, 推动其商业化过程, 顺利完成 PEV的发展模式。
