摘 要

随着传统汽车保有量的不断增加，由此带来的能源问题和环境污染问题日益突出。电动汽车作为未来有相当潜力的新能源汽车，最近几年得到了快速的发展。但是电动汽车充电速度慢、续航里程低的问题制约了它的应用。太阳能电动车作为解决充电问题的一种有效方式，得到了众多汽车企业的关注。本文对一种命名为SE-car的太阳能电动车进行结构设计与电池能量管理研究，其工作具有一定的工程应用价值。首先采用三维造型软件UG完成整车结构设计，包括动力系统、传动系统、转向等系统的布置、太阳能电池板的结构及展成形式设计、和车身外形的设计，并应用FLUENT来分析汽车外流场的空气动力学。之后估算整体参数，基于市场调查中消费者的要求，利用GT-Suit 软件完成整车动力参数仿真，进行整车结构参数优化。进行电池能量管理系统的设计，包括电池的数量及串并联方式，电机参数和动力参数确定等。根据仿真模型优化电池参数，并设计具有较高转换效率的太阳能电池板，包括太阳能板的材料选择、面积设计、展成方式设计等。最后介绍采用卡尔曼滤波法对蓄电池用电量SOC进行预测的具体实现方法。

本文重点关注了太阳能电动车的可折叠式太阳能板展成机构的设计，对比了多种展成方式的优劣，并完成了展成机构的运动学仿真，并对其动力参数在一定工况下进行仿真分析，最后介绍了光伏系统及电池管理系统的设计思路。

关键词：微型太阳能车；折叠太阳能板；整车动力参数仿真

Abstract

With the increase of Chinese urban population， problems such as city congestion and the energy crisis appear， we put forward a solution named The SE-car project to solve these problems. In this paper we do a complete set of market research， based on which we desigh a 3-D modeling of the crust making use of NX and apply FLUENT to analyze aerodynamic of outflow fields .

After that we estimate for the parameters overall and then use GT-DRIVE to make electric power simulation of the car and further， write specification. The most interesting part of our car is the specific outspread of the foldable solar penals which can provide more solar energy， thus ， meeting the needs of green life.

At present， the confidence of consumers are not confident enough with the new energy vehicles is mainly on account of the battery life， the number of urban charging piles， security issues and charging time and price， in which the battery life is the biggest concern of consumers for new energy vehicles. So we deside to establish a system of battery charging station to standardize the use of solar vehicle.

Key Words: Miniature solar vehicle; folding solar panel; simulation of vehicle dynamic parameters

目录

1绪论 1

1.1 引言 1

1.2 电动汽车的基本结构及特点 1

1.3 国内外研究现状 2

1.3.1 国内纯电动车研究成果 2

1.3.2 国外纯电动车研究成果 3

1.3.3 太阳能电动汽车的研究现状 3

1.3.4 国家对太阳能助力车政策环境分析 4

1.4 本文的主要工作 4

2 三维建模渲染出车身造型及外流场分析 6

2.1 车身外观造型物因因素分析 6

2.2 车身外观造型主要特征 6

2.3 设计草图方案 8

2.3.1 设计草图 8

2.3.2 三视图 8

2.3.3 渲染图 9

2.4 本章小结 9

3 电力仿真计算整车模型 11

3.1 汽车总体参数设计 11

3.1.1 整车型式的选择 11

3.1.2 汽车主要参数选择 14

3.2 汽车总体设计参数 15

3.3 车辆仿真 16

3.3.1 GT-SUIT 软件介绍 16

3.3.2 整车动力系统仿真 17

3.4 本章小结 38

4 建模仿真展示太阳能板展开方式 39

4.1 太阳能板系统主要指标及装载设备 39

4.2 太阳能板的机械结构方案 39

4.2.1 太阳能板系统的主要构成及展成方式 39

4.2.2 伸缩机构的建模以及仿真 43

4.3 本章小结 45

5 光伏电系统的实现 46

5.1 太阳能板最大功率点跟踪算法的研究 46

5.1.1 MPPT的基本原理 46

5.1.2常用MPPT算法分析 46

5.2 铅酸蓄电池充电算法的研究 48

5.2.1 常规铅酸蓄电池充电算法分析 48

5.2.2 改进型铅酸蓄电池充电算法 50

5.3 光伏充电系统的软件设计 50

5.3.1 太阳能电池的工作特性 50

5.3.2 系统软件方案设计 51

5.3.3 充电控制器的软件设计 51

5.4 本章小结 52

6 电池管理系统 53

6.1 锂电池电源管理系统基础知识 53

6.2 电池SOC的估算 54

6.2.1 锂电池 SOC 的基本概念 54

6.2.2 影响锂电池 SOC 估算的因素 55

6.2.3 几种 SOC 估算方法比较分析 56

6.2.4 基于扩展卡尔曼滤波的估计 59

6.3 锂电池采样模块的相关知识 62

6.3.1 采样的定义 62

6.3.2 采样系统设计简介 62

6.4 锂电池均衡模块的相关知识 62

6.4.1 均衡简介 62

6.4.2 均衡系统设计简介 63

6.5 电池热管理 63

6.5.1锂电池理论基础及模型 63

6.5.2 锂电池的放电特性 64

6.5.3 锂电池的产热原理 65

6.5.4 三维模型的构建 66

6.5.5 放电倍率对电池单体发热特性的影响 67

6.5.6 电池热管理系统循环装置的设计 70

6.6 本章小结 71

7 总结与展望 73

致谢 74

1绪论

1.1 引言

随着中国的城镇化进行，未来十年（2027年左右），在中国城市地区的人口将超过全中国14亿人口的70%。这一现象将导致环境污染、城市拥堵、能源危机、交通安全和停车越来越难等问题。这对城市基的础设施建设是一个挑战，就目前来讲，人口，车辆数目的激增使得城市道路堵塞的问题日益严峻，汽车尾气没有得到很好的处理就排放到了空气中造成环境污染，电动汽车由于充电桩不足，充电时间长而充电困难即基础设施的增长满足不了交通运输的增长需求。由此本文引发出一种用于城市间小型太阳能助力车，SE-car，来解决公共交通和私人交通的问题。

由于这是一个两人座的微型车，整车结构相对紧凑，满足城市上班族，老人等人群的代步需求，同时还缓解了上文提到的交通堵塞问题，十分方便。SE-car车长只有276.5厘米，能大大节省停车空间，同时在市区内行进时能充分发挥小巧轻便的优势，在拥堵的交通中发挥最大的优势。SE-car的最高车速为42Km/h 续航里程达到65Km适合中小城市中普通白领上下班代步，家庭用车等基本生活代步要求。且SE-car太阳能汽车在17%的坡度上以13Km/h的时速前进，而现今公路坡度要求为3%-9%，能在大多数道路上无障碍前进。考虑到对乘员的保护封闭式车身设计方案是可选的，能够容纳1～2个乘员和必要的行李，有2～4个轮子。

为了解决充电问题，本文设计了一个可折叠式的太阳能电池板，增加了一个为蓄电池充电的途径。太阳能电池板展开后的面积达到了六平方米且与汽车在结构上实现了一体化，使汽车不必完全倚靠充电桩来充电，也可在停车的任何时候为蓄电池补充电能。这样就不存在由于充电桩分布不普遍带来的不便捷，为车主节约的时间。

该项目的技术难点在于太阳能板的折叠机构的实现形式、最大续航里程、动力匹配和电源控制等，这些难点能够克服有望能够量产。

1.2 电动汽车的基本结构及特点

电动汽车是一种重要的汽车类型，和传统燃油汽车在能源传输体系和动力传导体系方面存在明显的差异。电动汽车几乎没有燃油动力机构的影子，而是电能与其它清洁燃料供能，而且这些新能源的使用也更加满足提高能源使用效率和环境保护的要求。但是新能源技术还不完善，最明显的缺点是续航能力不足，为了弥补这个缺点，就要为其合理匹配动力电池组并做好电池管理系统，使得尽可能多的电池单元处于最佳工作状态，让电能损耗达到最小。除此之外还有一个办法就是是优化汽车的外形，使其遇到的空气阻力更小从而减小能耗。此项任务需进一步挖掘电动汽车在新结构、新能源下车身外观造型的改进潜能。在汽车行驶过程中，周围的空气对汽车表面会产生各种力，这不仅对汽车行驶时的速度有影响，而且对行车稳定性和续航能力影响很大。

为满足动力系统的布局，不同汽车类型在车身外形设计上的要求也有所不同。在整车动力系统的结构上，电动汽车与燃油汽车明显存在不同，一般而言，应用在电动汽车上的动力系统所占空间并不大，这导致了动力系统上的前围引擎盖的特征必须有相应的调整。主要存在于以下几方面：

1）去除前围引擎盖。此类车型的前围和前窗玻璃成为一体，不存在前围引擎盖。

2）前围引擎盖的长度普遍较短。如下图所示长度较短引擎盖电动汽车车型

图1.1 日产电动概念车 图1.2 雷洛电动概念车 图1.3 启辰 Viwa 电动车

3）电机引擎盖曲面不完整。纯电动汽车的动力系统使得汽车不存在进气、排气结构，而燃料电池电动汽车只拥有进气结构，但因为胜点反应装置能够将气体排出，所以也不需要排气结构。因此要对排气管存在位置进行相应的改变，一般用装饰性的外壳将其包围就可以了。

1.3 国内外研究现状

1.3.1 国内纯电动车研究成果

西安工业大学的王慧慧设计了一个蓄电池管理系统，该系统由信号处理模块、输出驱动模块、工业A/D采集卡、I/0接口卡和一台工业计算机组成。信号处理模块将采集到的蓄电池电压、电流、温度等数据滤波放大后输入到A/D卡，经计算机采集以后，通过计算，决定是否需要实现相应的控制以及完成SOC的计算，控制信号的输出经输出驱动模块作用到对应的设备，实现各种保护功能。

西安交通大学的孟令鹏设计了一款完全倚靠太阳能发电来正常行驶的太阳能房车。他不仅研究了太阳能房车的控制系统的结构，还详细阐述了整个系统的主要工作原理。然后他总结归纳了功率为4kW的系统结构并制定了房车性能参数。通过对太阳能房车动力传动系统控制的研究,他设计了太阳能房车整体的动力传动系统，并且为电机制定了合适的参数，并选定型号。之后对他自己设计的撤构建了电池管理系统,确定了光伏电池板以及蓄电池的选型和匹配计算。在太阳能光伏系统的模块，他选定了MPPT最大功率跟踪算法，使用DC/DC转换器。以此来完成设计蓄电池充放电控制系统，是的能量能得到合理的分配。

1.3.2 国外纯电动车研究成果

 罗马第三大学的卢卡设计了一种车载电池充电器配置。该装置完全基于EV电动机驱动器的功率部件，为电池充电问题提出的解决方案与EV电池充电器的理想特性（如最小体积，低成本，高效率和高可靠性）完全匹配。

密歇根大学的学生研究出了一种太阳能汽车的最优电子系统设计，该系统符合2013年世界太阳能挑战的规定。文中提出了高效、轻量、高可靠性的优化设计原则，太阳能收集系统、能源存储系统、驱动系统和电子控制系统都是根据原理设计的。除此之外，文章还介绍了太阳能汽车电力系统的结构和工作原理。实验结果表明，该系统的设计目标已经实现，该系统的性能也得到了验证。

Engg期刊的Rahat Ullah Khan， Mohd. Arif Khan和Huma Arjumand为了能结合清洁太阳能发电和电力移动，提出了一种太阳能停车场的概念。 太阳能电池板提供阴凉处理，并发电用于停放电动汽车。 在车的充电方式中，车辆还可以馈送电网并用辅助服务来支持电网。 他们深入地探讨了该解决方案的潜力，首先简要介绍了限制太阳能停车场发展的技术，环境和财务问题，最终确定未来工作的开放性问题和前景。

1.3.3 国家对太阳能助力车政策环境分析

中国电动汽车发展势头强劲，随着全市新能源汽车引进补贴政策的出台，公众对新能源汽车的接受和关注度大幅提高，民营消费市场正式开放。中国2015年新能源汽车产销量分别为17533辆和17642辆，同比分别增长39.7％和37.9％，其中纯电动汽车销量分别为14，243辆和14，604辆，混合动力汽车达3290辆。据中国汽车协会不完全统计，2016年第一季度，中国新能源汽车产量6651辆，比2015年同期增长1.2倍，其中：纯电动汽车4024辆，插电式混合动力汽车2627辆。新能源销售车辆6853次，比2015年同期增长1.2倍，其中：纯电动车4095辆，插电式混合动力汽车2758辆。生产销售比2015年同期有较大幅度的增长