輕型太陽能電動車電力驅動系統設計與經濟性分析

肖友鵬，周 青，魏永健，王國寧，童 鵬

（江西科技學院機械工程學院，江西 南昌 330098）

輕型太陽能電動車電力驅動系統設計與經濟性分析

肖友鵬，周 青，魏永健，王國寧，童 鵬

（江西科技學院機械工程學院，江西 南昌 330098）

結合都市上班族上下班出行的特點，對輕型太陽能電動車電力驅動系統進行了基礎設計，包括直流電機功率、太陽能電池板和蓄電池組容量計算和選擇，并對太陽能電動車電力驅動系統進行全壽命周期成本（Life Cycle Cost，LCC）分析和環境效益分析。設計與分析說明太陽能電動車具有經濟可行性和一定的環境效益。

太陽能電動車；電力驅動系統；經濟性分析；環境效益分析

0 引言

利用可再生的清潔能源是解決化石能源減少和環境污染加劇問題的必由之路，為了控制城市中汽車尾氣的排放，減少燃油的消耗，很多人將目光投向了太陽能電動車[1]。太陽能電動車不僅能減少燃油和燃油汽車的需求，還能提供清潔能源，降低二氧化碳排放，緩解城市污染的嚴重程度，抑制全球變暖和環境惡化，提升公眾健康水平。

限制太陽能電動車利用的主要因素還是成本。因此，有必要從技術和經濟角度設計太陽能電動車。由于太陽能是一種低密度、間歇性能源，目前太陽能的收集效率較低，可提供能量有限。所以，太陽能電動車通常設計為輕型雙人四輪型，通過引入更輕的材料，優化設計和制作流程來降低整車重量。太陽能電動車設計主要包括電力驅動系統設計、控制策略的選擇，其他還要考量的技術因素還有輕質材料、低阻力輪胎和插入式充電技術等。

1 電力驅動系統基礎設計

圖1為太陽能電動車電力驅動系統組成示意圖，各組成部分功能如下：太陽能電池板將太陽能轉換為電能并且儲存在蓄電池組中，蓄電池組產生48 V直流電供應直流電機和車載電子器件，電機控制器是一個電學控制單元，用來控制直流電機的電量進而提供變速。

電力驅動系統基礎設計主要包括直流電機功率、太陽能電池板和蓄電池容量的計算設計。

圖1 太陽能電動車電力驅動系統組成示意圖

1.1 直流電機功率

太陽能電動車以太陽能電池板發電并將電能轉化為化學能儲存在蓄電池中，蓄電池向直流電機提供能量驅動電動車向前行駛，行駛過程中需要克服滾動阻力、空氣阻力、加速阻力和坡度阻力等行駛阻力，由于設計的是輕型電動車，因此暫時不考慮加速阻力和坡度阻力。電動車在行駛過程中車輪持續滾動，在輪胎處產生的滾動阻力Rr可表示為[2]：

式中，μr為滾動阻力系數，與輪胎的類型、荷載、路況等有關，參照瀝青混凝土路面和電動車輪胎滾動阻力系數，取值0.0055；m為電動車總質量，m=500 kg（其中電動車質量300 kg、太陽能電池板和蓄電池質量50 kg，兩個乘客質量150 kg）；g為重力加速度，取9.81m/s2。因此，Rr=26.98 N。

電動車在行駛過程中產生的空氣阻力Ra可表示為：

式中，Cd為空氣阻力系數，取值0.3；ρ為空氣密度，取1.205 kg/m3；A為迎風面積，暫取0.5 m2；υ為行駛速度，暫設電動車的速度為12m/s，因此Ra=13.01 N。

驅動電機必須達到的功率可由式（3）計算得Pmin=479.88W，取480W進行設計。

1.2 蓄電池組容量

蓄電池組容量與太陽能電動車總的行駛里程有關，對于都市上班族來說，上下班單程大約為20 km，考慮到用戶住地與主干道之間的距離約為1.6 km，總的行駛里程取為43.2 km，行駛需要花費的時間為60 min，電機需要提供的電量為：

然而，電機并不是全程以同一功率工作，所需的功率隨著行車的速度和路況等而變化，電機最大功率Pmax可能達到Pmin的1.5倍，即Pmax=720W。因此，保守估計有總時間的80%電機工作在480W的功率狀態，總時間的10%電機工作在720W的功率狀態，其余10%的時間電機工作在平均功率Pav=600W的功率狀態，因而所需總的電量為：

式中，ηm是直流電機效率，在總的電量基礎上加上10%是為了在遇到交通信號燈和交通堵塞時的停車和啟動時準備電量。電機所需的電量必須儲存在蓄電池組中，從而也就決定了蓄電池組的容量。

蓄電池組還需給汽車照明比如前照燈、信號燈、剎車燈提供電量。總的電量需求應該是電機所需的電量加上車燈所需的電量。在確定蓄電池組的容量時需要注意，蓄電池的容量會隨放電電流的大小而改變，根據Peukert定律，與放電電流I之間呈非線性關系的蓄電池放電容量CP為：

式中，t為放電時間，n為Peukert常數，取值在1.1～1.3之間，本文取1.2。應用Peukert定律，功率變化的電機行駛全程所需蓄電池組容量為

式中，VB為蓄電池組電壓，PHL為電動車前照燈額定功率，則為兩個頭燈所需電流，為以功率P工作時電機的電流。信號燈和剎車燈比前照燈的功率低很多，而且僅使用很短的時間，需要的功率有限，可以忽略不計。利用表1數據初步計算蓄電池組容量C=22.15 Ah。

為了保證蓄電池在冬季也可以提供適當的電量，需要考慮溫度校正因子kT和老化因子kA，為了延長蓄電池的壽命，需要考慮蓄電池的最大放電深度DOD，因此最終蓄電池組容量CB可以計算為[4]：

利用表1的數據，經計算得CB=44.99 Ah。

表1 計算蓄電池組容量所使用的參數

進一步地，由于不恰當維護、自放電或者環境溫度過低，蓄電池組需要增加10%的容量，因此蓄電池組的容量為49.49 Ah，選用4個12 V/50Ah的鉛酸蓄電池全部串聯以達到所需的電壓和容量。

1.3 太陽能電池板容量

太陽能電池板的容量，與蓄電池組和充電控制器的充電效率有關。如果ηCH為蓄電池組的充電效率，ηCC為充電控制器的效率，太陽能電池板所要達到的發電量EP由式（9）計算為1312.59Wh。

太陽能電池板的峰值功率WP[4]為：

式中，kd為灰塵衰減因子，取值0.95；kP為效率衰減因子，取值0.9；H為峰值日照時數，南昌地區全年平均為3.6 h。將數據代入式（10）計算結果為WP=426.44W，選取兩個220Wp/24 V的單晶硅太陽能電池板串聯。

表2 計算太陽能電池板容量所使用的參數

冬季和陰雨天太陽能輻射較弱，太陽能電池板發電量不足，可以從公共電網獲取電能，對太陽能電動車進行插入式充電。

2 經濟性分析

設計的太陽能電動車用全壽命周期成本（Life Cycle Cost，LCC）進行經濟性分析。LCC包括電動車自身成本和整個壽命期內發生成本的總和折算到投資初始期的現值（PresentWorth，PW）。因此太陽能電動車LCC包括太陽能電池板、蓄電池組、充電控制器、直流電機等購買成本的現值，以及安裝、維護和運行成本的現值。

太陽能電池板初始投資成本是比較高的，但單晶硅太陽能電池板預期能夠使用20～25年而不需要更換，成本可以在以后的壽命期內得到補償。本文設計的太陽能電動車預期能夠使用20年，鉛酸蓄電池的壽命假定為5年。因此，在5年、10年、15年之后需要再次購買蓄電池。充電控制器預期壽命為15年，直流電機的壽命通常大于10000 h，如果每天最多使用4 h，粗略估計可以使用10年。在太陽能電池板需要置換之前蓄電池、直流電機和充電控制器需要進行置換，因此購買成本包括太陽能電池板的成本，三次置換蓄電池的成本、一次置換直流電機的成本和一次置換充電控制器的成本。

假設通貨膨脹率i為3%，利率或折現率d為8%，發生在第n年的購買行為所花費的成本的現值可由式（11）計算：

式中，C0為購買時所花費的成本。

安裝與運行維護成本的現值可由式（12）計算[6]：

式中，CM為每年的安裝與運行維護成本。計算結果如表3，可以看到，初步設計的太陽能電動車電力驅動系統的全壽命周期成本LCC為13060￥。

表3 各項成本計算數據

為比較太陽能電池車電力驅動系統和普通燃油汽車驅動系統的LCC，選取新能源技術的代表大眾汽車VW-XL1作為參照，其百公里油耗僅1.83L[7]，所以普通燃油汽車耗油量取為2 L，則一天行駛43.2 km需要燃燒汽油0.864 L，取初期油價7￥/L，則一天油費為6.048￥，都市上班族一年中上班工作的天數取為250天，相對應初期一年油費為1512￥，同樣可用式（12）計算普通燃油汽車20年油費的LCC為19077￥，高于太陽能電動車電力驅動系統的LCC，可見太陽能電動車電力驅動系統在壽命期內具有低成本優勢。

3 環境效益分析

太陽能電動車一年的使用天數約為250天，每天用電量為1312.59Wh，因此一年中太陽能電動車的電池板發電量為328.15 kWh，在20年的全壽命周期內發電量為6563 kWh。當前我國電力生產結構以火力發電為主，燃燒煤炭時向環境排放大量的CO2、SO2、NOx和煙塵，引起環境污染，引發溫室效應。火力發電耗煤380 g/kWh，與之對照太陽能電動車在全壽命周期內可節約標準煤2494 kg。表4為燃燒1 t標準煤的污染物排放量及其所對應的環境成本[8]。

表4 單位污染物排放量和環境成本

表5則是采用太陽能電動車所減少的污染物排放量和環境效益，即減少污染物排放量所減少的環境成本。可以看出，在全壽命周期內太陽能電動車所減少的污染物排放總量為6761 kg，折算成單位排放量為15.4 kg/WP，產生的環境效益為585.1￥，折算成單位環境效益為1.3￥/WP。

表5 污染物減排量和環境效益

4 結論與展望

本文對輕型太陽能電動車電力驅動系統進行了基礎設計，包括直流電機功率、太陽能電池板和蓄電池組容量計算和選擇，并對太陽能電動車電力驅動系統進行LCC分析和環境效益分析。計算結果表明直流電機的功率應該達到720W，太陽能電池板選取兩個220Wp/24V的單晶硅太陽能電池板串聯，蓄電池組選用4個12 V/50Ah的鉛酸蓄電池全部串聯。分析表明，太陽能電動車電力驅動系統的全壽命周期成本LCC為13060?，低于燃燒汽油的LCC即19077?，在全壽命周期內太陽能電動車所減少的污染物排放總量為6761 kg，折算成單位排放量為15.4 kg/WP；產生的環境效益為585.1?，折算成單位環境效益為1.3?/WP。本文的初步設計與分析說明太陽能電動車有利于節約成本，保護環境，對太陽能電動車的設計制造實踐具有一定參考價值，今后研究工作將考慮輕型太陽能電動車的整車大體成本，以期與常規燃油汽車作更全面的比較。

參考文獻：

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[3]周智勇,龔文超.基于Peukert方程的鉛酸蓄電池容量計算方法研究[J].蓄電池,2013,50(2)：55-57.

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[7]新浪汽車.大眾之夜多款新車亮相油耗最低僅1.83L[EB/OL].http：//sjz.auto.sina.com.cn/xcpc-dg/2013-03-06/63-11345.html.

[8]孫可.幾種類型發電公司環境成本核算的分析研究[J].能源工程,2004(3)：23-26.

（責任編輯：陳 輝）

Design and Econom ic Analysisof the Electric Drive System of the Light-weight Solar Car

XIAO You-peng Zhou Qing Wei Yong-jian Wang Guo-ning Tong Peng
（College ofMechanical Engineering，JiangxiUniversity of Technology，Nanchang 330098,China）

According to the characteristics of commuting ofworkers,a preliminary design of the electric drive system of the light-weight solar car has been carried out,including the required DCmotor power,solar-powered panel size,and battery capacity,then the life cycle cost(LLC)and environmental benefits of system are analyzed.The design and analysis show that the solar car has economic feasibility and environmental benefits.

solar car;electric drive system;economic analysis;environmental benefits

U469.72.1

A

123（2015）03-0020-05

2015-01-05

肖友鵬（1979-），男，江西萍鄉人，江西科技學院機械工程學院，講師，碩士。研究方向：光伏材料與器件。

江西科技學院2014年度校級協同創新招標項目（NO.XJXT1411）。