太陽能電動踏板輔助三輪車

王昕鑫

摘 要：世界上主要的交通工具大部分使用化石燃料。為了應對日益嚴重的環境污染問題并降低能源消耗，本文提出了一種太陽能三輪車的設計方案，以提供一種節能的交通方式。太陽能三輪車提供了較高的容納率、速度和出行范圍，可以滿足當地通勤的需要。

目前的三輪車可以分為四大類，即集成電路驅動、電動馬達驅動、人力驅動和電動三輪車。其中更為環保的解決方案是電動三輪車。電動馬達驅動大部分包含節氣門來控制馬達和踏板以輔助馬達。這種配置將更快地耗盡電池，并減少電池壽命，因為人們傾向于更多地使用節流閥。這種車輛的典型電池壽命為6-8個月。在此背景下，本文闡述了太陽能充電和轉矩傳感器智能控制整個車的概念。在車輛運行或停車時，頂部的太陽能電池板充電。此外，本文還對汽車的應用及其在各個部門的經濟影響進行了研究。

關鍵詞：太陽能車；踏板輔助；三輪車；電動車

1 引言

短途運輸和物流成本更高，而三輪車是這一領域的主要載重載體。目前最主流的選擇是內燃機驅動或者人力驅動。電動三輪車也逐漸出現在這個市場上。內燃機驅動車輛是造成汽車高成本污染的主要原因，人工三輪車費時費力，給駕駛員帶來健康問題。電動三輪車的電池壽命很短（6-8個月）。印度和類似的發展中國家缺乏收費基礎設施。在這種情況下，太陽能電動踏板輔助三輪車是一個最佳解決方案，它綠色環保、成本低，增加電池壽命且比手動三輪車更省力。

2 三輪車動力分析

2.1 整車配置

目前的三輪車有兩種類型的底盤配置，即蝌蚪和三角行。蝌蚪配置在前面有兩個輪子，在后面有一個輪子。三角形的結構在前面有一個輪子，后部有兩個輪子。太陽電動踏板助力三輪車選擇了三角結構。當腳踏車三輪時，該輔助電平開關允許用戶設置所需的電機輔助，扭矩傳感器感知用戶在踏板上施加的扭矩。電機控制器利用轉矩傳感器值和輔助電平開關的輸入來控制電機，以提供所需的輔助。安裝在車頂的太陽能電池板通過太陽能充電控制器為電池充電，并通過優先算法為電機供電。

2.2 踏板輔助技術的優勢

踏板輔助技術有助于減少使用者在騎三輪車時消耗的體力。從本質上說，移動載重車輛所需的力是由電機和人共同分擔的，這減少了兩者的工作量。這使我們可以使用低功率電機，這反過來又有助于減少電池所需容量。因此，太陽能電池板可以為電池組充電，并為發動機提供電力[1]。

2.3 騎手的力量貢獻

查閱文獻可知，三輪太陽能踏板輔助車的騎手的功率貢獻是300瓦。它的值在可以短時間施加的最大功率和可以在長時間施加的連續功率（閾值）之間[2]。

人類使用踏板短時產生的最大功率為1200瓦，閾值為400瓦。文獻中提供了一個男性和女性腳踏板的力量的詳細的圖表[3]。從圖表中可以看出男性和女性所施加的力的保守估計值。對于男性，5秒內的最大功率為1199.9瓦，閾值為285.43瓦。對于女性，5秒內最大功率為870.35瓦，閾值為220.35瓦。車輛所需牽引力的計算考慮了滾動阻力、氣動阻力和梯度阻力。依據市場調查、車輛的總牽引力要求和電池的放電容量，選擇300瓦，250瓦，400瓦特電機作為推進裝置。考慮到300瓦的人為功率，250瓦電機車輛的極限等級能力為3級，400瓦電機車輛的極限等級為3.6級。

2.4 車輛原型

用250瓦無刷直流電動機、250瓦特太陽能電池板和1千瓦電池組加載一臺太陽能踏板輔助三輪車進行測試。這輛車的重量是250公斤。低動力電機和一個小電池組使車載太陽能充電單元可以完全為車輛供能。

3 三輪車應用

3.1 車輛在公共工作區的應用

公共工作區應用包括垃圾收集、最后一英里連接車輛、最后一英里物流和送貨車輛。這些地區的載重目前是使用裝有送貨箱的改裝自行車進行的。即使他們能達到更大的速度，他們的負荷是有限的。

3.2 車輛在私人工作區的應用

私人工作場所的例子有工廠、公園、校園、鄉鎮等等。在這些地方，這類車輛的應用可以被劃分為載重應用。下面討論實際工業中的成本效益分析。印度的食醋工業以出口為導向，食醋桶重230公斤，目前桶在廠內和廠外由體力勞動者搬運，人的平均步行速度為4km/h。當人們帶著負載移動時，速度會進一步降低。以20 km/h的速度運行的梁式車輛提高了運動桶的速度。這基本上意味著更多的桶可以在規定的8小時內移動。

3.3 經濟分析

本部分介紹和分析了原型車的測試和成本效益分析，并對兩種不同的應用進行了討論。

該車輛能夠輕松地承載250公斤的負荷。太陽能充電電路有助于擴大范圍，使它不依賴充電基礎設施。可以通過使車輛重量輕和增加齒輪系統來進一步減少人們的體力來提高行程。在公共工作空間應用中，由交付成本/公斤確定的貨物交付的經濟效益提高了16倍。梁式車比起普通送貨自行車，可以承載15倍的負載，這顯著地提高了效率。由于交通狀況限制了車輛的行駛速度，自行車的速度優勢微乎其微。當車輛速度是人的步行速度的3倍時，梁式車輛可能通過將移動300桶所需的時間減少59%，提高了運輸效率。

4 結論

太陽能電動踏板輔助三輪車是短距離移動小負荷的一種可持續的經濟解決方案。它可以大大提高私人和公共工作場所的物質流動效率。由于車輛完全可以用太陽能充電，所以它不依賴充電基礎設施。在大量的應用中使用該車輛可獲得經濟效益。并且該車輛可以緩解人們面臨的環境污染的主要問題。

參考文獻：

[1] Jerzy A Zoladz， Arno CHJ Rademaker， and Anthony J Sargeant. Human muscle power generating capability during cycling at different pedalling rates. Experimental physiology， 85（01）：117–124， 2000.

[2] 世界上最快的人力自行車[J].軍事文摘，2017（06）：14.

[3] Hunter Allen and Andrew Coggan. Training and racing with a power meter. VeloPress， 2012.