经济型太阳能电动车之商品化普及时代或已经到来(1)

浅谈“普及版太阳能代步车”之高能效低成本优化设计

来源:中国电动车网  宋子奎  2013/7/29  浏览11536次  

 

【摘要】就“普及版太阳能代步车”之商品化开发而言,由于目前太阳能板(光伏电池)光电转换效率较低,若采用较大面积的太阳能板来驱动车辆行驶,则不现实也不经济。因此,客观地讲,目前市场上出现的太阳能电动自行车、代步车等经济型产品,则严格意义上仍属于“概念车”范畴。原因在于,若太阳能板(充电器)功率配置太小,给蓄电池充电(续航),则“微不足道”,其象征性意义或远大于其实用价值。由此可见,现有产品其实用性有待商榷,或很难成为“符合更多普通消费者实际需求和购买意愿”之高性价比普及型产品。本文就“普及版太阳能代步车”之高能效低成本优化设计、以及经济车型的开发与实施,进行了探讨并给出具体实施例,供参考。

 

太阳能产品,现如今已广泛用于普通百姓的日常生活,如:太阳能热水器、充电器以及小型家用光伏发电设备等等。但用于人们日常代步出行的交通工具之“太阳能代步车”,或仍停留于“概念车”范畴。而目前市场上出现的太阳能电动自行车、代步车等经济型产品,它的不足之处或在于:不仅实施成本偏高,而且,它的象征性意义或远大于其实用价值。理由很简单,公知的,现有光伏电池生产工艺和制造技术虽已相当成熟,但目前太阳能电池板的光电转换效率仍较低(一般为17%左右)。显然,若采用较大面积的太阳能电池(板)来驱动车辆行驶,则不现实也不经济;而采用较小面积的太阳能板(充电器)为蓄电池充电续航,则“微不足道”,由于太阳能板接收面积(即光伏电池功率配置)相对较小,则使蓄电池充满一次电所需时间过长,而短时补充电量又很有限。由此可见,现有产品其实用性有待商榷,或很难成为“符合更多普通消费者实际需求和购买意愿”之高性价比普及型产品。

 

据上所述可见,对于普及型产品之设计、及其综合经济技术指标的优化与提高,或更在于体现它的经济型和实用性,方能符合更多普通消费者之消费意愿。那么,如何使“经济型太阳能电动车”不只是停留于象征性意义上之“概念车”范畴,而成为经济实用型产品之“现实版”?笔者以为,就现有“技术储备、开发能力以及实施条件”而言,若通过对现有电动自行车以及三轮代步车等经济型产品,作进一步革新改进和整体优化设计,尤其在提升驱动系统之“能效比”方面,需突破现有产品之固有设计模式,则是能够方便实现其高能效低造价、并能显著增强其实用性。从而使之成为:继电动自行车之后,又一种利于广泛普及之“平民化、经济实用型”产品。就此探讨如下,谨供参考。

 

将现有电动自行车及三轮代步车等产品升级为“太阳能车”,则实施起来相对较为便捷,仅需增设一套光伏电池供电(充电)装置即可,但实施成本会明显增加。然而,更需要解决之问题还在于:不仅仅是要降低实施成本,而如何来更有效提高太阳能利用率,从而显著增强“太阳能车”的实用性,继而能够符合普通百姓即更多低端消费群体之消费意愿和实际需求。这或许是能否成为经济实用型产品、并获得广泛普及之关键所在。

 

那么,如何突破目前“太阳能板光电转换效率低、以及动力蓄电池能量密度(比容量)较低”等现有技术之瓶颈制约,从而大幅降低整车造价和提高其“性价比”?笔者以为,更有效解决途径或在于:可通过革新驱动装置,来大幅提升驱动系统之“能效比”,或将获得“事半功倍”之技术效果;尤其对于电动自行车、代步车等低速车辆而言,或更适宜采用高速电机、实施“减速増矩”传动方式来提升其“能效比”,将可获得数倍的増力效果(其显著效果详见后述实施例)。

 

或者是说,采用“减速增矩”传动方式,同比与现有产品多采用的“低速轮毂电机”直驱方式,则在满足所需驱动扭矩之前提下,能够大幅降低电机之所需驱动功率,从而大幅减少动力蓄电池能量消耗,由此所产生的直接效果则在于:或可大幅减少蓄电池容量配置;或可大幅延长蓄电池续航时间。据此可见,这对于“经济型普及版太阳能电动代步车”之低成本优化设计,或许是一种更趋合理、且较为经济的技术解决方案,所带来的经济性、实用性之效果将是尤为显著的。上述解决方案之总体设计思路简述如下,供参考:

 

其一,当阴雨天等不利天气时,则仍由动力蓄电池供电来驱动车辆行驶。但不同的是,由于驱动电机之所需功率的大幅降低,则能有效减少动力蓄电池的能量消耗,继而延长其放电时间即增加其续航里程;或者是说,在满足一定续航里程之前提下,则能较大幅度的减少蓄电池容量配置,从而大幅减少电池成本,继而降低整车综合实施成本和实现轻量化等。

 

其二,在大幅降低驱动电机之所需功率的同时,再通过优化车型设计来适当增加太阳能板接收面积(即:适当增加光伏电池功率配置),从而使“电机功率、与太阳能电池(板)其功率配置”更趋于匹配,其效果在于:当晴朗天气时,可充分利用(或更多使用)太阳能来驱动车辆行驶(具体方案详见后述实施例)。

 

显而易见,上述设计思路及其解决方案之可行性在于:一方面,可通过适当增加太阳能电池(功率)配置,来有效提高太阳能利用率,从而显著增强其实用性,可是,成本会相应增加;但同时,另一方面,我们可通过优化驱动方式,来大幅降低驱动电机之所需功率,则可相应减少动力电池容量配置,继而减少蓄电池成本。故,二者相抵,则综合实施成本之增加甚微,或仅与现有电动自行车、代步车等经济型产品之实施成本相当;但其综合使用成本(包括充电费用,以及延长蓄电池寿命、延长电池更换周期等)将更为低廉,则综合性价比显著提高。

 

下面就如何改进及优化“太阳能代步车”产品设计之具体方案及其可行性、并结合近期公告的最新相关专利技术及其实施例等,作进一步探讨,谨供参考。

 

一、关于“高能效驱动及传动装置”之优化设计及其参考实施案例

 

1、“高能效增矩电机”设计原理概述

 

公知的,现有电动自行车等低速车辆,多采用由低速轮毂电机、来直接驱动车轮转动之方式,而它与采用“外置式”减速电机等驱动方式相比,则显著优点在于:无需传动连接装置,也无减速机构功率损耗,传动效率高。但笔者以为,采用轮毂电机直驱方式,若用于高速车辆(如:电动汽车电动摩托车等高速车辆)则相对趋于合理,这是因为它可充分利用电机的高转速,工作效率较高;而用于低速车辆(尤其是最高时速低于26公里的电动自行车等低速车辆)则不然,由于电机转速需要与车轮转速相匹配,则电机转速受到一定限制,使其工作效率的更有效提高将受到限制。当然,这也为大幅提升其“能效比”留有充分空间,具体探讨如下:

 

属于非机动车范畴、且最高时速低于26公里的电动自行车等低速车辆,其车轮额定转速通常在400r/min左右;而用于减速传动之高速电机(原动机)其转速至少达3000r/min以上,则二者间的“减速比”较大(即:“传动比”可达8左右)。因此,采用高速电机、实施“减速増矩”传动方式,同比与低速电机直驱方式,理论上讲,可获得数倍的减速増力效果。但前提是:高速电机同比与低速电机,二者的额定功率相同时,其输出转矩亦应该相同。然而,公知的,电机之转矩与“功率/转速”成正比,即转速越高转矩将越小。但是,另一方面,公知的,额定功率相同之电机,其转速越高,则电机的质(重)量、体积和成本将越小。也就是说,额定功率相同之高速电机同比与低速电机,若要获得(达到)与低速电机相同的输出转矩,则高速电机的质(重)量及体积也应与之大致相当。当然,二者的造价(原材料成本)亦大致相当。

 

根据如上所述之原理,我们在对减速电机之原动机作改进设计时,或可不再局限于固有的常规设计模式,而是采用“倾向性”优化设计方案。具体而言,就是通过调整及改变电机之“结构常数”等改进设计,以期大幅提升驱动电机之“能效比”。具体为:可通过合理增加高速电机(原动机)之“质量比”(如:增加铁芯截面、绕组匝数,以及永磁体宽度与厚度等等)等改进措施,来增加磁通量即增大磁动势,便能有效提高其电磁转矩;再通过减速机构来获得所需要的低转速,即可获得数倍的増力效果。或者是说,采用高速电机、实施“减速增矩”传动方式,同比与低速电机直驱方式,而在获得相同输出扭矩时,则高速电机(原动机)之所需驱动功率将大幅减少。其显著效果就在于:可实现“由高转速、小功率输入,来获得低转速、大扭矩输出”,从而大幅提升驱动电机之“能效比”。

 

就如上所述之优化设计方案,这里需要补充说明的是:采用“减速増矩”传动方式,其减速机构将存在一定的功率损耗;但我们可通过优化减速机构(即:传动结构)设计、并采用液态油润滑(详见后述实施例)等改进措施,从而有效提高其传动效率,继而降低(减少)功率损耗。也就是说,减速机构之“功率损耗”、若远小于“输出扭矩”之提高幅度,则节能效果将是尤为显著的。另外还需要说明的是:采用前述“倾向性”优化设计方案之减速电机,所需驱动功率将远小于采用直驱方式之低速电机;因此,高速电机(减速电机之原动机)体积将小于低速电机;而且,公知的,电机转速愈高一般效率愈高;故,选用高速电机、实施“减速增矩”传动方式或更为经济。

 

2、参考实施案例推介

 

采用“外置式”减速电机驱动,相比于低速轮毂电机驱动,其显著优点在于:由于不受车轮毂特定结构限制,便于“高能效增矩电机”优化设计,可大幅提升驱动电机之“能效比”。但不足之处在于:电机与车轮毂之间需要安装传动连接装置。显然,该传动连接装置的耐用性能及工作可靠性,将直接影响驱动系统性能及整车品质。对此,一种名称为《高能效电动自行车之驱动及传动装置》的专利申请(专利号:ZL201220615106.9 ;授权公告日:2013年4月24日),提供了一种较为经济实用的解决方案,现将其核心技术要点简述如下,供参考:

 

〈1〉所称“高能效增矩电机”(即:外置式减速电机),它是由一小功率高速电机、与一紧凑型减速机构耦合而成,其中:所述高速电机(即:原动机),采用了本文前述之“倾向性”优化设计,与现有产品之低速轮毂电机直驱方式同比,则高速电机(原动机)之所需驱动功率仅为其1/6左右,即功效可提高约6倍(因本文篇幅所限,相关实施细节不便展开详述);而所述减速机构,则采用了平行轴齿轮传动和液态油润滑,具有传动效率高、磨损小及使用寿命长等特点。

 

〈2〉“高能效增矩电机”(即:外置式减速电机)与车轮毂之间、仍采用了传统的“链传动方式”,但不同的是:减速机构之低速输出轴、与链轮(或“飞轮”)之间,设有缓冲部(或称之为柔性联轴器);当车辆在起步及提速时(即:传动装置加载瞬间),能起到有效地缓冲作用。公知的,链传动方式通常用于低速传动系统,显然,上述改进之效果则在于:不仅与其传动速度相匹配,而且可大大减轻传动装置各传动部件之间的瞬间受力强度;从而使其“耐用性能、使用寿命及工作可靠性”均得到显著改善;并具有“构成简约、实施便捷、成本低廉”等优点,其经济性与实用性更趋合理。

 

如上实施例之显著特点或在于:不仅可大幅提升驱动系统之“能效比”,而且实施成本也相对低廉,其经济性与实用性二者兼顾。尤其适合用于“普及型产品”之低成本优化设计,“性价比”较高。

 

由于篇幅所限,上述方案之实施细节,可参考该专利说明书之具体实施方式(为便于理解如上所述参考案例,将该实施例之传动装置总体结构示意图、以及该专利说明书摘要等附后,供参考)。

 

3、综合技术效果简述

 

〈1〉由于采用“高能效增矩电机”驱动,所需驱动功率较小,而当车辆匀速行驶时,所需驱动功率也相对较小;因此,或可通过优化车型设计(关于车型的选择参考后述实施例),来适当增加太阳能板接收面积(即:适当增加光伏电池功率配置),继而使“电机功率、与太阳能电池功率”趋于匹配,将可实现:主要以太阳能电池供电、来驱动车辆行驶(整车优化方案参考后述实施例)。

 

〈2〉当车辆处于起步、上坡及提速等暂态过程(峰值电流较大),则由蓄电池短时提供大电流,以满足所需驱动扭矩之需要。而当车辆(驱动电机)处于短暂停运、以及断电滑行状态时(包括下坡、减速等),则由太阳能电池(充电器)为蓄电池充电蓄能;而由于电机所需驱动功率较小,则蓄电池容量配置可相应减少,因此,或仅需适当增加太阳能板功率配置(即:适当增加光伏电池及充电装置功率配置),便能在较短时间内就可为蓄电池补足电量。

 

〈3〉由于电机所需驱动功率(电流)大幅减小,而使得蓄电池能量消耗将大幅减少,则蓄电池的容量配置亦将大幅减少。显然,其进步或在于:电池容量配置减少,不仅电池成本可减少,而且充电时间也将大大缩短。而当阴雨天等不利天气时,可通过外接电源(市电)给蓄电池充电,并且,可在相对较短的时间内,便能完成整个充电过程。这对于车辆使用者而言,将带来极大的方便。

 

〈4〉而当晴朗天气时,则由太阳能电池(充电器)持续为蓄电池充电蓄能;而保持蓄电池不亏电则可减缓“硫化现象”,将大大延长蓄电池使用寿命。另外,太阳能充电器设计构成也相对简约,或仅需要“恒流均充及浮充”功能即可,则实施成本相对低廉。

 

综上所述可见,对于电动自行车、代步车等小型(轻型)低速车辆而言,选择“减速増矩”传动方式,则能显著提升驱动系统之“能效比”,大幅降低所需驱动功率,从而有效解决了“普及版太阳能车”产品的实用性问题:其一,由于所需驱动功率较小,蓄电池能量消耗减少,则续航时间即续航里程将延长;其二,当晴朗天气时,则可充分利用太阳能,不仅无需充电费用,而且可大大延长续航里程。更通俗的讲,就是“无阳光也能跑,有阳光更能跑(或实现无限续航里程)”。显然,与现有产品(即:采用低速轮毂电机直驱方式之产品)相比,综合经济技术指标大幅提高,其经济性与实用性显著增强。

 

二、关于“车型的选择与整车优化设计”及其参考实施案例

 

1、车型的选择及其相关设计要求

 

将现有电动自行车升级为太阳能车,其不足之处在于:不便于增设适当面积的太阳能板。而太阳能板接收面积太小(即:光伏电池功率配置较小),给蓄电池充满一次电所需时间过长,而短时补充电量则很有限;因此,实用价值不大。若采用含有太阳能电池板的“遮阳挡雨顶棚”等设计,来适当增加太阳能板接收面积,可相应提高太阳能利用率,增强其实用性。但它的缺点(安全隐患)在于:由于电动自行车为骑姿驾车,重心高、风阻大、稳定性差易倾倒等。这不仅会严重影响驾车者自身安全,而且或殃及其他交通参与者出行安全。因此,必须对整车架构作相应的、更趋合理的改进和总体优化设计,以提高其安全性能。相关改进措施与技术要求推荐如下,供参考。

 

为增加车体的稳定性,可选择三轮车型,便于增设适当面积的“太阳能(板)顶棚”,即:适当增加光伏电池的功率配置,以提高太阳能利用率,增强其实用性。但需要作相应的、更切合实用的改进,具体如下:

 

〈1〉整车架构设计应适宜驾车者采用坐(卧)姿驾车方式,这样,可降低驾车者高度,从而可较大幅度降低“太阳能(板)顶棚”之高度,继而有效降低载荷重心,增强车辆行驶的稳定性。不仅利于实现“窄体式”优化设计,而且可有效降低(减小)风阻等。

 

〈2〉车架总体设计,应便于安装“高能效增矩电机”,方便实施“减速增矩”之传动方式,则可相应减少所需“动力蓄电池(容量)、以及太阳能电池(功率)”配置,利于实现轻量化和更有效降低整车综合实施成本。

 

〈3〉由于采用三轮车型架构,需对制动系统作相应的改进(如:增设“均衡制动”刹车装置),以避免或有效减轻车辆制动时的“跑偏及甩尾”等情况发生,进一步提高制动效果和增强其安全性能。

 

 

2、参考实施案例推介

 

一种名称为《窄体式低重心轻量化经济型全天候电动车》之专利申请(专利号:ZL201220297577.X ;授权公告日:2013年1月31日),所提供的解决方案,则可满足如前所述之“经济型普及版太阳能代步车”其相关设计要求,该解决方案的主要技术特征及其特点在于:

 

它是由电动自行车延伸及优化设计之派生车型,便于普通人群驾驶操控。尤其是采用了“窄体式、低重心、轻量化、均衡制动、坐(卧)姿驾车方式以及倒三轮车型”等整体优化设计,不仅载荷重心及车体高度得以有效降低、风阻小,其稳定性、制动性能及行车安全显著提高;而且,该倒三轮车型,可方便增设带有前风挡的“一体式简易款篷罩(含太阳能电池板)”,而该简易款全天候设施,构成简约、成本低廉,并使驾车者驾乘舒适性大大改善(避免风吹日晒雨淋)。

 

现将如上所述实施方案之核心技术要点简述如下,供参考:

 

〈1〉车架结构设计:参照电动自行车之车架基本结构,并通过改进设计所构成的倒三轮车架,仅需对车架前部稍作改动。其中:在车架前部两侧增设左、右前轮(前叉)之安装部(即:左、右前管),并通过横向及斜向(纵向)支撑(件)与原车架构为(焊接)一体即可;而车架后部结构设计大抵不变,则以方便安装“高能效增矩电机”、便于实施单后轮(居中)驱动即可。该倒三轮车架其优点还在于:便于增设“一体式简易款(含有太阳能电池板)之全天候设施”。

 

〈2〉转向系统设计:仍采用现有产品之“前叉立轴转向方式”,仅在“车把立杆”与“左、右前叉立轴”之间,增设同步联动机构即可。该联动机构其特点在于:不仅构成简约、实施成本低廉;而且,采用了“比例”设置,可使车把之转动角度、略小于左右前叉(前轮)之转向角度;其效果在于,可使车把之转动范围、与驾车者手臂所及范围相适应,从而更适合用于坐(卧)姿驾车方式,尤其适宜“当转向角度较大时的坐(卧)姿转向操作”。

 

〈3〉制动系统设计:仍采用现有产品的制动部(把刹)、制动器(轮毂刹)、以及拉索操控方式,仅在制动部与诸车轮制动器之间、串接一只“拉索式刹力均衡分配器”即可;而所述“分配器”采用了“杠杆力矩平衡”原理构成,具有设计原理科学、结构简单、实施便捷且成本低廉等特点,可实现双前轮同步均力制动、以及“双前轮与单后轮”之间刹力的均衡分配。

 

因篇幅所限,上述方案之实施细节,可参考该专利说明书之具体实施方式(为便于理解如上所述参考案例,将该实施例之整车架构及相关部件结构示意图、以及该专利说明书摘要等附后,供参考)。

 

撰文:宋子奎

 

 

中国电动车网版权声明:
中国电动车网转载作品均注明出处,本网未注明出处和转载的,是出于传递更多信息之目的,并不意味着赞同其观点或证实其内容的真实性。如转载作品侵犯作者署名权,或有其他诸如版权、肖像权、知识产权等方面的伤害,并非本网故意为之,在接到相关权利人通知后将立即加以更正。

采购QQ: 点击这里给我发消息 广告QQ: 广告点这里

全部评论 PINGLUN

    塞外江南 2018/12/5 16:42:37

    我想代理加盟四轮电瓶车。史先生13805676507

发表评论 PINGLUN

微信: ddcnetcn qq企业群:群1:83099183 群2:2964039 群3:203836222 电动汽车qq群:209722336
客服QQ:1445396839 中国电动车网业务咨询:18667168119 请与我们联系:Service@ddc.net.cn
中国电动车网版权所有 本站网络实名:中国电动车网 手机站 m.ddc.net.cn
备案号:浙B2-20100360