太阳能汽车技术的推进先从院校开始

2024-07-04 11:05:42 来源:深圳市连接器行业协会 李亦平编译 点击:6054

几十年来,来自世界各地大学生团队一直在竞相制造最好的太阳能汽车,获得宝贵的技能,并在此过程中建立关系。

电动汽车(ev)继续越来越受欢迎,但关于充电速度、范围和续航能力等问题仍然阻碍了更广泛的应用。来自世界各地成千上万的大学生一直在通过太阳能汽车比赛来探索电动汽车是否可能只需在阳光下就能充电?在澳大利亚举行的普利司通(Bridgestone)世界太阳能挑战赛,以及美国从田纳西州到怀俄明州的太阳能挑战赛是目前最主要的两个活动。

卢克·格兰杰(Luke Granger),伊利诺伊大学香槟分校(Illinois Urbana-Champaign)的电气和计算机工程学生,和加州大学伯克利分校电气工程/计算机科学专业的尼哈尔·辛格·古拉蒂(Nihal Singh Gulati)一起,正在准备参加7月举行的2024年美国太阳能挑战赛。格兰杰已经在伊利尼太阳能汽车车队工作了三年,目前是车队的比赛经理。古拉蒂是CalSol电气子队的领导。他们的团队有60-80名活跃的成员,每周定期研究汽车的设计或系统。“从开始到结束,我们的团队是由本科生设计、建造、测试和比赛的,一群来自不同大学专业的学生。我们有相当多的工程师,但也有建筑、物理、幼儿教育、运动机能学和商业方面的人士。任何人都可以加入这个团队,”格兰杰说。

伊利诺伊大学香槟分校(Illinois Urbana-Champaign)的伊利尼太阳能汽车

伊利诺伊大学香槟分校(Illinois Urbana-Champaign)的伊利尼太阳能汽车

团队成员有很多机会学习动手新技能。“我们有负责动力学、汽车外壳、电池和太阳能等的分队。有专门从事复合材料和焊接的人。这些都是通过俱乐部获得的技能,这是一件令人惊奇的事情。” Gulati说。

伊利尼太阳能汽车大约每两年生产一辆新车。“如果单纯竞争,没有要求生产新车。然而,这些法规在不断调整,所以你过去设计的一些东西可能会违反安全或未来的法规,”Gulati说。

加州大学伯克利分校的卡尔索尔汽车

加州大学伯克利分校的卡尔索尔汽车

设计注意事项

第一个设计考虑的是空气动力学。汽车的表面也必须尽可能光滑,减少阻力。团队通常会选择两种形状:子弹型或双体船型。伊利尼太阳能汽车车辆是一个单座子弹设计。它很窄,有一个非常长的尾巴,最大限度地符合空气动力学,同时能安装一个4平方米的太阳能电池板。CalSol汽车是一个不对称的双体船设计,驾驶员不是在中间。

下一个决定是轮子的数量。格兰杰说:“三个轮子的主要好处是,你可以减轻第四个轮子的悬挂重量,同时还需要刹车和与之相关的一切。”

重量最小化,在设计的各方面最大限度地提高功率和效率。“我们优化汽车的亮度,优化空气阻力,优化太阳能和电池容量。针对能耗,重量很重要。电力系统造成的每一点损失都很重要。”Gulati说。

另一个关于效率的考虑是太阳能电池的影响。在这些有竞争车辆上,电池的效率需要最大化。玻璃、塑料或任何类型的薄膜都会增加保护能力,在生产车辆中是必要的,但会降低太阳能效率。

构建阶段

这些团队依靠行业合作伙伴来建造他们的汽车。格兰杰说:“汽车外壳必须用碳纤维。首先,我们需要一个巨大的模具,这就需要一个大的数控CNC机器来制造汽车的形状。然后手工覆盖碳纤维,并把它带到伊利诺斯州中部一家叫Flying S的公司,该公司负责烘烤和完成外壳。太阳能汽车包裹美观,消除碳纤维表面的任何缺陷,同时改善空气动力要求。碳纤维并不像在实际赛车上看到的那样非常光滑,但学生们太阳能技术方面尽了最大的努力。”

菲尼克斯电气为多个太阳能汽车团队提供零部件

菲尼克斯电气为多个太阳能汽车团队提供零部件

菲尼克斯电气连接器用于CAN总线,它可以满足所有不同驱动系统之间的通信。“我们汽车的一个独特之处在于,我们的方向盘上有一个电子编码器。方向盘内的电子控制模块通过CAN总线连接电机控制器来控制汽车。”格兰杰说。

伊利尼太阳能汽车使用莫仕MicroFit连接器,连接所有的低压辅助系统,如灯和喇叭,以及任何使用低压电线的东西。在车辆紧急停车,允许他们在必要时切断所有电源。模块上都有Molex SL连接器。

创新推动

格兰杰说,这些竞争的根本目标是推动这个太阳能技术领域的创新。单乘员车辆,如伊利尼太阳能汽车。比赛中的多乘员车辆也以实用性来评分。格兰杰解释说:“它们更大,更像你在路上看到的汽车。它们既可以从墙上去充电,也可以用太阳能电池板来充电。太阳能还没有实际应用到乘用车上。短期内使用太阳能最可能的方式是补充电动汽车的充电。随着我们的继续研究,可能会找到比硅电池更好的东西。一旦我们能在车顶找到能量密度足够高的东西,从太阳中提取足够的能量,我们就可以看到太阳能电池成为主流。”

需要创新的领域是电池化学成分、更高效率的电机控制器和跟踪器,它们可以使用太阳能电池供电。格兰杰说:“因为太阳能是波动的,因此,需要控制和优化电压和电流,获得最大的能量。”

利用太阳能运行

通常,太阳能电动车最大的问题是当没有太阳光照射时会发生什么?“太阳能电动汽车基本上像今天在路上其他电动汽车一样。电池和马达基本一样。不同之处在于,我们的能量来自太阳,而不是墙充。所以我们的电池比其他电动汽车上看到的要小,因为我们一直在充电。在阳光明媚的日子里,我们可以每小时行驶30到40英里,可以直接从太阳能电池板上取电,而不需要电池放电。当有云时,我们可以从电池组取电几个小时。没有阳光,甚至在晚上,我们也可继续行驶。”格兰杰说。“电池取电还能让汽车比仅仅从太阳能板取电行驶的速度更快。可以达到每小时67英里。但按照我们的配置方式,太阳不能提供那么多的能量。太阳能电池抵消了这一点。”

安装在房屋或其他固定表面上的太阳能电池板倾斜成角度,从而获得最多的阳光。在一个移动的车辆上完成这一点,可能会有点棘手。古拉蒂说:“关于太阳能我们有很多事情要考虑,因为需要尽可能增加获取阳光的时间。在美国人的太阳能挑战中,我们将会从东到西行驶,所以太阳将会更经常地出现在我们的左边。司机坐在车的右边,避免遮挡部分阳光。当我们停车时,我们会有一个特殊的支架,可以把太阳能电池板支撑成一个角度,这样我们就能达到最佳的发电角度。”

太阳能汽车的工程挑战与内燃机差别很大。当驾驶太阳能车时,会极大受到电力的限制。汽油有极高的能量密度,燃油车可以达到非常高的速度,也可以想去到想去的地方,因为不需要太担心能源限制。但来自太阳能电池板的投入将比传统汽车的投入要少得多。

太阳能汽车的实际应用还需要较长的一段时间。

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