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(yīng)對日益嚴(yán)重的環(huán)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(shè)計方案，以提供一種節(jié)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(dāng)?shù)赝ㄇ诘男枰?/p>

目前的三輪車可以分為四大類，即集成電路驅(qū)動、電動馬達(dá)驅(qū)動、人力驅(qū)動和電動三輪車。其中更為環(huán)保的解決方案是電動三輪車。電動馬達(dá)驅(qū)動大部分包含節(jié)氣門來控制馬達(dá)和踏板以輔助馬達(dá)。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(jié)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(zhuǎn)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(yīng)用及其在各個部門的經(jīng)濟(jì)影響進(jìn)行了研究。

關(guān)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(lǐng)域的主要載重載體。目前最主流的選擇是內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動或者人力驅(qū)動。電動三輪車也逐漸出現(xiàn)在這個市場上。內(nèi)燃機(jī)驅(qū)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(fā)展中國家缺乏收費基礎(chǔ)設(shè)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(huán)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。當(dāng)腳踏車三輪時，該輔助電平開關(guān)允許用戶設(shè)置所需的電機(jī)輔助，扭矩傳感器感知用戶在踏板上施加的扭矩。電機(jī)控制器利用轉(zhuǎn)矩傳感器值和輔助電平開關(guān)的輸入來控制電機(jī)，以提供所需的輔助。安裝在車頂?shù)奶柲茈姵匕逋ㄟ^太陽能充電控制器為電池充電，并通過優(yōu)先算法為電機(jī)供電。

2.2 踏板輔助技術(shù)的優(yōu)勢

踏板輔助技術(shù)有助于減少使用者在騎三輪車時消耗的體力。從本質(zhì)上說，移動載重車輛所需的力是由電機(jī)和人共同分擔(dān)的，這減少了兩者的工作量。這使我們可以使用低功率電機(jī)，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(fā)動機(jī)提供電力[1]。

2.3 騎手的力量貢獻(xiàn)

查閱文獻(xiàn)可知，三輪太陽能踏板輔助車的騎手的功率貢獻(xiàn)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(xù)功率（閾值）之間[2]。

人類使用踏板短時產(chǎn)生的最大功率為1200瓦，閾值為400瓦。文獻(xiàn)中提供了一個男性和女性腳踏板的力量的詳細(xì)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(nèi)的最大功率為1199.9瓦，閾值為285.43瓦。對于女性，5秒內(nèi)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(jù)市場調(diào)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(jī)作為推進(jìn)裝置?？紤]到300瓦的人為功率，250瓦電機(jī)車輛的極限等級能力為3級，400瓦電機(jī)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(jī)、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(jìn)行測試。這輛車的重量是250公斤。低動力電機(jī)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(yīng)用

3.1 車輛在公共工作區(qū)的應(yīng)用

公共工作區(qū)應(yīng)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(qū)的載重目前是使用裝有送貨箱的改裝自行車進(jìn)行的。即使他們能達(dá)到更大的速度，他們的負(fù)荷是有限的。

3.2 車輛在私人工作區(qū)的應(yīng)用

私人工作場所的例子有工廠、公園、校園、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等等。在這些地方，這類車輛的應(yīng)用可以被劃分為載重應(yīng)用。下面討論實際工業(yè)中的成本效益分析。印度的食醋工業(yè)以出口為導(dǎo)向，食醋桶重230公斤，目前桶在廠內(nèi)和廠外由體力勞動者搬運，人的平均步行速度為4km/h。當(dāng)人們帶著負(fù)載移動時，速度會進(jìn)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(guī)定的8小時內(nèi)移動。

3.3 經(jīng)濟(jì)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(yīng)用進(jìn)行了討論。

該車輛能夠輕松地承載250公斤的負(fù)荷。太陽能充電電路有助于擴(kuò)大范圍，使它不依賴充電基礎(chǔ)設(shè)施。可以通過使車輛重量輕和增加齒輪系統(tǒng)來進(jìn)一步減少人們的體力來提高行程。在公共工作空間應(yīng)用中，由交付成本/公斤確定的貨物交付的經(jīng)濟(jì)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(fù)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(yōu)勢微乎其微。當(dāng)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(jié)論

太陽能電動踏板輔助三輪車是短距離移動小負(fù)荷的一種可持續(xù)的經(jīng)濟(jì)解決方案。它可以大大提高私人和公共工作場所的物質(zhì)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(chǔ)設(shè)施。在大量的應(yīng)用中使用該車輛可獲得經(jīng)濟(jì)效益。并且該車輛可以緩解人們面臨的環(huán)境污染的主要問題。

參考文獻(xiàn)：

[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.