太阳能汽车车身外形设计要素分析

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２０１４ 年第 １１ 期
Leabharlann Baidu
现代制造工程（Ｍｏｄｅｒｎ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）
大功率输出［１］ 。 为获得最大功率输出，光电转化的电 能需通过最大功率跟踪（ Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋ－ ｉｎｇ，ＭＰＰＴ）装置进行处理。 光照强度较大时，电能可 直接通过控制系统驱动电动机进而带动车轮。 当车 辆处于低速行驶或停止状态时，多余的电能可储存到 蓄电池中，另外，车轮制动时产生的机械能也以电能 形式储存到蓄电池；当光照强度较小时，蓄电池经控 制系统放电驱动电动机进而驱动汽车。 汽车行驶的 快慢只需通过控制系统调节输入电动机的电流大小 即可［２］ 。
国外对太 阳 能 汽 车 研 究 较 早， 技 术 也 较 为 成 熟， 有关文献资料中描述了最为著名的几种太阳能汽车， 其造型如图 ２ 所示。
图 ２ 几种主要的太阳能汽车造型
１）图 ２ａ 所示外形的代表车型为 ＧＭ Ｓｕｎｒａｙｃｅｒ，它 的整个驾驶舱与车身完全融为一体，整车呈泪滴状， 空气通过车身时扰动降到最低，曾获得 １９８７ 年世界太 阳能汽车挑战赛（ Ｗｏｒｌｄ Ｓｏｌａｒ Ｃｈａｌｌｅｎｇｅ，ＷＳＣ） 冠军； 图 ２ｂ、 图 ２ｃ 所 示 的 代 表 车 型 为 Ｔｈｅ ｓｐｉｒｉｔ ｏｆ Ｂｉｅｌ ／ Ｂｉｅｎｎｅ ＩＩ，车身为倒置机翼状，驾驶舱设计成气泡状， 空气阻力减少，加上轮罩之后，阻力进一步降低；图 ２ｄ ６
试验研究
现代制造工程（Ｍｏｄｅｒｎ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）
２０１４ 年第 １１ 期
太阳能汽车车身外形设计要素分析 倡
马洪芳，王振，刘娜，吕承举，马芳 （山东建筑大学机电工程学院，济南 ２５０１０１）
摘要：太阳能汽车利用太阳能驱动且无有害排放物，被称为“ 未来汽车”。 以太阳能汽车为主题，重点介绍了国内外具有 代表性的各种太阳能汽车车身外形，分析了车身外形设计要素，认为降低空气阻力、减小滚动阻力，以及增加太阳能的 采集，可以有效减少能耗、提高能效。 着重从低风阻、车身轻量化，以及太阳能电池板放置来探讨太阳能汽车车身外形 的设计。 关键词：太阳能汽车；外形设计；低风阻；轻量化 中图分类号：Ｕ４６９．７２ ＋１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１—３１３３（２０１４）１１—０００５—０５
随着我国能源发展规划的逐步深入，各级地方政 府政策及资金的支持，为包括太阳能汽车在内的新能 源汽车的发展提供了广阔的空间。 目前太阳能电池 光电转化效率较低，可提供的动力有限，限制了太阳 能汽车外形及乘坐布局的设计。 而车身外形的设计 将在很大程度上影响整车的性能，因此对太阳能汽车 车身外形设计要素的分析显得尤为重要。 本文主要
图 ３ 太阳能汽车车身造型
２．１ 低风阻 由汽车空气动力学相关知识可知，空气阻力近似
与车速的二次方成正比关系，随着太阳能汽车车速的 不断提高，车身的低风阻造型设计显得尤为重要。
本文将从车头、驾驶舱和轮罩这三部分对低风阻 造型设计进行简要分析与讨论。 ２．１．１ 车头
太阳能汽车车头如图 ４ 所示。 对普通汽车而言， 增大车头圆角曲率半径，空气阻力得以减小。 但对太 阳能汽车而言，圆角曲率半径大小受到结构要求的限 制。 圆角曲率半径大则正投影面积变大，车体变厚， 太阳能电池板安放面积减小，这些均不利于太阳能汽 车效能的提高。 故绝大多数太阳能汽车采用缩小车 头圆角曲率半径的策略。
２．１．２ 驾驶舱 压力阻力又称为形状阻力，它与整个外形的轮廓
有着密切的关系。 气流通过车体时空气被车身突起 物挤压切割，造成车身前段压力大于车尾压力，从而 形成顺着流场方向的阻力，这是汽车空气阻力中最主 要的部分。 ＧＭ Ｓｕｎｒａｙｃｅｒ 汽车的整个驾驶舱与车身完 全融为一体（见图 ２ａ），压力阻力非常小，但存在一些 缺陷：要获得良好视野，驾驶舱须放置在车头，这将损 失大量的太阳能电池板安放面积；驾驶员乘坐空间非 常有限；整车重心前移，保持重心的平衡将变得困难， 因此一般采用类似于 Ｂｉｅｌ ／Ｂｉｅｎｎｅ ＩＩ 汽车的气泡状驾 驶舱罩设计（见图 ２ｂ）。
Ｄｅｓｉｇｎ ｆａｃｔｏｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｌａｒ ｃａｒ ｂｏｄｙ
Ｍａ Ｈｏｎｇｆａｎｇ，Ｗａｎｇ Ｚｈｅｎ，Ｌｉｕ Ｎａ，Ｌü Ｃｈｅｎｇｊｕ，Ｍａ Ｆａｎｇ （ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｊｉａｎｚｈｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ ２５０１０１，Ｃｈｉｎａ）
太阳能汽车就是将太阳能作为驱动能源的汽车， 其基本原理如图 １ 所示。
太阳能汽 车 利 用 贴 附 在 车 身 外 表 的 太 阳 能 电 池 板吸收太阳能。 阳光照射到车身表面，经光电转化将 太阳能变为电能。 对同种材料的太阳能电池，光强越 大，相应的输出功率越大，但总是存在一个唯一的最
倡 国家自然科学基金资助项目（５１２７５２７９） ；山东省科技发展计划资助项目（２０１０Ｇ００２０３１８） ；山东省自然科学基金资助项目（ ＺＲ２０１０ＥＭ０６２） ；山 东省教育厅科技计划资助项目（ Ｊ１２ＬＡ１２）
２ 太阳能汽车车身外形设计要素
太阳能汽车车身外形与传统汽车有很大不同：为 减小空气阻力，采用宽且扁平的流线形车身；以比赛 效能为首要设计原则，可以牺牲部分乘坐舒适性，采 用比头部略大的驾驶舱突出于车顶；为降低车轮部分
马洪芳，等：太阳能汽车车身外形设计要素分析
２０１４ 年第 １１ 期
的空气阻力，采用轮罩包覆车轮；为减少滚动阻力造 成的能耗，车身需实现轻量化［５］ ；为充分增加太阳光 的采集量，车顶需贴附尽可能多的太阳能电池板。 太 阳能汽车车身造型如图 ３ 所示。 本文将从低风阻、车 身轻量 化和 太阳能电池板放 置 三 个 方 面 进 行 简 要 分析。
０ 引言
传统石油资源日益枯竭，而人们对石油的依赖却 没有衰减。 近年来汽车数量的剧增所带来的大量石 油的消耗及有害气体的排放，是造成能源紧张、环境 污染的主要原因之一。 为实现能源利用的可持续性， 许多科研机构及汽车生产商将太阳能与汽车相结合 作为优先发展方向。 太阳能比赛用车以太阳能作为 全部驱动能源，基本实现了“ 零排放” 。
我国对太阳能汽车的研究起步较晚，但正奋起直 追。 １９８４ 年武汉星期天公司研制成功了我国第一辆 太阳能汽车“太阳”号，最高时速可达 ２０ｋｍ ／ｈ，为中国 太阳能汽车的发展奠定了基础。 清华大学设计并制 造的比赛用太阳能汽车“追日” 号，采用先进的用于卫 星的单晶硅方阵，最高车速可达 ８０ｋｍ ／ｈ，在“ 日本能 登国际太阳能汽车拉力赛” 中取得了较好成绩。 上海 交通大学的“ 思源” 号太阳能汽车，在整体结构和动力 系统上与“ 追日” 号相似，但由于调速采用串联电阻的 方式，导致能量利用率较低，最高时速仅为 ５０ｋｍ ／ｈ。 ２０１２ 年香港专业教育学院的 ＳＯＰＨＩＥ 太阳能汽车以 车身轻量化作为设计重点，将车身质量降至 ６０ｋｇ。 最 高车速为 ５０ｋｍ ／ｈ，平均车速为 ３０ｋｍ ／ｈ，获得马来西亚 环保汽车马拉松比赛亚军。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｏｌａｒ ｃａｒ ｉｓ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ａｓ “ｆｕｔｕｒｅ ｃａｒ” ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｉｔｓ ｄｒｉｖｉｎｇ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｎｏ ｈａｒｍｆｕｌ ｅｍｉｓｓｉｏｎ．Ａ ｖａｒｉｅｔｙ ｏｆ ｒｅｐ－ ｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ ｓｏｌａｒ ｃａｒ ｂｏｄｙ ｓｈａｐｅｓ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｂｏｄｙ ｓｈａｐｅ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｖｉｅｗ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ： ｒｅｄｕｃｉｎｇ ａｉｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ ｒｏｌｌｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ａｓｐｅｃｔｓ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｃａｒ ｂｏｄｙ ｉｓ ｅｘｐｌｏｒｅｄ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｗｉｎｄ ｒｅｓｉｓｔ－ ａｎｃｅ，ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｄｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｔｔｉｎｇ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｐａｎｅｌｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｏｌａｒ ｃａｒ；ｓｈａｐｅ ｄｅｓｉｇｎ；ｌｏｗ ｗｉｎｄ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ
３）图 ２ｇ 所示的代表车型为密歇根太阳能车队的 Ｍａｉｚｅ ＆ Ｂｌｕｅ，车体呈双体船状，车头下部凹陷，正投影 面积减小，但四轮布局滚动阻力较大。
荷兰代尔夫特理工大学的 Ｎｕｎａ［４］ 太阳能赛车通 过驾驶舱 后 置、 轮 罩 上 贴 附 电 池 板 和 侧 边 变 薄 等 措 施，分别获得 ２００１、２００３、２００５、２００７ 年的 ＷＳＣ 冠军。 据报道，密歇根大学的 Ｑｕａｎｔｕｍ 太阳能汽车采用超低 风阻车身设计，并配有米其林公司提供的低滚动阻力 轮胎，平均车速达 ６０ｋｍ ／ｈ，获得 ２０１２ 年美国太阳能汽 车挑战赛冠军。 日本东海大学的 Ｔｏｋａｉ ｃｈａｌｌｅｎｇｅｒ 太 阳能汽车，采用松下公司提供的具有高光电转化效率 的带有本征薄层的异质结（ Ｈｅｔｅｒｏ－ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｉｎｔｒｉｎ－ ｓｉｃ Ｔｈｉｎ－ｌａｙｅｒ，ＨＩＴ） 太阳能电池和高容量的锂离子电 池，获得 ２０１１ 年 ＷＳＣ 冠军和 ２０１２ 年南非太阳能汽车 挑战赛冠军。
太阳能汽车驾驶舱如图 ５ 所示。 气流通过驾驶舱 罩时经过增速减压和减速增压两个过程，在驾驶舱后 部气流很快分离，不能附着在车体上，形成大尺度涡 旋。 德国的 Ｈａｎｓ Ｇｏ 车队［６］ 采用对驾驶舱罩发生气流 分离的部分竖直切割的方法（见图 ５ａ），这对压力阻力 不会有影响，且节省的车身部分可放置更多电池板， 产生更多电流供汽车行驶。
从低风阻、车身轻量化以及太阳能电池板放置三个方 面进行分析探讨，以期达到降低空气阻力、减小滚动 阻力和增加太阳能采集的目的。
１ 太阳能汽车概述
太阳能汽车目前主要分为两大类：一类是比赛用 车，一类是实用型车。 由于太阳能电池光电转化效率 低，制造成本较高，难以为实用型车提供足够的电能， 所以目前太阳能汽车主要用于比赛用车。 １．１ 太阳能汽车的基本原理
缩小车头圆角曲率半径后，车头最前端部分压力 分布较大，这是因为空气在该处无法顺畅通过，受到 相当程度的撞击。 为减小车头处压力，一般将车头圆 角上半部分进行平滑削尖处理（如图 ４ 所示）。
通过缩小车头圆角曲率半径及平滑削尖处理，可 以使气流不会被迫以较大斜率改变流动方向，车头处 压力减小，正投影面积减少，风阻降低；使放置太阳能 电池板区域增加，可用能量增多；使气动升力减小，安 全性得到保证。
所示的代表车型为 Ａｕｒｏｒａ １０１，车身为机翼状，车轮采 用前一后二的布局，迎风面积和正投影面积均大幅减 小，空气阻力较小，但操纵稳定性较差。
２）图 ２ｅ、图 ２ｆ 所示的代表车型为 Ｄｅｓｅｒｔ Ｒｏｓｅ，这 是太阳能汽车早期探索的类型，电池板可随日照角度 的变化而调整，以获得较大的发电量；但多出的翻转 太阳能电池板的支撑杆件将扰乱整个空气的流动，低 速行驶时影响不明显，但高速行驶时影响很大。
图 １ 太阳能汽车基本原理
１．２ 太阳能汽车车身外形国内外研究现状 太阳能汽车是近几十年才发展起来的，目前主要
用于比赛，其外形与传统汽车相比有很大不同。 太阳 能汽车全部能源来自太阳能电池板，电池光电转化效 率低，可利用能源较少，因而车身外形的空气动力学 因素成为提高车速及续航能力的关键。 实现流线设 计在很 大程 度上可提升太阳 能 汽 车 的 速 度 及 续 航 能力［３］ 。