一种基于车身压力差方式的充电装置设计.pdf

第18 卷第2 期2023年6 月贵阳学院学报（自然科学版）（季刊）JOURNAL OF GUIYANG UNIVERSITY Natural Sciences(Quarterly)Vol.18No.2Jun.2023一种基于车身压力差方式的充电装置设计宋景（贵阳学院机械工程学院，贵州贵阳550 0 0 1）摘要：随着新能源汽车产业的迅猛发展，纯电动汽车的保有量也逐年增加，与此同时，纯电动汽车的续航里程也成为关注的焦点。为进一步增加纯电动汽车的续航，本文基于车辆尾部气流的分析结果，根据车辆高速行驶时在尾部区域由于压力不等在纵向方向上会产生了一定的压力差，借用这个差值对电机叶片进行驱动，转化为电能，从而实现纯电动汽车续航里程增加的目的。通过模拟计算，该设计可以实现车辆高速行驶时百公里能量回收，提高续航能力。关键词：纯电动汽车；充电装置；设计SONG Jing万辆中图分类号：G642.0(College of Mechanical Engineering,Guiyang University,Guiyang 550001,Guizhou,China)Abstract:With the rapid development of the new energy vehicle industry,the number of pure electric vehicles has in-creased year by year,and at the same time,the range of pure electric vehicles has become a focus of attention.In orderto further increase the range of pure electric vehicles,the article proposes a vehicle installed in the rear of the vehicle,borrowing the vehicle at high speed in the rear caused by unequal pressure,resulting in a certain pressure difference todrive the motor blade rotation idea,Through simulation calculations,the design can realize the energy recovery of 100 kil-ometers when the vehicle is ranning at high speed and improve the endurance.Key words:Pure electric vehicles;Charging device;Design近年来，国家政策推动下，新能源汽车产业迅猛发展，截至2 0 2 1年，新能源汽车的保有量达到了784万辆1，图1是近几年我国纯电动汽车的发展情况。尽管纯电动汽车得到了较大力度的支持及发展,但是也存在一些因素,给购车者带来一些顾虑，如车辆的保值率、安全性、续航里程问题。其中续航情况也是社会上讨论较多的问题，虽然纯电动汽车在电池能量及充电技术上普遍实现了6 0 0 km的续航里程和充电速度可在2 0 40 分钟内达到电池8 0%的能量，但仍有观点认为纯电动汽车不完善、不成熟,这种观点的主要考虑因素之一是认为纯电动车在电池能量充满状态下，不能很好完成行文献标识码：A文章编号：16 7 3-6 12 5（2 0 2 3）0 2-0 0 51-0 4A design of power generation device based onbody pressure difference method1250201620172018图12 0 16-2 0 2 1纯电动车保有量情况驶距离在40 0 km以上的行驶任务，从而把这种不可能性的主观认识转化成了纯电动汽车的续航里程焦虑。2016-2021纯电动车保有量情况100073640310400211201920202021收稿日期:2 0 2 3-0 3-0 5作者简介：宋景，女，贵州贵阳人，副教授、硕士。主要研究方向：结构设计。一51 一贵阳学院学报（自然科学版）（季刊）当前纯电动汽车为了满足人们的长途行驶需模型，车辆尺寸长为46 90 mm宽17 50 mm高17 8 5求,纷纷加大车辆的电池能量，但是随着车辆电池mm,假设模型的行驶车速为10 0 km/h。该模型的能量的增加,车辆的自重也在增加,所以在电池技迎风面积为1.8 51m，空气密度取p=1.2258Ns/术没有进一步突破同时,单靠增加电池重量来增加m-4用仿真软件对车辆模型进行空气阻力系数计续航里程是有边界的;其次,厂家在努力地进一步算,空气阻力系数C,=0.226kg/m,该空气阻力减小风阻,不过当前风阻的设计已达到了一个较小系数处于当前车辆普遍的空气阻力系数0.2 0.5值,要继续向下突破存在一定的难度；再次，纯电动之间，说明车辆模型符合下一步分析要求2 汽车在车辆制动能量回收和车辆能量输出方面已图3中，车辆的行驶方向为X方向，即图片的做得较好。总的来看目前要进一步提升纯电动汽左面为车辆行驶方向，行驶车速为10 0 km/h。从车续航里程存在一定瓶颈,既然仅从车辆自身结构图3可以看到，车辆顶部区域气流X向流速达到出发在提升续航里程上存在难度,那么尝试从车辆了2 6.6 8 m/s；车辆尾部区域，气流X方向的流速在使用环境中的不同情况的特点来进行思考，或许达到2 1.7 m/s，根据伯努利原理，可知在车辆顶部能找到一些续航里程提升的方法。到尾部区域车身存在一定的压力差。通过图4车1设计背景身的相对压力图可以得到，车身尾部相对大气压而根据人们驾驶车辆到达目的地距离的长短来言存在7 8.6 8 Pa的压力。假若设计一旋转叶片，划分，可以分短途和长途两种。纯电动汽车处于短在此压力下产生旋转,把机械能转为电能则可以实途行驶时，由于城市规模和城市基础建设完善度等现车辆的充电。原因，纯电动汽车在城市中行驶时较少出现甚至不存在所谓的续航里程焦虑,因为驾驶员可以快捷地寻找到便利的充能设备进行充电；大多数驾驶员主要是在跨市或跨省出行时表现出对纯电动汽车的续航里程焦虑，担心服务区没有充电设备、担心充电设备数目不够、担心充电设备有损坏等等。如果能在纯电动汽车长途行驶时延长续航里程可以适当降低部分驾驶员的里程焦虑。随着我国高速公路网的逐步完善，人们在进行长途行驶时，普遍选择高速公路行驶。分析高速公路行驶状况来看，车辆行驶时的主要特点就是速度快。当一个物体以较快的速度在空气中运动时，会造成运动物体周边压力值不一样，从而形成了压力差。根据伯努利原理，可以得知当出现压力值差异时，意味着周边空气流速不一致，借用空气流速的不一致,可实现能量到机械能的转化。车辆在进行高速行驶时，车身周边的压力由于车身造型原因出现了压力的不一致，对车身存在的这种压力势能进行向机械能的转化从而机械能再转为电能，就可以实行车辆在高速行驶时边跑边充电的设计。运动的车辆车身压力差H压力势能18卷Z-3.071 1.8896.849 11.809 16.769 21.729 26.689 31.650速度()m/s)图3气流X向流速ZYX-504.56-310.15-115.7478.68273.09467.50661.91相对压力Pa图4相对压力叶片面上为低压区机械能电能图2 设计思想2设计过程为便于探讨设计的可行性，借用软件建立车辆一52 一面下为高压区图5装置原理图2期工程图视图1设计如图6 所示的叶片装置，叶片放置在车辆尾部区域位置，由于叶片上下两面的压力存在差值，在此差值的作用下，叶片旋转。叶片旋转后可带动磁场旋转从而产生电能。之所以叶片装置考虑安装在车辆尾部位置,第一是考虑尽可能地不改变车辆外造型，避免带来车辆空气阻力的变化，因此由于额外装置的安装，可能会造成车身气流的变化更为复杂，反而可能需要更多的能量去克服装置造成的阻力消耗3;第二,车身尾部已经有尾翼的研究与应用,存在一定的造型更改基础，不会过多给大众审美带来突元感。叶片装置可采取叶片平行车身方式安装在车辆尾翼中,车辆宽度普遍为1750mm左右的宽度，这又把叶片长度构建为等同车宽，以增大叶片的受力面积，为提升功率做基础，如图7 车辆尾翼图所示，考虑车辆尾部空间情况，使得叶片单叶宽度为2 0 0 mm，因此叶片的单叶面积可以做到S=0.3m。工程图视图2图7 车辆尾翼ZYX-14.768-10.441-6.114-1.7872.5396.86611.193速度RRF(Z)m/s图8 气流Z向流速根据公式F=PS可求出叶片Z向的受力F=2.34N,通过对车身尾部Z向即垂直地面方向的空气流动速度进行测量，如图8 气流Z向流速图所示,Z向的空气流速在尾部可达6.1m/s,则可求出叶片功率，也即是一个安装在车辆尾翼位置的叶片发电装置，可供14.2 7 W的功率。宋景一种基于车身压力差方式的充电装置设计人图6 叶片安装方式当前市面上根据官方数据，明确续航里程在400km以上，且大众喜爱评分为4.0 分以上的2 5款纯电动汽车中10 款车进行抽样调查，抽取数量为40%。详细数据见表1。对表1中数据做均值处理，得出目前纯电动汽车的电池能量8 1.7 5kwh,续航里程553km，百公里能耗为16.0 9 kwh/100km。结合前文中叶片发电装置的计算数据,理想状态下，该装置在车辆行驶过程中实现1小时充电0.0 142 7 kwh，相当在10 0 公里行驶中可节省0.08%的能量。应当注意的是，从数据上来看占比虽然不大，但是该装置受车速、面积和影响位置较大,因此,数据是有一定上升空间的,对车辆的续航里程增加是有一定意义的。表1纯电动车辆能耗数据续航里程电池能量百公里能耗品牌km汉EV715特斯拉 Model Y545小鹏P7480蔚来ET7530宝马IX3500奔驰EQC440蔚来EC6465奥迪Etron500岚图FREE631极氪0 0 17323设计的特点及问题第一,该设计与现有风力发电设备的区别点在于，当前风力发电设备是靠风直接冲击叶片造成风机的转动4,如果直接选用该模式安装在车顶或车身其他风速较快位置，那就会较早改变气流运动情况给车辆造成不同影响，设计放置在车尾，利用已成定局气流走势，在车身不同位置气压差造成叶片的转动，尽量减小气流对车身的影响。第二,该设计受车外形的影响较大，不同车型造成的尾部静压差不太一样，因此能有效延长续航里程的范围有待探讨；再一个是不同车型的车辆，尾翼尺寸及尾部形状不太一样，也限制了叶片安装的位置及尺寸同时，也要对寻求最佳功率点提出要求,这些都对发电效率带来直接的影响。第三,设计仍有较多问题需考虑。车辆在不同速度下造成叶片转速变化带来发电机工作电压的稳定问题，以及车尾部涡流复杂情况可能造成叶片的反转问题等等。为了较大程度地利用到尾翼上下差压，应该对尾翼造型做出适当调整，但这也会一53 一kwh85.46060.2758079.27596.7106100kwh/100km13.512.713.816.215.12017.219.418.314.7贵阳学院学报（自然科学版）（季刊）带来诸如风噪、安装可靠性等其他问题。是给纯电动汽车在高速行驶时延长续航里程的探讨提供一个思路。4结论目前普遍关注的是新能源车辆和内燃机车辆在驱动、供给方式的区别,更多研究都是从电池、电机、控制角度做出直接的改变。极少关注车辆在使用途中的情况，纯电动汽车由于供给装置的不同，相较内燃机车有个容量较大、能量转化路径短的储能设备一一电池，所以在考虑纯电动汽车的节能时，可以多角度思考，充分考虑汽车行驶环境的各方面因素，结合纯电动汽车能量转化路径短的特点,尽可能使得自然中存在的各种形式的能量转为已用,实现车辆续航里程的提升。该设计也正从此角度出发，考虑车身周边流动气流的情况，以使得车辆在行驶途中能进一步减少能量消耗,尽管从演算情况来看，能量节省的占比不大，仅达到0.08%，但是该设计仍有进一步改善空间，这无疑18卷参考文献：12022年上半年中国纯电动汽车保有量及市场渗透率分析EB/0L.(2022-07-07)2023-01-15.https:/ 0 19.3袁阳阳.基于近似模型的汽车尾部结构减阻优化D.重庆：重庆交通大学,2 0 18.4芦丽丽，祁文军，陈海霞，等.风力发电机叶片结构优化和模态分析J.哈尔滨理工大学学报，2 0 17,2 2（5）：7-12.责任编辑王建蕊(上接第50 页）7吕程熙.基于深度学习实现自动垃圾分类J.电子制作,2 0 19(2 4):3 6-3 8.8祝朝坤,魏伦胜.基于TensorFlow的智能垃圾分类系统的研究与设计J.电子产品世界，2 0 2 0，2 7（6）：71-75.9吴谊平.城镇塑料生活垃圾智能精细分类关键技术研究D.南昌：南昌大学,2 0 2 0.10 吴瑞.基于高光谱成像和深度学习的可回收垃圾分类方法研究D.太原：中北大学,2 0 2 0.11刘恩乾.基于深度学习的生活垃圾分类和检测D.太原：山西大学,2 0 2 0.12刘烨.基于ShuffleNet网络模型的图片内容自动分类研究D.郑州：河南大学.2 0 18.13 SZECEDYC,LIU W.JIA Y,et al.Coing Deeper WithConvolutions C/IEEE Conference on Computer Visionand Pattern Recogni-tion,IEEE Computer Society,2015:1-9.14J SANDLER M,HOWARD A,ZHU M L,et al.Mobile-NetV2:Inverted Residuals and Linear Bottlenecks C/The IEEE Conference on Computer Vision and PatternRecognition(CVPR),2018,4510-4520.15 ZHANG X,ZHOU X,LIN M,et al.ShuffleNet:An Ex-tremely Efficient Convolutional Neural Network for MobileDevices C/Proceedings of the IEEE Computer SocietyConference on Computer Vision and Pattern Recognition,2018:6848-6856.16JMA N N,ZHANG X Y,ZHENG H T,et al.ShuffleNetV2:Practical guidelines for efficient CNN architecture de-signJ.Lecture Notes in Computer Science(IncludingSubseries Lecture Notes in Artificial Intelligence and Lec-ture Notes in Bioinformatics),2018(11218):122-138.17李嘉璇.TensorFlow技术解析与实战M.北京：人民邮电出版社,2 0 17.【责任编辑王建蕊一54一