基于光伏供电的霜雪天气下车载式车衣的设计

方鑫琦 吴一鸣 叶文杰 宋宇涵

摘要： 本文阐述了在新疆地区霜雪天气下车衣对于车辆安全行驶的必要性并针对现存车衣提出两种霜雪天气下车衣的设计改进方法。提出基于光伏供电的新疆霜雪天气下车载式半自动及全自动式车载式车衣的设计，陈述半自动及全自动除雪机构的主要运动及太阳能板电力支持的可行性，为车载式车衣的优化设计提供方向。

Abstract： This paper expounds the necessity of getting off clothes in frost and snow weather for normal and efficient driving of vehicles in Xinjiang， and puts forward two design improvement methods for getting off clothes in frost and snow weather. This paper puts forward the design of vehicle mounted semi-automatic and full-automatic vehicle mounted clothes in frost and snow weather in Xinjiang Based on photovoltaic power supply， and states the main movement of semi-automatic and full-automatic snow removal mechanism and the feasibility of solar panel power support， so as to provide direction for the optimal design of vehicle mounted clothes.

關键词： 全自动车载式车衣;光伏供电;霜雪天气

Key words： full automatic vehicle mounted clothes;photovoltaic power supply;frost and snow weather

中图分类号：U46                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）04-0233-03

0  引言

伴随我国经济水平迅速发展，人民日常生活水平快速提高，汽车已成为常见交通运载工具。北方冬季温度常在0℃以下，在车主停车熄火之后，因温度差而使车体表面积雪融，以冰晶形式附着在汽车表面。车身积雪及残冰难以清理，耗费大量人力资源，且阻碍了正常通行。

对于车身结霜、积雪的车辆，通常会以卡片或其他工具进行清霜、除雪操作，上述人工除雪操作效率低下，因此设计一款简化消霜、除雪等步骤，及时去除积雪、减少人工行为的车衣，可有效减少时间的浪费并优化用户生活体验。

1  新疆光照度及降雪情况

1.1 新疆地区日照数据

1.1.1 数据获取

新疆地区作为本车衣典型应用场景，对新疆地区的光照情况进行调查和分析，查阅文献和官方资料获取较为清晰的数据（如表1所示[1]）。

新疆地区日照强、多晴天，日照时间充足，8个城市中年均日照时数均在2600h以上，部分城市年均日照时数甚至达3000h以上。新疆天然光资源丰富，日照长、晴天多。

1.1.2 数据分析

可见新疆地区年总照度均位于90*108lx以上，年总光照时长2894小时，且新疆地区是国内云量最少的地区之一，年均云量分布仅有50%～60%[8]。新疆地区日照条件完全符合能源提供前提。车衣的使用场景通常为露天状态，选择太阳能作为车衣系统的能量来源切实可行[2]。

1.2 冬季降雪情况调查

1.2.1 数据来源

新疆地区位于我国西北边陲，降雪时长及降雪量均位于我国前列，对新疆地区的降雪进行深度的调查更有利于提高我们车衣的普适性。[2]

乌鲁木齐市作为北疆中心城市，其文献留存度高，据资料得其夜间降雪显著高于日间降雪[3]，考虑到车衣的使用场景通常为夜晚，认为选取夜晚的平均降雪厚度作为讨论依据可行[4]。

1.2.2 数据分析

通过资料查阅，确定新疆地区的冬季日均降雪量为4.6mm，最大每小时降雪量为0.4mm/h，选取0.78g/cm3为计算用积雪密度;日均降雪时长为12h，可得到在新疆地区霜雪天气下单位面积每单位时长内获得的积雪量为0.28kg/m2·h。

2  数据测量及计算

在实际分析问题过程中，以家用轿车型SUV作为实验标准车辆。我们对车辆前盖部分和顶部进行了面积

计算：

于车前视角正视汽车，在汽车玻璃左侧底角为原点，沿水平面与玻璃所在平面相交线段为x轴，过原点及玻璃平面做与x轴垂直直线为y轴，建立xoy坐标系。

通过对点坐标进行采集获得点集ai（xi，yi），曲线与x轴交点为（0，0）与（xn，yn）通过多项式拟合曲线可得玻璃曲线函数为

3  可行性分析

根据上述调查过程中采用的数据类型进行计算分析，从能量变化的角度来计算分析得出我们选取装置的可行性以及对后续机构设计提出参考意见和要求，具体计算过程及结论如下：

由查阅相关文献资料及实际测量得知：

积雪（新雪）密度ρ=0.78g/cm3。平均降雪量δ=0.4mm/h。车玻璃面积S1，前盖面积S2，对水平面倾角分别为Ф1，Ф2前盖轴线上长度l2，玻璃长度l1;

因重力以及坡度因素，车前盖和玻璃上积雪为下厚上薄的不均匀分布，多次测量轴线上积雪深度并得出拟合曲线后发现，积雪呈现以分别轴线上的玻璃及前盖最高点为原点的二次曲线分布，设其分别为a1x2。a2x2。以铅垂线方向为x轴，车前方向为y轴，在车辆中轴面上建立坐标系;

w总=w1+w2

积雪（新雪）平均密度0.78g/cm3，平均降雪量0.4mm/h，实际停车接受降雪时长按12h记，车身玻璃面积0.875m2，车前盖面积1.275m2，车玻璃与竖直面夹角45°，则12h积雪总重为M=7.224kg其中有：

玻璃面积雪：

M1=2.94kg

车前盖积雪：

M2=4.284kg

提升积雪至刮雪板消耗总功为：

W2=30.8406J

刮雪板消耗总功：

W2=0.8×9.8×7.224×0.8=45.3J

多晶太阳能电池板的能量转化效率为13%，新疆地区的冬季平均日照时间以及每小时平均日照度为3.0407×105lx。故而采用50W太阳能板以确保电机运转正常并完成实际任务。

4  国内车衣的研究现状

南京大学设计的充气式车衣[5]提供一种车衣设计的新思路。將自动车衣系统安装在汽车顶部，利用气泵给车衣充气使其覆盖在汽车上，该设计可以防止车衣刮伤汽车的同时提供了额外的保护。但该种气泵长时间工作，耗电量大，且展开和回收效率低，而且一旦车衣有所破损，车衣需进行更换且过程复杂。目前仅限于理论。

除此之外，湖南杨国平设计的一种全智能自动车衣[6]，通过电机和轮盘带动车衣内的龙骨实现车衣的伸缩，该设计自动化程度较高，覆盖效果较好，但需要对车辆进行改造，会对汽车安全性产生一定影响。

5  车衣结构方案设计

5.1 半自动回卷式车衣

本车衣是以除雪高效、快捷展开和回收节省人力为出发点的车载式半自动车衣。本车衣具有回卷机构、供能及储能机构如图1所示。

展开时，人工下拉车衣下端令车衣展开覆盖汽车前挡风玻璃及引擎盖，通过挂钩将车衣下端固定在车头底部，通过挂钩、后视镜护罩、固定耳将车衣固定在汽车表面，即为展开。回收时先拉紧车衣下端的抽绳机构，将两侧车衣聚集并手动折叠车衣至中部矩形车衣下端，并由魔术贴将边缘车衣与主车衣进行粘连，最终由电动机带动回卷转轴转动，带动车衣回卷并将车衣卷收在回卷机构中。当积雪覆盖车衣表面时，将两侧延长带结合向车头方向拉拽，使上层车衣与下层车衣分离，使车衣上的积雪撒落在汽车前方以达到除雪目的。将上层车衣的魔术贴与下车车衣的魔术贴相贴合，通过硬质杆将车衣折好后，通过六边形回卷机构辅助车衣有效回卷、折叠，使用者可通过遥控控制回卷机构工作实现车衣卷收。回卷机构固定于汽车行李架上，回卷后的车衣位于回卷机构内，节约车内收纳空间。

5.2 全自动回卷式车衣

全自动回卷式车衣主要以展开、回收方便、自动化为设计出发点，通过考虑合理空间布局、电池储能能力及太阳能板光能转化效率及有效工作面积，设计结构由以下四部分构成：辅助折叠式车衣、六边形回卷装置、动力传输装置、供能储能装置（如图2图、3所示）。通过回卷车衣带动积雪至车顶平面的并通过除雪板往复运动的模式来除去积雪，并实现车衣的自动回卷的目的。首先将前挡雪板挂钩取下，打开电控开关。车衣收到六边形回卷机构驱动向车顶回卷，积雪随车衣运动至车顶箱平面上，由另一电机驱动的除雪板将积雪铲除至车两侧，随着车衣向上回卷，积雪被清除，回卷完成后由电加热丝将残雪烘干，完成收放步骤。

创新性提出辅助折叠式车衣，对于车衣进行以下方面改动：①将适配与六边形回卷装置的硬质轻质杆缝入车衣，利用轻质杆的磁吸作用将车衣按期望长度逐圈回收固定至六边形回卷轮上，在折叠时仅需抽出并固定抽绳装置进而折叠便可成型，且折叠棒充分考虑了车衣在回卷时的长度增加，进行长度递增设计。在回卷时可快速成型。②明确主车衣与辅助车衣。在辅助车衣处用抽绳进行连接，卷收车衣时，手动拉紧抽绳并用简易抽绳锁紧装置进行固定，将侧面两三角形车衣折叠至主车衣（矩形车衣）下方，并用魔术贴贴紧固定，便于卷收，如图4所示。③主车衣（矩形）下端设置存雪板，保证其在卷收过程中将积雪输送至车顶上方太阳能板处通过除雪机构除雪，以此保证汽车前挡风玻璃无积雪。车顶机构左视图如图5所示。

动力传输装置，通过电机带动减速装置使电机轴向水平转动变为铅锤方向转动并实现减速增扭，锥齿轮通过轴、键传递动力至平面齿轮，使得该齿轮在齿条上左右往复运动带动刮雪板往复多次除雪。结合新疆的自然条件，本文期望通过太阳能板储存转化太阳能，实现电池充电功能。

6  结语

本文旨在解决北方地区在极寒、霜雪天气下汽车启动时人工除雪除霜效率低的问题，创新性提出两种不同的车衣设计方案。半自动车衣可以一定程度解放的劳动力。人工翻折除雪相比传统的人工除雪方式，具有快速、高效、彻底的特点。通过回卷装置实现了半自动、高效除雪的目的，减少了在低温天气中人工卷收车衣的工作量。全自动车衣可以在避免车主极寒天气下进行除雪、除霜作业。此装置使用太阳能这种清洁能源作为供能装置，利于保护生态环境，实现人类社会可持续发展。

参考文献：

[1]李晓峰，梁爽，赵凯，王建，车涛，李震.基于气象要素的中国积雪类型划分及积雪特征分布[J].冰川冻土，2020，42（01）：62-71.

[2]汪泽，李春兰，王长云，曹成帅.新疆地区光伏应用现状及其并网影响研究[J].能源研究与管理，2016（03）：5-9.

[3]盛光伟，肖鹏峰，张学良，冯学智，杨永可，胡瑞，刘豪，张正.新疆天山及北疆地区积雪反照率差异[J].干旱区地理，2019，42（04）：774-781.

[4]丁扬.新疆地区积雪时空变化特征研究[D].西北农林科技大学，2017.

[5]徐亮.电动汽车自动车衣结构及控制系统设计[D].南京航空航天大学，2016.

[6]杨国平.一种全智能自动车衣[P].湖南：CN102514468A，2012-06-27.

[7]阮菲.一种充气式车衣[P].山东：CN103303114A，2013-09-18.

[8]段皎，刘煜.近20年中国地区云量变化趋势[J].气象科技，2011，39（3）：280-288.