浅析温差电动车的传动系统设计与优化

2024-03-16孙俊涛

中国设备工程 2024年3期

关键词：热能传动系统温差

孙俊涛

（新疆大学，新疆乌鲁木齐 830017）

1 前言

随着全球环境问题的日益严重，新能源汽车的发展受到了广泛关注。温差电动车作为一种新型的新能源汽车，具有零排放、低噪音等优点，成为研究的热点之一。而传动系统作为温差电动车的核心部件之一，其设计和优化对于提高整车性能具有重要意义。

2 温差电动车传动系统的工作原理

2.1 温差发电原理

温差发电原理基于塞贝克效应，通过将两种不同材料的半导体连接成一个回路实现。在这个回路中，当温差存在于两端时，即一侧温度高于另一侧，塞贝克效应导致在回路中产生电动势。具体而言，高温一侧的电子能级上升，而低温一侧的电子能级下降，这导致电子在材料中移动，从而在回路中形成电流。这产生的电动势使得电子在回路中流动，从而实现了将热能转化为电能的过程。通过设计合理的温差发电元件，可以将温差能源高效地转换为电能，为温差电动车传动系统提供了可持续的动力来源。这一原理的关键在于选择合适的半导体材料以及设计有效的回路结构，以最大化温差效应的利用。通过深入理解温差发电原理，传动系统可以更加高效地利用环境中存在的温差资源，实现电能的可持续获取。

2.2 传动系统的组成及工作过程

温差电动车的传动系统主要包括温差发电模块、热能收集装置、电能储存装置和电动机等组件。工作过程涉及热能的收集、转化为电能、存储以及最终的驱动车辆行驶。

首先，热能收集装置负责收集环境中的温差能源。这可以通过利用车辆运动过程中产生的热能或者外部温差来实现。收集的热能随后传递给温差发电模块。温差发电模块是传动系统的核心部分，利用塞贝克效应将温差能源转换为电能。当温差发电模块受到热能输入时，内部的半导体材料产生电动势，从而在回路中产生电流。产生的电能被传输到电能储存装置中，以便在需要时提供给电动机使用。电能储存装置起到了能量存储的作用，将通过温差发电模块转化的电能储存起来，以平衡电能供需之间的时间差。这使得车辆在需要额外动力时，例如，爬坡或加速时，能够从储存装置中获取足够的电能。最后，电动机作为传动系统的输出部分，接收储存的电能并将其转化为机械能，推动车辆行驶。这个过程实现了从环境中获取的温差能源到电动车行驶动力的转化，形成了高效、可持续的传动系统。整个系统的协同工作实现了温差能源的最大化利用，为电动车提供了清洁、可再生的动力源。

3 传动系统的设计

3.1 传动系统的结构设计

传动系统的结构设计是温差电动车设计的重要环节，需要综合考虑热能收集装置、温差发电模块、电能储存装置和电动机等多个因素，以实现整体系统的高效运行。对于热能收集装置的类型选择，可以考虑采用与车辆运动相结合的方式，例如，通过车辆底盘的摩擦产生的热能来供给系统。同时，也可以考虑利用外部环境的温差，例如，通过车辆表面的热吸收材料。选择适当的热能收集方式有助于提高系统的整体效率。在温差发电模块的布置方面，需要考虑整体空间布局以及热能传递效率。合理的布置可以确保温差发电模块充分受到热能的输入，并在不同工况下保持稳定的工作状态。电能储存装置的容量设计需要考虑电能的需求和供给之间的平衡。容量适中可以使得系统在短时间内获得足够的电能，同时减小储存装置的体积和重量，符合电动车轻量化的设计理念。电动机的性能对传动系统的效率和动力输出有着直接影响。选择高效、轻量的电动机，并合理匹配传动系统中的其他组件，可以提高整体系统的能量利用率，使得温差电动车在各种工况下都能够获得稳定的动力输出。

综上所述，传动系统的结构设计需要通过合理选择和组合各个组件，确保系统在各方面都能够达到最佳性能，实现温差电动车的高效、可靠运行。

3.2 关键部件的选择与设计

在温差电动车传动系统设计中，关键部件的选择与设计是确保系统高效运行的核心。这包括热能收集装置、温差发电模块、电能储存装置和电动机等关键组件。对于热能收集装置的选择，需根据车辆使用环境确定最适合的方式。例如，若在城市交通中行驶，可以考虑通过车辆制动时产生的热能收集，或者通过车身表面的太阳能光伏板吸收太阳辐射热能。对于选择太阳能光伏板，需要考虑其材质、转化效率以及对车辆外观的影响。温差发电模块的选择与设计需要考虑其对温差的敏感度、输出电压和电流特性。不同的温差发电模块有着不同的工作特性，合理选择可以提高系统整体效率。设计方面需要关注温差发电模块的布局，以确保其在整个系统中能够得到最大的热能输入。电能储存装置的选择需要考虑其容量、充放电效率和循环寿命。可以选择化学电池、超级电容器等不同类型的储能装置，根据车辆的实际需求和重量限制进行优化设计，以实现对电能的高效存储和释放。电动机的选择和设计对整个系统的性能至关重要。需要考虑电动机的功率、转速范围、体积和重量等因素，以确保其能够为车辆提供足够的动力输出。合理的匹配和控制策略可以提高电动机的效率，降低能量损耗。

综上所述，关键部件的选择与设计需要全面考虑系统的整体性能和实际应用环境，通过合理匹配和优化，确保温差电动车传动系统能够在各方面达到最佳性能水平。

3.3 系统的热力学分析

系统的热力学分析是确保温差电动车传动系统能够高效转换热能为电能的关键步骤。通过热力学的基本理论，考察能量在系统中的转化过程，从而计算能量转换的效率。

首先，可以利用卡诺循环的理论来评估系统的理论上限效率。卡诺循环是一个理想的热力学循环，其效率只与高温热源和低温热源的温度有关。卡诺循环的效率公式为：

其中，η 为卡诺循环的效率，TC和TH分别为低温和高温热源的温度。通过公式计算获得的理论上限效率提供了一个参考，能够了解系统在理想情况下能够达到的最高效率。然后，通过实际测试和测量，获取系统中关键组件的性能参数，如温差发电模块的电压输出、电流、电能储存装置的充放电效率等。这些数据将用于计算实际系统的能量转换效率。例如，测得温差发电模块在实际工况下的输出电功率Pout，热能输入功率Pin，则实际系统的能量转换效率η实际可通过以下公式计算：

通过对实际系统进行热力学分析，可以深入了解能量在传动系统中的流动和转化过程，找到能量损失的主要原因，为后续的系统优化提供具体的依据。这种基于热力学的分析方法可以指导系统设计，提高整体能量利用率，实现系统性能的最优化。

4 传动系统的优化

4.1 优化目标及方法

在温差电动车传动系统的设计中，关注的主要优化目标包括提高能量转换效率、降低系统成本、减小系统体积和重量等方面。这些目标的实现对于提升温差电动车的整体性能和可行性至关重要。

首先，追求提高能量转换效率。较高的能量转换效率意味着更多的热能能够被有效地转化为电能，提高了整个系统的能源利用率。通过系统性能分析、优化建模和仿真等手段，可以全面了解传动系统中各个组件的性能，识别和解决潜在的能量损失问题，从而提高系统的整体效率。其次，注重降低系统成本。成本是影响温差电动车商业化的关键因素之一。通过寻找更经济的材料、制造工艺和生产流程，可以有效地降低系统的总体成本。这包括在组件选型、制造过程中的成本考虑，以及在设计阶段通过经济性评估来选择合适的方案。此外，关注减小系统体积和重量。温差电动车通常有限的空间和负载要求，因此紧凑而轻量的传动系统设计将对整车性能产生积极影响。通过结构设计的优化、材料选用的轻量化等手段，寻找最佳的平衡点，确保系统在满足性能需求的同时尽可能减小体积和重量。在优化方法方面，采用了数值模拟和试验设计等手段相结合的方法。数值模拟通过建立系统的数学模型，可以在计算机中模拟不同工况下的性能，快速评估设计方案的优劣。试验设计通过实际测试，获取真实的工作性能数据，验证数值模拟的准确性，为系统的后续优化提供有力支持。

通过上述优化目标和方法的综合应用，将能够实现温差电动车传动系统的多重性能优化，为推动温差电动车的发展和商业应用提供强有力的技术支持。

4.2 传动系统的参数优化

为提高温差电动车传动系统的性能，重点在于对关键组件的参数进行优化。这一过程旨在通过调整热能收集装置、温差发电模块、电能储存装置和电动机等部件的参数，使其在整个系统中协同工作，最大化地发挥其性能潜力。

首先，在热能收集装置的参数优化方面，考虑选择合适的热导材料、热导路径设计、表面特性等参数，以提高热能的收集效率。通过数值模拟和实验验证，找到最佳参数组合，确保系统在各种温差环境下均能充分利用可用的热能资源。其次，对温差发电模块的材料和结构进行优化。通过调整材料的热电性能、优化模块的结构设计，以提高发电效率。优化过程还需要考虑材料的成本、可制造性等因素，以实现在性能提升的同时保持系统的经济性。在电能储存装置的容量优化方面，需要综合考虑储能元件的类型、储能密度、充放电效率等参数。通过合理的电能储存容量设计，实现电能的高效存储和释放，确保系统具备足够的动力储备，提高整个传动系统的稳定性和可靠性。最后，电动机的控制策略是传动系统中至关重要的一环。通过优化电动机的控制算※※法、调整参数和工作模式，实现对电动机输出功率的精准控制。这有助于提高整个传动系统的响应速度、效率和能耗表现。

通过这些关键参数的系统性优化，温差电动车传动系统将能够更好地适应不同的工况和环境，实现更高效的能量转换和利用，从而为温差电动车的实际应用提供更可靠的技术支持。

4.3 实验验证与结果分析

经过传动系统的全面优化，进行了一系列实验以验证其性能表现。在实验结果中，不同优化方案的性能数据得到了详细分析。首先，在电能储存装置容量的优化中，将容量提升至7kWh 显著提高了能量转换效率，达到了85%。然而，注意到系统体积和重量的略微增加可能对整体性能产生一定影响。其次，通过更换热能收集装置材料为高导热陶瓷，成功将能量转换效率提高至88%。尽管取得显著成果，但高导热陶瓷成本较高，对系统体积和重量也有所增加，需要进行成本效益分析。进一步优化电动机控制策略使系统能量转换效率达到90%以上，同时减少了系统体积和重量。这突显了电动机控制策略对性能优化的显著影响。最后，通过优化温差发电模块结构，实现了在能量转换效率、系统体积和重量方面的平衡。

综上所述，通过实验验证和结果分析，得出了不同优化方案在性能、成本和重量等方面的权衡。这为进一步改进设计提供了有益的参考和指导，以实现更高效、更可行的温差电动车传动系统。