王昕鑫

摘 要：世界上主要的交通工具大部分使用化石燃料。为了应对日益严重的环境污染问题并降低能源消耗，本文提出了一种太阳能三轮车的设计方案，以提供一种节能的交通方式。太阳能三轮车提供了较高的容纳率、速度和出行范围，可以满足当地通勤的需要。

目前的三轮车可以分为四大类，即集成电路驱动、电动马达驱动、人力驱动和电动三轮车。其中更为环保的解决方案是电动三轮车。电动马达驱动大部分包含节气门来控制马达和踏板以辅助马达。这种配置将更快地耗尽电池，并减少电池寿命，因为人们倾向于更多地使用节流阀。这种车辆的典型电池寿命为6-8个月。在此背景下，本文阐述了太阳能充电和转矩传感器智能控制整个车的概念。在车辆运行或停车时，顶部的太阳能电池板充电。此外，本文还对汽车的应用及其在各个部门的经济影响进行了研究。

关键词：太阳能车；踏板辅助；三轮车；电动车

1 引言

短途运输和物流成本更高，而三轮车是这一领域的主要载重载体。目前最主流的选择是内燃机驱动或者人力驱动。电动三轮车也逐渐出现在这个市场上。内燃机驱动车辆是造成汽车高成本污染的主要原因，人工三轮车费时费力，给驾驶员带来健康问题。电动三轮车的电池寿命很短（6-8个月）。印度和类似的发展中国家缺乏收费基础设施。在这种情况下，太阳能电动踏板辅助三轮车是一个最佳解决方案，它绿色环保、成本低，增加电池寿命且比手动三轮车更省力。

2 三轮车动力分析

2.1 整车配置

目前的三轮车有两种类型的底盘配置，即蝌蚪和三角行。蝌蚪配置在前面有两个轮子，在后面有一个轮子。三角形的结构在前面有一个轮子，后部有两个轮子。太阳电动踏板助力三轮车选择了三角结构。当脚踏车三轮时，该辅助电平开关允许用户设置所需的电机辅助，扭矩传感器感知用户在踏板上施加的扭矩。电机控制器利用转矩传感器值和辅助电平开关的输入来控制电机，以提供所需的辅助。安装在车顶的太阳能电池板通过太阳能充电控制器为电池充电，并通过优先算法为电机供电。

2.2 踏板辅助技术的优势

踏板辅助技术有助于减少使用者在骑三轮车时消耗的体力。从本质上说，移动载重车辆所需的力是由电机和人共同分担的，这减少了两者的工作量。这使我们可以使用低功率电机，这反过来又有助于减少电池所需容量。因此，太阳能电池板可以为电池组充电，并为发动机提供电力[1]。

2.3 骑手的力量贡献

查阅文献可知，三轮太阳能踏板辅助车的骑手的功率贡献是300瓦。它的值在可以短时间施加的最大功率和可以在长时间施加的连续功率（阈值）之间[2]。

人类使用踏板短时产生的最大功率为1200瓦，阈值为400瓦。文献中提供了一个男性和女性脚踏板的力量的详细的图表[3]。从图表中可以看出男性和女性所施加的力的保守估计值。对于男性，5秒内的最大功率为1199.9瓦，阈值为285.43瓦。对于女性，5秒内最大功率为870.35瓦，阈值为220.35瓦。车辆所需牵引力的计算考虑了滚动阻力、气动阻力和梯度阻力。依据市场调查、车辆的总牵引力要求和电池的放电容量，选择300瓦，250瓦，400瓦特电机作为推进装置。考虑到300瓦的人为功率，250瓦电机车辆的极限等级能力为3级，400瓦电机车辆的极限等级为3.6级。

2.4 车辆原型

用250瓦无刷直流电动机、250瓦特太阳能电池板和1千瓦电池组加载一台太阳能踏板辅助三轮车进行测试。这辆车的重量是250公斤。低动力电机和一个小电池组使车载太阳能充电单元可以完全为车辆供能。

3 三轮车应用

3.1 车辆在公共工作区的应用

公共工作区应用包括垃圾收集、最后一英里连接车辆、最后一英里物流和送货车辆。这些地区的载重目前是使用装有送货箱的改装自行车进行的。即使他们能达到更大的速度，他们的负荷是有限的。

3.2 车辆在私人工作区的应用

私人工作场所的例子有工厂、公园、校园、乡镇等等。在这些地方，这类车辆的应用可以被划分为载重应用。下面讨论实际工业中的成本效益分析。印度的食醋工业以出口为导向，食醋桶重230公斤，目前桶在廠内和厂外由体力劳动者搬运，人的平均步行速度为4km/h。当人们带着负载移动时，速度会进一步降低。以20 km/h的速度运行的梁式车辆提高了运动桶的速度。这基本上意味着更多的桶可以在规定的8小时内移动。

3.3 经济分析

本部分介绍和分析了原型车的测试和成本效益分析，并对两种不同的应用进行了讨论。

该车辆能够轻松地承载250公斤的负荷。太阳能充电电路有助于扩大范围，使它不依赖充电基础设施。可以通过使车辆重量轻和增加齿轮系统来进一步减少人们的体力来提高行程。在公共工作空间应用中，由交付成本/公斤确定的货物交付的经济效益提高了16倍。梁式车比起普通送货自行车，可以承载15倍的负载，这显着地提高了效率。由于交通状况限制了车辆的行驶速度，自行车的速度优势微乎其微。当车辆速度是人的步行速度的3倍时，梁式车辆可能通过将移动300桶所需的时间减少59%，提高了运输效率。

4 结论

太阳能电动踏板辅助三轮车是短距离移动小负荷的一种可持续的经济解决方案。它可以大大提高私人和公共工作场所的物质流动效率。由于车辆完全可以用太阳能充电，所以它不依赖充电基础设施。在大量的应用中使用该车辆可获得经济效益。并且该车辆可以缓解人们面临的环境污染的主要问题。

参考文献：

[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车[J].军事文摘，2017（06）：14.

[3] Hunter Allen and Andrew Coggan. Training and racing with a power meter. VeloPress， 2012.