李文龍 楊 松

（武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院車輛工程系，湖北 武漢 430070）

引言

汽車工業(yè)的高速發(fā)展以及人們對(duì)于汽車使用需求的不斷增加，帶動(dòng)了汽車產(chǎn)量和保有量的持續(xù)上升，但是汽車的日益增多也帶來(lái)了一些問(wèn)題，從而加劇了人們目前普遍關(guān)注的能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題。純電動(dòng)汽車具有低噪聲、無(wú)污染、能量來(lái)源多樣化、能量效率高的特點(diǎn)，是解決城市化中的汽車問(wèn)題的重要途徑。目前我國(guó)已經(jīng)在電動(dòng)汽車方面較之前有了較大的發(fā)展，并且從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看電動(dòng)汽車的發(fā)展是不可逆的趨勢(shì)。但是目前純電動(dòng)汽車還存在著續(xù)航里程較短、電池價(jià)格較高等缺點(diǎn)。為了解決這些缺點(diǎn)，人們采取了很多措施，在這里我們想到利用太陽(yáng)能發(fā)電來(lái)彌補(bǔ)電動(dòng)汽車的這些缺點(diǎn)。

另外，隨著社會(huì)節(jié)奏的加快，人們的日常生活也日益繁忙。為了節(jié)省居民時(shí)間，減輕居民在辦理日常生活的麻煩，電動(dòng)服務(wù)車應(yīng)運(yùn)而生。電動(dòng)服務(wù)車主要的服務(wù)項(xiàng)目可以有自動(dòng)售貨機(jī)，通信繳費(fèi)等等。在社區(qū)的使用可以大大方便居民的日常生活。本文就基于此種電動(dòng)服務(wù)車來(lái)論述純電動(dòng)汽車與太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)合。

1 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的原理

本文所論述太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)是基于純電動(dòng)汽車。即采用蓄電池作為動(dòng)力的汽車。本文中所例舉的電動(dòng)服務(wù)車電池為96v鉛酸蓄電池。

首先簡(jiǎn)單介紹一下本車所用的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)是指能夠把光伏電池產(chǎn)生的電能直接提供給負(fù)載或儲(chǔ)能裝置的系統(tǒng)。它主要是由太陽(yáng)能電池陣列、控制電路、蓄電池組和負(fù)載組成。它既可以提供直流電也可以提供交流電，兩種供電方式最主要的差別是系統(tǒng)在提供交流電時(shí)需要在負(fù)載和蓄電池組之間加入逆變器。

獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)的工作過(guò)程是：有光照的時(shí)候，光伏電池組件受到太陽(yáng)光照產(chǎn)生電能，產(chǎn)生的能量通過(guò)控制器以及逆變器的處理之后供給直流或交流負(fù)載工作。如果光照強(qiáng)烈且有富余的能量則給蓄電池組充電。如果在夜晚或是陰雨天的時(shí)候，太陽(yáng)能電池組件產(chǎn)生的能量不能滿足負(fù)載工作需求，這時(shí)候儲(chǔ)存在蓄電池組的能量就可以供給直流或交流負(fù)載工作（工作過(guò)程見(jiàn)圖1）。

圖1 太陽(yáng)能系統(tǒng)工作原理

2 本車太陽(yáng)能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成

本車的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成為：

1）太陽(yáng)能電池板

2）控制器：包括充放電控制，最大功率點(diǎn)跟蹤控制

3）儲(chǔ)能裝置：利用電動(dòng)車的動(dòng)力電池

4）逆變器

5）負(fù)載：服務(wù)車上所需的電腦及其他用電設(shè)備

本車的發(fā)電系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2

圖2 電動(dòng)服務(wù)車原理圖

2.1 光伏電池陣列

光伏電池陣列是指能夠利用光伏效應(yīng)將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的設(shè)備，它應(yīng)該有足夠的輸出功率和輸出電壓供給負(fù)載工作使用。光伏方陣是由若干個(gè)太陽(yáng)能電池組件（見(jiàn)圖3）串并聯(lián)連接構(gòu)成的陣列。太陽(yáng)能電池組件在串并聯(lián)時(shí)有不同的要求。太陽(yáng)能電池組件的并聯(lián)，要求所并聯(lián)的組件具有相同的輸出電壓等級(jí)，并聯(lián)后輸出電壓保持不變，而陣列的輸出電流為各光伏組件輸出電流之和；光伏電池組件的串聯(lián)，要求所串聯(lián)的組件具有相同的電流容量，串聯(lián)后其輸出的電流不發(fā)生改變，但陣列的輸出電壓為各光伏組件輸出電壓之和。在本系統(tǒng)中，由于要滿足系統(tǒng)電壓的需求（當(dāng)日照強(qiáng)烈時(shí)要能對(duì)蓄電池充電，故電池板陣列電壓和要大于儲(chǔ)能裝置電壓），并考慮到市場(chǎng)上銷售的電池板的電壓電流等的參數(shù)（本車上采用的電池板參數(shù)見(jiàn)圖4），這里采用的是光伏電池板的串聯(lián)。

圖3 太陽(yáng)能電池板

2.1.1 電池板的選取

電池板的選取要考慮到車型、車身面積、動(dòng)力系統(tǒng)電壓、使用何種負(fù)載及負(fù)載所消耗的功率、電池板在車身上的安裝位置、安裝面積等因素。

本車在選用電池板時(shí)考慮的因素有：

1本車所用蓄電池為96v鉛酸蓄電池，故電池板電壓輸出要大于96v。

2根據(jù)用電負(fù)載的要求：筆記本電腦、自動(dòng)售貨機(jī)、打印機(jī)及電燈等的功率。

3根據(jù)單塊電池板的面積大小以及占用服務(wù)車的車身面積。

4盡量在光照正常的情況下不動(dòng)用動(dòng)力蓄電池的電量，并且盡量能有富余電量充入蓄電池。

根據(jù)以上要求綜合考慮后，在這里選取單塊板子100w功率，五塊相串聯(lián)得到500w的輸出功率。

單塊電池板的參數(shù)：

圖4 太陽(yáng)能電池板的參數(shù)

2.1.2 電池板的安裝問(wèn)題

綜合電池板的面積大小、使用個(gè)數(shù)以及服務(wù)車的車身大小，在這里的安裝方式為車頂安裝三塊，車身一側(cè)安裝兩塊。車頂?shù)娜龎K電池板也可以根據(jù)車頂面積的大小做成折疊式，在不需電池板發(fā)電時(shí)可以折疊便于保存。

圖5 為安裝示意圖（圖中 1、2、3、4、5標(biāo)記為電池板的安裝位置）：

圖5 電池板安裝示意圖

2.2 控制器

控制器的功能包括充放電控制和最大功率點(diǎn)跟蹤控制兩項(xiàng)功能。控制器在選取時(shí)參數(shù)應(yīng)與電池板的輸出功率以及電壓等相匹配。上述的兩個(gè)功能中，最大功率點(diǎn)追蹤控制對(duì)整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的高效工作起著至關(guān)重要的作用。

2.2.1 充放電控制

蓄電池組的充放電控制實(shí)質(zhì)上是一個(gè)DC/DC變換器裝置，它的工作原理主要是通過(guò)調(diào)節(jié)控制輸出電壓和電流有效的利用太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電能來(lái)給蓄電池充電和防止蓄電池受過(guò)充、過(guò)放的損害，提高蓄電池組的使用壽命。

2.2.2 最大功率點(diǎn)控制

最大功率點(diǎn)跟蹤控制即MPPT控制，此控制主要的作用是使太陽(yáng)能電池陣列能夠工作在最大功率點(diǎn)附近。

太陽(yáng)能電池的輸出特性受電池溫度和日光強(qiáng)度等因素的影響，即使在外部環(huán)境穩(wěn)定的情況下，光伏電池的輸出功率也會(huì)隨著外部負(fù)載的變化而變化，只有當(dāng)外部負(fù)載與光伏器件達(dá)到阻抗匹配時(shí)光伏器件才會(huì)輸出最大功率，這時(shí)稱光伏器件工作在最大功率點(diǎn)(Maximum Power Point,簡(jiǎn)稱MPPT)。光伏電池即非恒流源也不是恒壓源，而是一種非線性直流電源，通過(guò)不斷調(diào)節(jié)光伏器件的工作點(diǎn)實(shí)現(xiàn)使光伏電池始終工作在輸出最大功率的過(guò)程，即為光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)

2.3 逆變器

逆變器是在發(fā)電系統(tǒng)對(duì)交流負(fù)載供電時(shí)所必須的設(shè)備，因?yàn)樘?yáng)能電池所提供的是直流電，而服務(wù)車上所用負(fù)載皆需要用交流電方可工作，所以只有通過(guò)逆變器 DC/AC的轉(zhuǎn)換

直流-交流功率變換稱為逆變，交流輸出電壓除含有較大的基波成分外，還可能含有一定頻率和幅值的諧波，其基波頻率和幅值都是可以調(diào)節(jié)控制的，而且逆變器的輸出可以做成任意多相。但是在實(shí)際的應(yīng)用中大都只采用單相或三相。現(xiàn)在絕大多數(shù)的逆變器都采用的是全控制的電力半導(dǎo)體器件，中功率逆變器多采用 IGBT，大功率多用 GTO，小功率的則用PMOSFET。

本車所用逆變器需將直流變?yōu)?20v交流，逆變器型號(hào)參數(shù)與控制器、電池板輸出電壓、電流均需匹配。

2.4 儲(chǔ)能裝置

在光伏獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)中，儲(chǔ)能裝置是必不可少的。因?yàn)樘?yáng)能電池的輸出特性隨電池的溫度和日照強(qiáng)度的變化而變化，當(dāng)外部環(huán)境發(fā)生變化時(shí)就有可能導(dǎo)致太陽(yáng)能電池不能輸出足夠的功率，為了能滿足負(fù)載功率的要求，就必須要有儲(chǔ)能裝置。當(dāng)沒(méi)有充足的光照時(shí)，太陽(yáng)能電池不能輸出足夠的能量，這就需要儲(chǔ)能裝置給負(fù)載提供電能。而在陽(yáng)光充足時(shí)太陽(yáng)能電池發(fā)出的電能對(duì)于負(fù)載又有可能是富余的，這時(shí)候就需要把多余的電能儲(chǔ)存起來(lái)。

在這里，與其他太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)所不同的是，我們是將車上自帶的動(dòng)力蓄電池作為儲(chǔ)能裝置。之采用動(dòng)力電池作為儲(chǔ)能裝置，一是不需另外配置儲(chǔ)能裝置，既能節(jié)省開(kāi)支又可減小所占用空間。二是能量存儲(chǔ)額度較大。三是可以在太陽(yáng)光照充足，負(fù)載用電富余時(shí)可將一部分電存儲(chǔ)為動(dòng)力電能，提高電動(dòng)服務(wù)車的續(xù)航里程。同理，在太陽(yáng)光照不足時(shí)，利用動(dòng)力電池的電能供負(fù)載工作。

以上就是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)與社區(qū)電動(dòng)服務(wù)車相結(jié)合的系統(tǒng)分析，針對(duì)不同的車型或配置上述發(fā)電系統(tǒng)可以有相應(yīng)的改變，以盡量滿足人們?cè)谏钪袑?duì)電動(dòng)汽車的要求。

結(jié)束語(yǔ)

隨著非可再生資源的枯竭以及燃油汽車造成的日益嚴(yán)重的污染，電動(dòng)汽車在世界范圍內(nèi)正快速發(fā)展。但是電動(dòng)汽車與生俱來(lái)的劣勢(shì)也亟須解決。本文以太陽(yáng)能作為電動(dòng)服務(wù)車的輔助能源，將太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)與純電動(dòng)汽車相結(jié)合，既發(fā)揮了純電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)，又將純電動(dòng)汽車的缺點(diǎn)進(jìn)行了很大程度地改進(jìn)。通過(guò)以上的論述，證實(shí)將太陽(yáng)能應(yīng)用在電動(dòng)汽車上是可行的，如何將此系統(tǒng)進(jìn)行更進(jìn)一步的優(yōu)化來(lái)降低太陽(yáng)能充電裝置的成本并提高充電效率又給我們提出了更高的要求。

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