【摘要】公交車在現(xiàn)代交通系統(tǒng)中占據(jù)著重要的角色。純電動公交車具有低噪聲、無污染、能量來源多樣化、能量效率高的特點，是解決城市化中的公交車問題的重要途徑。但是目前純電動公交車還存在著續(xù)航里程較短、電池價格較高等缺點。而太陽能則是一種高效、清潔、取之不盡用之不竭的能源，將兩者的結(jié)合可以在一定程度上緩解一下純電動公交車的這些缺點。本文就這一問題進行了利用太陽能發(fā)電驅(qū)動汽車或補充蓄電池電力的研究和針對電源、太陽能發(fā)電的整車混合控制系統(tǒng)的設(shè)計，從而達到對公交車電源優(yōu)化增加公交車續(xù)駛里程的目的。

【關(guān)鍵詞】太陽能發(fā)電；純電動公交車；太陽能電-電控制系統(tǒng)

1.引言

太陽能是可再生、可持續(xù)性發(fā)展的戰(zhàn)略能源。當前，各先進技術(shù)國家無不在新能源領(lǐng)域下賭注、投資本，特別是以汽車產(chǎn)業(yè)為經(jīng)濟支柱的國家，在新能源汽車動力上力圖有所創(chuàng)新和發(fā)展，在太陽能汽車領(lǐng)域更是探索不止。其中，電動公交車因車頂面積較大，為太陽能板的安放提供便利，可利用太陽能發(fā)電直接驅(qū)動汽車，有效避免蓄電池充放電的能量損耗，延長了電動汽車蓄電池的使用壽命而成為發(fā)展的主流。同時，太陽能發(fā)電控制系統(tǒng)和電動車控制系統(tǒng)相結(jié)合的電-電混合控制系統(tǒng)使太陽能公交車成為可能。另外低壓電氣系統(tǒng)（照明、儀表和信號等用電）、車身附件（刮水器、電動車門）、空調(diào)器等，還需要一套輔助電池系統(tǒng)來供給電能，由于電動汽車上沒有發(fā)動機來進行充電，因此這部分電能的消耗量也很大，正好可以利用太陽能發(fā)電系統(tǒng)進行補充。

2.太陽能發(fā)電系統(tǒng)的原理

太陽能發(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載或儲能裝置的系統(tǒng)。它主要是由太陽能電池陣列、控制電路、蓄電池組和負載組成。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)在提供交流電時需要在負載和蓄電池組之間加入逆變器。

2.1 工作過程

公交車太陽能發(fā)電系統(tǒng)的工作過程是：有光照的時候，光伏電池組件受到太陽光照產(chǎn)生電能產(chǎn)生的能量通過控制器以及逆變器的處理之后供給驅(qū)動系統(tǒng)。如果光照強烈且有富余的能量，則給蓄電池組充電。本設(shè)計優(yōu)先為供給用電設(shè)備的輔助蓄電池充電，將驅(qū)動電力和輔助電力區(qū)分開有助于電池的充放電保護和延長使用壽命。如果在夜晚或是陰雨天的時候，太陽能電池組件產(chǎn)生的能量不能滿足驅(qū)動系統(tǒng)工作，這時儲存在蓄電池組的能量就可以供電機驅(qū)動汽車。如圖1所示。

2.2 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成

本設(shè)計的太陽能發(fā)電系統(tǒng)為獨立的光伏發(fā)電系統(tǒng)，其構(gòu)成為：

1）太陽能電池板。

2）控制器：控制器的功能包括充放電控制和最大功率點跟蹤控制兩項功能。其中，最大功率點追蹤控制對整個電系統(tǒng)的高效工作起著至關(guān)重要的作用。

3）儲能裝置：電動車的動力電池和輔助電池。

4）逆變器：逆變器是在發(fā)電系統(tǒng)對交流負載供電時所必須的設(shè)備，因為太陽能電池所提供的是直流電，而公交車上所用負載皆需要用交流電方可工作，所以只有通過逆變器DC/AC的轉(zhuǎn)換。

2.3 太陽能電池板選型

本設(shè)計選擇的太陽能電池板是由天合光能有限公司生產(chǎn)的天合Trina多晶系列太陽能組件，其主要功能為：組件可以承受雪壓達5400Pa，承受風壓達2400Pa；保證輸出功率（0～+3%）；在弱光照條件下（多云天氣和清晨、傍晚）具備高性能；采用4.0mm鋼化玻璃，增加了組件耐用性；平均輸出功率大約0.17kw/㎡。

2.4 蓄電池的選擇

為了最大限度地降低整個電動公交的重量，方便電動公交的運行，太陽能純電動公交車的最佳選擇是大容量高倍率蓄能的鋰離子蓄電池。

本設(shè)計選擇的是有比亞迪汽車公司生產(chǎn)的的磷酸鐵鋰電池（320/180*2），它的單位體積能量很大，高達400Wh/L，比能量可達130Wh/kg，而且磷酸鐵鋰電池的反復充電壽命長，單體電池的循環(huán)次數(shù)可達1500次以上。作為電池組如果有好的監(jiān)控管理系統(tǒng)，在充放電時達到均衡程度，仍然可達1000次以上。因為太陽能蓄電池在使用時常?？梢愿〕浠驕\放，其電池組壽命不會像純電動汽車那樣短。磷酸鐵鋰電池的另一個優(yōu)點是自放電率低，這在連續(xù)陰天和在夜間蓄存電能都有相當大的好處，可以提高電動車的性能。在磷酸鐵鋰電池的荷電容量保持60%～80%計算，使用年限應不低于3～5年，壽命相當于鉛酸電池的三倍左右。磷酸鐵鋰電池充放電效率相對高一些，在85%-90%之間，除此之外磷酸鐵鋰電池工作溫度范圍寬廣（-20C～+75C），有耐高溫特性，電熱峰值可達350℃～500℃；而且電池容量大，重量輕，無記憶效應，電池無論處于什么狀態(tài)，可隨充隨用，無須先放完再充電，由于磷酸鐵鋰電池不含鉛和鎘等重金屬，被業(yè)內(nèi)稱為綠色環(huán)保電池。

綜合上述這些優(yōu)點，磷酸鐵鋰電池是太陽能公交車動力電池的最佳選擇。

3.太陽能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率及對公交車電源優(yōu)化效率分析

3.1 整車規(guī)格設(shè)計

整車規(guī)格設(shè)計要求如表1所示：

3.2 車頂面積計算

由表1知車頂面積為：

12.00*2.50=30㎡

頂部太陽能電池板采取邊緣傾斜安放，故面積可增加15%，此時車頂面積為：

30*1.15=34.50㎡

由于有效光照面積約為70%，則有效光照的車頂面積為：

34.50*0.7=24.15㎡

此時每小時的輸出功率為：

24.15*0.17=4.10kW·h

若一天有效光照時間為6h，每天可發(fā)電：

4.10*6=24.64kW·h

可見太陽能發(fā)電系統(tǒng)可以有效延長公交車的續(xù)駛里程，而且在光照條件較好，太陽能發(fā)電系統(tǒng)可在直接供給汽車驅(qū)動系統(tǒng)狀態(tài)下，有效避免了蓄電池充放電的能量損耗，對延長蓄電池的使用壽命起到一定作用。

4.整車控制系統(tǒng)設(shè)計

整車控制系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示。

太陽能電動汽車上其控制系統(tǒng)不僅僅控制電動源（電池），還要增加太陽能光伏電池陣列的控制功能。太陽能光伏電池所供應的電壓與蓄電池組飽和電壓基本相同，可直接耦合，在太陽能功率充足時，多余的能量進入儲能的蓄電池，在太陽能光電功率不足時由蓄電池完成電力驅(qū)動的任務。所以控制系統(tǒng)的作用就是對充電和放電的過程進行控制和保護，保證對整個電動源系統(tǒng)的正常充電、放電以及對電動汽車的驅(qū)動。

4.1 太陽能電-電混合控制系統(tǒng)

太陽能電-電混合控制系統(tǒng)是控制太陽能光伏電池陣列板對蓄電池的充電以及蓄電池和太陽能電池對負載的放電過程，實現(xiàn)對太陽能光伏電池和蓄電池的科學管理，指示蓄電池過壓、欠壓等運行狀態(tài)，控制電能量達到高電壓、高功率的程度，實現(xiàn)太陽能驅(qū)動和蓄電池驅(qū)動的混合驅(qū)動模式和模式的智能控制轉(zhuǎn)換功能，具有兩路負載輸出的管理，或兩路負載可以隨意設(shè)置為同時工作、分時工作或單獨工作等模式，同時具有負載過流、短路保護功能，具有較高的自動化和智能化水平，同時實現(xiàn)對驅(qū)動系統(tǒng)和車載電氣系統(tǒng)的智能控制。其硬件結(jié)構(gòu)主要由電壓采集電路、負載輸出控制與檢測電路、指示或顯示電路及鍵盤電路等部分組成。電壓采集電路包括太陽能光伏電池板和蓄電池電壓采集，用于太陽光線強弱的識別以及蓄電池電壓的獲取等，太陽能電動公交車控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計與硬件電路是相對應的，包括有主程序、定時中斷程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、外部轉(zhuǎn)換子程序及鍵盤處理子程序、充放電管理子程序、負載管理子程序等。

太陽能電-電混合控制系統(tǒng)是太陽能電池充電控制系統(tǒng)、電源管理系統(tǒng)的和電機控制系統(tǒng)的綜合控制系統(tǒng)，區(qū)別于一般控制系統(tǒng)的主要特點有：

1）采用分級管理控制，內(nèi)核控制外圍電路和大功率電路先后上電，避免電源波動引起上電失效。

2）能夠?qū)μ柲茈姵匕暹M行實時監(jiān)控。

3）行使/停放都能夠給蓄電池組進行充電，增加行駛里程。

4）可以對每個電池的荷電狀態(tài)進行管理，并具有主動電荷平衡能力，避免充/放電保護，從而最大化電池組的整體容量。

5）使用相控調(diào)壓技術(shù)，實現(xiàn)無級調(diào)速。

6）通過實時檢測電機的電壓和電流的相位差和波形，進行對發(fā)動機的輸入功率的控制，實現(xiàn)所供即所需。

4.2 電源管理系統(tǒng)

電源管理控制系統(tǒng)利用子系統(tǒng)的控制功能對蓄電池進行充電管理時，若太陽能光伏電池正常充電蓄電池時，控制器將關(guān)斷負載，以保證負載不被損傷，當充電電壓高于保護電壓時自動關(guān)斷對蓄電池的充電；此后若電池電壓掉至維護電壓時，蓄電池進入浮充狀態(tài)，當蓄電池低于維護電壓時，啟動的應當是均充狀態(tài)。當蓄電池荷電電壓低于保護電壓時，控制系統(tǒng)應當自動關(guān)閉負載開關(guān)，以保護蓄電池不受損壞。在蓄電池負載關(guān)閉后，有兩路充電電路可選擇使用，在太陽光照較強時自動啟動太陽能光伏電池板充電電路，使其發(fā)揮更大功效，或使用外充電源進行快速充電。本設(shè)計利用基于Peukert方程法和神經(jīng)網(wǎng)絡法的SOC（電池荷電狀態(tài)）預測算法建立針對磷酸鐵鋰特性的電池管理系統(tǒng)，其硬件設(shè)計包括電壓檢測電路、太陽能充電和外部充電控制電路、熱敏電阻的溫度檢測電路、CAN通信模塊等，軟件設(shè)計包括系統(tǒng)整體軟件設(shè)計、電壓和溫度采集程序、CAN總線通信的信息接收和發(fā)送，以及與整車管理系統(tǒng)通訊的通信規(guī)約等。

4.3 電機驅(qū)動系統(tǒng)

電機驅(qū)動系統(tǒng)主要由交流同步電機、電力電子變流器（IGBT集成模塊）、數(shù)字控制器和智能化傳感器等幾個核心部分組成。

a.太陽能公交車電機采用的是稀土交流永磁同步電機（150KW），這種交流無刷電機是輕質(zhì)材料制造，非常適合于太陽能電動公交車“輕”的要求，在額定的RPM（每秒轉(zhuǎn)速）達到99%的使用效率。這比以前使用直接引導式驅(qū)動傳送動力裝置要先進。這種傳送動力的裝置也稱其為機械驅(qū)動。這種機械驅(qū)動系統(tǒng)還有選用傳統(tǒng)汽車的變速器、傳動軸、后橋和半軸等部件的。而電動機通過鏈條和履帶同一個單一的齒輪傳動裝置，與車輪鏈接的引導式裝置要比機械驅(qū)動裝置先進了一步。雙線圈電動機成為電動車常用的傳動裝置。在雙線圈之間轉(zhuǎn)換改變了電動機的速度，低速線圈能為太陽能汽車的啟動和減速提供高的轉(zhuǎn)力矩，而高速線圈則為汽車運行提供高效率和最佳的運行效果。工作時，電機峰值功率可達300KW，最大扭矩1400N.m。電機結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊，重量輕、體積小、能量密度高。無需匹配變數(shù)箱，實現(xiàn)無級變速。

b.電機控制器特點：1）基于磁場定向的電流矢量控制，采用SVPWM調(diào)制方法、死區(qū)補償?shù)燃夹g(shù)，使得力矩控制精度高、脈動小，提高了控制系統(tǒng)的性能。2）具有完善的故障檢測與保護功能，包括：過流、過壓、欠壓、過載、超速、過溫等保護功能，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。3）具有自動調(diào)諧和無速度傳感器矢量控制功能，便于用戶快速應用，提高生產(chǎn)效率，降低成本。

綜上可知，該電機驅(qū)動系統(tǒng)很能滿足基于太陽能的純電動公交的需求。

4.4 其它系統(tǒng)

本設(shè)計的其他系統(tǒng)主要有采用分層級式控制的智能化能量管理系統(tǒng)（如圖3所示）、具有制動能量的回收的再生制動控制系統(tǒng)、采用可靠性高、低成本、高效率以及高功率的直流無刷電機為助力電機的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

5.總結(jié)

太陽能公交車的太陽能發(fā)電系統(tǒng)在光照較好的條件下，能夠為驅(qū)動系統(tǒng)提供充足的動力支持。太陽能電-電混合控制系統(tǒng)的設(shè)計保證了太陽能發(fā)電系統(tǒng)和電源管理系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)的相互通信協(xié)調(diào)，使太陽能電動公交車安全平穩(wěn)的運行，并能實現(xiàn)對公交車電源的優(yōu)化目的，從而達到增加續(xù)駛里程和節(jié)能減排的目的。

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作者簡介：張步曉（1989—），男，山東臨沂人，山東科技大學信息與電氣工程學院碩士研究生在讀，主要研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化，智能電網(wǎng)，新能源發(fā)電并網(wǎng)等。