肖友鵬

(南昌大學(xué)光伏研究院，江西南昌330031)

輕型太陽電動(dòng)車電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)性分析

肖友鵬

(南昌大學(xué)光伏研究院，江西南昌330031)

結(jié)合都市上班族上下班出行的特點(diǎn)，對(duì)輕型太陽能電動(dòng)車電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，包括直流電機(jī)功率、太陽電池板和蓄電池組容量計(jì)算和選擇，并對(duì)太陽能電動(dòng)車電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行全壽命周期成本(LCC)分析和環(huán)境效益分析。設(shè)計(jì)與分析說明太陽能電動(dòng)車具有經(jīng)濟(jì)可行性和一定的環(huán)境效益。

太陽能電動(dòng)車；電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；經(jīng)濟(jì)性分析；環(huán)境效益分析

利用可再生的清潔能源是解決化石能源減少和環(huán)境污染加劇問題的必由之路，為了控制城市中汽車尾氣的排放，減少燃油的消耗，很多人將目光投向了太陽能電動(dòng)車。太陽能電動(dòng)車不僅能減少燃油和燃油汽車的需求，還能提供清潔能源降低二氧化碳排放，緩解城市污染問題的嚴(yán)重程度，抑制全球變暖和環(huán)境惡化，提升公眾健康水平。

限制太陽能電動(dòng)車?yán)玫闹饕蛩剡€是成本，因此有必要從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度看待太陽能電動(dòng)車的設(shè)計(jì)和運(yùn)行。由于太陽能是一種低密度、間歇性能源，目前太陽能的收集效率較低，可提供能量有限，所以太陽能電動(dòng)車通常設(shè)計(jì)為輕型雙人四輪型，通過引入更輕的材料，優(yōu)化設(shè)計(jì)和制作流程來降低整車總質(zhì)量。太陽能電動(dòng)車設(shè)計(jì)主要包括電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制策略的選擇，其他還要考量的技術(shù)因素還有輕質(zhì)材料、低阻力輪胎和插入式充電技術(shù)等。

1 電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

圖1為太陽能電動(dòng)車電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成示意圖，各組成部分功能如下：太陽電池板將太陽能轉(zhuǎn)換為電能并且儲(chǔ)存在蓄電池組中，蓄電池組產(chǎn)生48 V直流電供應(yīng)直流電機(jī)和車載電子器件，電機(jī)控制器是一個(gè)電學(xué)控制單元，用來控制直流電機(jī)的電量進(jìn)而提供變速。電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)主要包括直流電機(jī)功率、太陽電池板和蓄電池容量的計(jì)算設(shè)計(jì)。

圖1 太陽能電動(dòng)車電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成示意圖

1.1 直流電機(jī)功率

太陽能電動(dòng)車以太陽電池板發(fā)電并將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存在蓄電池中，蓄電池向直流電機(jī)提供能量驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車向前行駛，行駛過程中需要克服滾動(dòng)阻力、空氣阻力、加速阻力和坡度阻力等行駛阻力，由于設(shè)計(jì)的是輕型電動(dòng)車，因此暫時(shí)不考慮加速阻力和坡度阻力。電動(dòng)車在行駛過程中車輪持續(xù)滾動(dòng)，在輪胎處產(chǎn)生的滾動(dòng)阻力可表示為[1]：

1.2 蓄電池組容量

蓄電池組容量與太陽能電動(dòng)車總的行駛里程有關(guān)，對(duì)于都市上班族來說，上下班單程大約為20 km，考慮到用戶住地與主干道之間的距離約為1.6 km，總的行駛里程取為43.2 km，行駛需要花費(fèi)的時(shí)間為60 min，電機(jī)需要提供的電量為：

然而，電機(jī)并不是全程以同一功率工作，所需的功率隨著行車的速度和路況等而變化，電機(jī)最大功率可能達(dá)到的1.5倍，即=720 W。因此，保守估計(jì)有總時(shí)間的80%電機(jī)工作在480 W的功率狀態(tài)，總時(shí)間的10%電機(jī)工作在720 W的功率狀態(tài)，其余10%的時(shí)間電機(jī)工作在平均功率=600 W的功率狀態(tài)，因而所需總的電量為：式中：ηm是直流電機(jī)效率，在總的電量基礎(chǔ)上加上10%是為了在遇到交通信號(hào)燈和交通堵塞時(shí)的停車和啟動(dòng)時(shí)準(zhǔn)備電量。電機(jī)所需的電量必須儲(chǔ)存在蓄電池組中，從而也就決定了蓄電池組的容量。

蓄電池組還需給汽車照明比如前照燈、信號(hào)燈、剎車燈提供電量。總的電量需求應(yīng)該是電機(jī)所需的電量加上車燈所需的電量。在確定蓄電池組的容量時(shí)需要注意，蓄電池的容量會(huì)隨放電電流的大小而改變，根據(jù)Peukert定律，與放電電流I之間呈非線性關(guān)系的蓄電池放電容量為[2]：

式中：t為放電時(shí)間，n為Peukert常數(shù)，取值在1.1～1.3之間，本文取1.2。應(yīng)用Peukert定律，功率變化的電機(jī)行駛?cè)趟栊铍姵亟M容量為式(1)所示。

為了保證蓄電池在冬季也可以提供適當(dāng)?shù)碾娏浚枰紤]溫度校正因子和老化因子，為了延長蓄電池的壽命，需要考慮蓄電池的最大放電深度DOD，因此最終蓄電池組容量可以計(jì)算為[3]：

進(jìn)一步地，由于不恰當(dāng)維護(hù)、自放電或者環(huán)境溫度過低，蓄電池組需要增加10%的容量，因此蓄電池組的容量為49.49 Ah，選用4個(gè)12 V/50Ah的鉛酸蓄電池全部串聯(lián)以達(dá)到所需的電壓和容量。

表1 計(jì)算蓄電池組容量所使用的參數(shù)

1.3 太陽電池板容量

太陽電池板的容量，與蓄電池組和充電控制器的充電效率有關(guān)。如果ηCH為蓄電池組的充電效率，ηCC為充電控制器的效率，太陽電池板所要達(dá)到的發(fā)電量由式(9)[3]計(jì)算為1 312.59 Wh。

太陽電池板的峰值功率WP[3]為：

表2 計(jì)算太陽電池板容量所使用的參數(shù)

冬季和陰雨天太陽能輻射較弱，太陽電池板發(fā)電量不足，可以從公共電網(wǎng)獲取電能，對(duì)太陽能電動(dòng)車進(jìn)行插入式充電。

2 經(jīng)濟(jì)性分析

設(shè)計(jì)的太陽能電動(dòng)車用全壽命周期成本(LCC)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。LCC包括電動(dòng)車自身成本和整個(gè)壽命期內(nèi)發(fā)生成本的總和折算到投資初始期的現(xiàn)值 (PW)[4]。因此太陽能電動(dòng)車LCC包括太陽電池板、蓄電池組、充電控制器、直流電機(jī)等購買成本的現(xiàn)值，以及安裝、維護(hù)和運(yùn)行成本的現(xiàn)值。

太陽電池板初始投資成本是比較高的，但單晶硅太陽電池板預(yù)期能夠使用至少20～25年而不需要更換，成本可以在以后的壽命期內(nèi)得到補(bǔ)償。本文設(shè)計(jì)的太陽能電動(dòng)車預(yù)期能夠使用20年，鉛酸蓄電池的壽命假定為5年，因此，在5、10、15年之后需要再次購買蓄電池。充電控制器預(yù)期壽命為15年，直流電機(jī)的壽命通常大于10 000 h，如果每天最多使用4 h，粗略估計(jì)可以使用10年。在太陽電池板需要置換之前蓄電池、直流電機(jī)和充電控制器需要進(jìn)行置換，因此購買成本包括太陽電池板的成本，三次置換蓄電池的成本、一次置換直流電機(jī)的成本和一次置換充電控制器的成本。

安裝與運(yùn)行維護(hù)成本的現(xiàn)值可由式(12)計(jì)算[5]：

表3 各項(xiàng)成本計(jì)算數(shù)據(jù)

為比較太陽電池車電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和普通燃油汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的LCC，選取新能源技術(shù)的代表大眾汽車VW-XL1作為參照，其百公里僅1.83 L，所以普通燃油汽車耗油量取為2 L，則一天行駛43.2 km需要燃燒汽油0.864 L，取初期油價(jià)7元/L，則一天油費(fèi)為6.048元，都市上班族一年中上班工作的天數(shù)取為250天，相對(duì)應(yīng)初期一年油費(fèi)為1 512元，同樣可用式(12)計(jì)算普通燃油汽車20年油費(fèi)的LCC為19 077元，高于太陽能電動(dòng)車電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的LCC，可見太陽能電動(dòng)車電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在壽命期內(nèi)具有低成本優(yōu)勢。

3 環(huán)境效益分析

太陽能電動(dòng)車一年的使用天數(shù)約為250天，每天用電量為1 312.59 Wh，因此一年中太陽能電動(dòng)車的電池板發(fā)電量為328.15 kWh，在20年的全壽命周期內(nèi)發(fā)電量為6 563 kWh。當(dāng)前我國電力生產(chǎn)結(jié)構(gòu)以火力發(fā)電為主，燃燒煤炭時(shí)向環(huán)境排放大量的CO2、SO2、和煙塵，引起環(huán)境污染，引發(fā)溫室效應(yīng)。火力發(fā)電耗煤380 g/kWh，與之對(duì)照太陽能電動(dòng)車在全壽命周期內(nèi)可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤2 494 kg。表4為燃燒1 t標(biāo)準(zhǔn)煤的污染物排放量及其所對(duì)應(yīng)的環(huán)境成本[6]，其中大氣污染物排放系數(shù)[kg·(tce)－1]意為(千克/噸標(biāo)準(zhǔn)煤)。

表4 單位污染物排放量和環(huán)境成本

表5則是采用太陽能電動(dòng)車所減少的污染物排放量和環(huán)境效益，即減少污染物排放量所減少的環(huán)境成本?？梢?，在全壽命周期內(nèi)太陽能電動(dòng)車所減少的污染物排放總量為6 761 kg，折算成單位排放量為15.4 kg/WP，產(chǎn)生的環(huán)境效益為585.1元，折算成單位環(huán)境效益為1.3元/WP。

表5 污染物減排量和環(huán)境效益

4 結(jié)論與展望

本文對(duì)輕型太陽能電動(dòng)車電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，包括直流電機(jī)功率、太陽電池板和蓄電池組容量計(jì)算和選擇，并對(duì)太陽能電動(dòng)車電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行LCC分析和環(huán)境效益分析。計(jì)算結(jié)果表明直流電機(jī)的功率應(yīng)該達(dá)到720 W，太陽電池板選取兩個(gè)220 Wp/24 V的單晶硅太陽電池板串聯(lián)，蓄電池組選用4個(gè)12 V/50Ah的鉛酸蓄電池全部串聯(lián)。分析表明太陽能電動(dòng)車電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的全壽命周期成本LCC為13 060元，低于燃燒汽油的LCC即19 077元，在全壽命周期內(nèi)太陽能電動(dòng)車所減少的污染物排放總量為6 761 kg，折算成單位排放量為15.4 kg/WP；產(chǎn)生的環(huán)境效益為585.1元，折算成單位環(huán)境效益為1.3元/WP。本文的初步設(shè)計(jì)與分析說明太陽能電動(dòng)車有利于節(jié)約成本，保護(hù)環(huán)境，對(duì)太陽能電動(dòng)車的設(shè)計(jì)制造實(shí)踐具有一定參考價(jià)值，今后研究工作將考慮輕型太陽能電動(dòng)車的整車大體成本，以期與常規(guī)燃油汽車作更全面的比較。

[1]成珂，賀延琛.太陽能電動(dòng)車能量系統(tǒng)性能預(yù)測[J].太陽能學(xué)報(bào)，2013，34(7)：1160-1165.

[2]周智勇，龔文超.基于Peukert方程的鉛酸蓄電池容量計(jì)算方法研究[J].蓄電池，2013，50(2)：55-57.

[3]李安定，呂全亞.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[4]CELIK A N.Present status of photovoltaic energy in turkey and life cycle techno-economic analysis of a grid-connected photovoltaic house[J].Renewable Sustainable Energy Reviews，2006，10(4)：370-387.

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[6]孫可.幾種類型發(fā)電公司環(huán)境成本核算的分析研究[J].能源工程，2004(3)：23-26.

Preliminary design and economic analysis of electric drive system of light-weight solar car

A preliminary design of the electric drive system of the light-weight solar car was carried out including the required DC motor power,panel size,and battery capacity.Then the life cycle cost(LLC)and environmental benefits of system were analyzed.The design and analysis shows that the solar car has economic feasibility and environmental benefits.

solar car；electric drive system；economic analysis；environmental benefits

TM914

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1002-087X(2016)12-2397-03

2016-05-06

肖友鵬(1979—)，男，江西省人，講師，博士生，主要研究方向?yàn)楣夥牧吓c器件。