姜 曉

武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430072

0 引言

汽車的環(huán)保問題一直備受關(guān)注，新能源汽車的出現(xiàn)解決了內(nèi)燃機(jī)汽車尾氣排放的問題，雖然目前受到電池技術(shù)的制約，但其發(fā)展速度仍然可觀。隨著新能源汽車的數(shù)量越來越多，新能源汽車的優(yōu)勢也慢慢被大眾所熟知，如可使提供給車輛用電設(shè)備的電壓更高更穩(wěn)定，扭矩大、行駛噪聲小、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等。新能源汽車是未來汽車的主要發(fā)展方向，我國也預(yù)計(jì)在2030年全面停售燃油車[1]。針對這一趨勢，各大汽車廠商都在加速新能源汽車相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，但是新能源汽車也有一項(xiàng)致命缺陷，即續(xù)航問題。為了解決新能源汽車的續(xù)航問題，除了升級電池技術(shù)，還可以考慮使用光伏技術(shù)來輔助汽車電力的供給。目前，將光伏技術(shù)運(yùn)用到新能源汽車中主要有兩個(gè)方向，一是作為驅(qū)動力使用，二是作為汽車的輔助能源[2]。但是，如果將其作為驅(qū)動力，需要在車頂設(shè)計(jì)一定面積的光伏設(shè)備覆蓋，不僅影響汽車的美觀性，還存在電力不足的問題。如果將其作為汽車的輔助能源，則是一個(gè)非?？尚械乃悸?。

車輛的照明系統(tǒng)作為車輛的一項(xiàng)重要組成部分，其技術(shù)也在不斷更新。目前汽車上所使用的燈具主要有LED燈、鹵素?zé)艉碗瘹鉄?，其中LED燈光發(fā)展最為快速，已逐漸成為中高端車型的標(biāo)配。LED燈的優(yōu)勢明顯，特別是低壓照明特性使其更加適合做車載光源，另外LED燈的安全性和響應(yīng)速度都十分優(yōu)越，壽命和穩(wěn)定性都能夠得到保障，除了雨天路面照明不佳，LED可以說是汽車非常理想的光源[3]。

考慮到光伏系統(tǒng)可以用作新能源的輔助電力，如果能夠?qū)崿F(xiàn)給汽車照明系統(tǒng)供電，則可以明顯改善汽車的續(xù)航。首先，如今市面上大部分汽車都配備有日間行車燈，這種燈光只要汽車啟動就會開啟且無法手動關(guān)閉；其次，剎車時(shí)汽車會亮起剎車燈，并且夜間行車時(shí)近光燈和示廓燈也會開啟，特定情況下還需要開啟遠(yuǎn)光燈。這些外置燈光會消耗一部分電量，如果設(shè)計(jì)一套能夠?yàn)長ED直流負(fù)載提供電力的光伏發(fā)電系統(tǒng)，不僅能有效提升汽車的續(xù)航里程，還能夠降低新能源汽車行駛成本，產(chǎn)生可觀的環(huán)保經(jīng)濟(jì)效益。

1 汽車照明系統(tǒng)的組成

汽車的照明系統(tǒng)分為外置燈光和內(nèi)置燈光兩種，除特種車輛之外，汽車的外置燈光標(biāo)配有前照近光燈、前照遠(yuǎn)光燈、示寬燈、主轉(zhuǎn)向燈、副轉(zhuǎn)向燈、剎車燈、前霧燈、后霧燈、牌照燈、日間行車燈、倒車燈。其中，前照遠(yuǎn)光燈的功率最大，一般為50 W，近光燈的功率平均為40 W，其他燈光均為20 W以下。汽車的內(nèi)置燈光則較為復(fù)雜，一般包括閱讀燈、車頂燈、后備廂照明燈、儀表照明燈、門燈、化妝鏡照明燈、氛圍燈等，內(nèi)置燈光普遍采用LED光源，并且總功率較小。以大眾某車型為例，其外部光源加內(nèi)部光源總功率為198 W。

在常規(guī)設(shè)計(jì)中，汽車的照明系統(tǒng)是由車載蓄電池直接供電，其中前照近光燈、前照遠(yuǎn)光燈、霧燈、日間行車燈、轉(zhuǎn)向燈、剎車燈、倒車燈均需在點(diǎn)火鑰匙打到“ON”位置時(shí)才會接通電源，而示寬燈、閱讀燈等在車輛完全關(guān)閉狀態(tài)也可以打開，即隨時(shí)處于通電狀態(tài)。一般情況下，汽車照明系統(tǒng)的最大電力消耗是在夜間環(huán)境下前照燈近遠(yuǎn)光雙開情況時(shí)，此時(shí)車輛工作的燈光為近光燈、遠(yuǎn)光燈、示寬燈、儀表照明燈、氛圍燈、轉(zhuǎn)向燈、剎車燈、牌照燈，總功率接近170 W。

2 新能源汽車光伏照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車載光伏照明系統(tǒng)主要由光電設(shè)備、蓄電池、控制電路、電線、保險(xiǎn)絲構(gòu)成。

（1）蓄電池設(shè)計(jì)。為了防止連續(xù)陰雨天氣導(dǎo)致蓄電池長時(shí)間處于虧電狀態(tài)而影響車輛的照明，蓄電池設(shè)計(jì)與電機(jī)并聯(lián)，再與光伏組件串聯(lián)，如果電池處于虧電狀態(tài)，將會由汽車電力系統(tǒng)供電。

汽車的制造有對應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如《機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件》（GB 7258—2017）中，將車載照明設(shè)備的額定電壓規(guī)定為12 V。以我國南方某地區(qū)為例，峰值日照時(shí)數(shù)為3.8 h，連續(xù)陰雨天數(shù)在5 d以下，假設(shè)汽車在白天行駛4 h，因?yàn)榘滋觳恍枰褂霉β瘦^大的前照燈，所以將轉(zhuǎn)向燈、剎車燈等燈光的使用功率忽略，按最大平均負(fù)載功率為總功率的60%計(jì)算，則其平均負(fù)載功率P=198 W×60%=120 W，負(fù)載電壓為12 V，計(jì)算可得電流為120÷12=10 A，蓄電池容量=工作電流×日工作時(shí)間×（連續(xù)陰雨天數(shù)+1）=240 A·h。不同的電池有著不同的放電深度，如果采用深循環(huán)電池，其放電深度取最低值80%，則計(jì)算得電池容量應(yīng)為300 A·h以上，這里可采用鉛酸電池或者磷酸鐵電池。

（2）控制器設(shè)計(jì)。控制器模塊主要用來執(zhí)行蓄電池的充放電控制，該設(shè)計(jì)所選用的控制器單晶硅參數(shù)為18 V/130 W，以并聯(lián)的形式接入，短路電流約為8 A，并聯(lián)后的短路電流為15.8 A以上。綜合比較市面上的控制器產(chǎn)品后，選用12 V/20 A的智能光伏控制器。星光光伏控制器可在-35～65 ℃的環(huán)境中工作，擁有17 V超壓保護(hù)和IP30級別防護(hù)，總重量只有106 g，且空載損耗小于10 mA/12 V。

控制器的邏輯如下：如果光伏系統(tǒng)的發(fā)電量充足，則控制器實(shí)現(xiàn)整個(gè)照明系統(tǒng)的控制供電；如果光伏系統(tǒng)發(fā)電量不足（連續(xù)陰雨天氣），控制器應(yīng)控制蓄電池的放電以延長電池的使用壽命。

（3）安裝及汽車外觀設(shè)計(jì)。外觀是汽車的一大賣點(diǎn)，光伏系統(tǒng)在考慮實(shí)用性的同時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)得更加美觀。在光伏照明系統(tǒng)中，光伏發(fā)電裝置是核心構(gòu)件，由于需要盡可能地增加接受光照的面積，同時(shí)保持最好的太陽光接收條件，光伏發(fā)電組件只能被設(shè)計(jì)在車輛頂部，這會占據(jù)車輛天窗的位置。因此，在設(shè)計(jì)光伏系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)先去除全景天窗設(shè)計(jì)，在車頂安裝面積合適的光伏發(fā)電組件，整個(gè)組件的外觀按照流線型設(shè)計(jì)，以減少車輛行駛過程中的空氣阻力，降低能量消耗。除了光伏組件，蓄電池的位置也應(yīng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，蓄電池不宜外露，根據(jù)車輛結(jié)構(gòu)，在以下兩個(gè)位置安裝較為合理：一是前引擎位置，使用這一位置時(shí)需要車輛在建造的過程中預(yù)留位置，否則后期加裝比較困難；二是放置于后備廂，這種設(shè)計(jì)方式雖然會占據(jù)一部分后備廂的位置，但是相對而言更為合理。這是對于前置車型來說的，對于后置車型，則可以采用置于前方行李箱的設(shè)計(jì)方式。

（4）其他設(shè)計(jì)。其他設(shè)計(jì)主要包括走線設(shè)計(jì)、蓄電池外保護(hù)設(shè)計(jì)以及保險(xiǎn)盒設(shè)計(jì)。保險(xiǎn)盒可以與蓄電池安裝在同一位置，外部用高強(qiáng)度材料進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)需注意蓄電池的散熱問題。在走線時(shí)，應(yīng)盡量避免電線外露，采用暗線的方式增加車輛的美觀性。

3 新能源汽車光伏照明系統(tǒng)效益和前景分析

3.1 效益

LED燈本身具有很大的節(jié)能優(yōu)勢，在同等照明效果下，LED燈可以比其他類型燈具節(jié)能20%～70%[3]，在這種條件下，如果實(shí)裝采用光伏技術(shù)為LED照明系統(tǒng)提供電能，一年可節(jié)約電量近180 kW·h。我國的發(fā)電廠主要為火力發(fā)電廠，火力發(fā)電是依靠燃料的燃燒驅(qū)動電機(jī)發(fā)電，將熱能轉(zhuǎn)化為電能，這種發(fā)電方式產(chǎn)生的電力穩(wěn)定且可靠，短時(shí)間內(nèi)新能源發(fā)電技術(shù)無法取代其地位?；鹆Πl(fā)電不僅會消耗大量的不可再生能源，也會對大氣產(chǎn)生一定的污染，不符合當(dāng)前的環(huán)保理念和可持續(xù)發(fā)展理念，將所節(jié)約的180 kW·h電換算成煤，相當(dāng)于90 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，預(yù)計(jì)年減少污染排放50 kg碳粉塵，180 kg二氧化碳，環(huán)保效益顯著。

3.2 前景

光伏技術(shù)是前景廣闊的新能源技術(shù)，其最大的特點(diǎn)是不需要發(fā)電機(jī)即可實(shí)現(xiàn)太陽能向電能的轉(zhuǎn)換，且其外形設(shè)計(jì)靈活性高，可以將光伏發(fā)電板設(shè)計(jì)成各種需求的形狀。從可持續(xù)發(fā)展的眼光來看，太陽能是最為清潔的能源，并且取之不盡，雖然在現(xiàn)有技術(shù)條件下光電轉(zhuǎn)化效率較低，但是相信隨著科學(xué)的進(jìn)步，利用太陽能發(fā)電的技術(shù)會得到進(jìn)一步發(fā)展[4]，光能轉(zhuǎn)化效率也必將取得突破。新能源汽車以其巨大的優(yōu)勢被視作為未來汽車的主要發(fā)展方向，各大知名廠商都推出了電動車型，如小鵬、特斯拉、比亞迪、蔚來、保時(shí)捷等汽車企業(yè)都將電動汽車視為主要的戰(zhàn)略發(fā)展方向，只要解決了續(xù)航短這一問題，相信新能源汽車會快速普及，全面取代燃油車。將光伏技術(shù)應(yīng)用于車輛照明系統(tǒng)更加符合新能源汽車的設(shè)計(jì)理念，能夠在一定程度上達(dá)到減少碳排放的目的。

4 結(jié)束語

文章主要介紹了新能源汽車的照明系統(tǒng)組成、LED燈的優(yōu)勢，根據(jù)LED燈的直流特性設(shè)計(jì)了一套光伏照明系統(tǒng)為汽車的燈光結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)供電。通過數(shù)據(jù)分析可知，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)可觀的環(huán)保效益，是未來新能源汽車一個(gè)重要設(shè)計(jì)方向。同時(shí)，新能源汽車的續(xù)航問題也可以得到有效緩解，使新能源汽車擁有更好的發(fā)展前景。