摘 要：將51單片機(jī)優(yōu)越的功能性運(yùn)用于解決電動(dòng)汽車低溫下續(xù)航不足以滿足出行需求的問題極有必要。目前電瓶加熱方式多為工作時(shí)自發(fā)熱回饋電瓶，但效果甚微，其主要原因低溫下電池本身溫度低，導(dǎo)致電瓶無法完全工作，導(dǎo)致產(chǎn)熱自降，陷入惡性循環(huán)。為本文以拉薩市為例，針對(duì)其晝夜溫差較大、太陽(yáng)能豐富等特點(diǎn)，在此通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)，對(duì)于電池自設(shè)計(jì)電池優(yōu)化裝置的實(shí)際效益進(jìn)行定量計(jì)算對(duì)比并做出總結(jié)。

關(guān)鍵詞：電池優(yōu)化裝置實(shí)測(cè)研究 51單片機(jī) 拉薩市 電車?yán)m(xù)航

1 引言

目前對(duì)于電瓶車?yán)m(xù)航問題的解決方式的大多分兩種，一為選取優(yōu)質(zhì)保溫材料對(duì)電池進(jìn)行全方位固溫，如特斯拉研究的“刀片電池”通過電芯—模組—電池包的三級(jí)裝配模式即配備了保溫，又減少整體質(zhì)量來提高續(xù)航。另一方面則是通過頻繁的更換電池來實(shí)現(xiàn)電車?yán)m(xù)航穩(wěn)定。但是以上兩種方式都會(huì)造成嚴(yán)重的電池污染，破壞生態(tài)環(huán)境，增大群眾經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。文章所涉通過以太陽(yáng)能為輸入的電池優(yōu)化裝置已經(jīng)構(gòu)建完畢，下面我們將針對(duì)其作用方式、作用位置、電動(dòng)汽車工作基本參數(shù)、價(jià)格等方面來進(jìn)一步確定其布設(shè)位置與實(shí)際效益。

2 功能實(shí)測(cè)

該裝置從根本上是利用太陽(yáng)能來對(duì)抗溫度，屬于太陽(yáng)能的廣泛利用。如圖1結(jié)構(gòu)展示，通過運(yùn)用太陽(yáng)能板來吸收太陽(yáng)能，后通過光伏控制器使其可用并存儲(chǔ)于蓄電池中供電給加熱部分，然后51單片機(jī)接收到溫度監(jiān)測(cè)裝置的反饋后進(jìn)行整體動(dòng)態(tài)控制。故從結(jié)構(gòu)上來分，測(cè)試主要為供能部分、加熱部分和統(tǒng)一工作能力三部分來做測(cè)試。

2.1 光電轉(zhuǎn)化能力實(shí)測(cè)分析

太陽(yáng)能利用能力相關(guān)于太陽(yáng)能板的吸收能力和儲(chǔ)存能力。其工作基本原理為太陽(yáng)光照射于太陽(yáng)能板，后太陽(yáng)能板發(fā)電存入蓄電池中。由于太陽(yáng)能電池直接發(fā)出的電并不穩(wěn)定，需要額外的儀器將發(fā)出的直流低壓電轉(zhuǎn)化為可用的交流高壓電，即逆變器。一般純電動(dòng)汽車會(huì)安裝逆變器，出于性能匹配，可能無法讓太陽(yáng)能電池與鋰離子電池共用一個(gè)逆變器。但可以考慮將兩者合并組成太陽(yáng)能-鋰電雙路逆變器。將直流低壓通過逆變器轉(zhuǎn)化成交流高壓過程中會(huì)有能量損耗，因此，需將該部分能量損耗考慮在內(nèi)，對(duì)于高質(zhì)量波，逆變器能量轉(zhuǎn)化效率在90%～95%。為了保證測(cè)試的普遍性，我們選擇在空曠且陽(yáng)光自然地室外進(jìn)行測(cè)試。其中太陽(yáng)能板相關(guān)參數(shù)為：Solar Module：5W；Optimum Power Current 0.2A；Optimum Power Voltage 12v； Short circuit Current 0.3A；Open Circuit Voltage 21v；AM 1.5、25℃、1000W/m2；接收面積0.048867m2、體積0.00073m3、重量約750g； 蓄電池各項(xiàng)參數(shù)為：12V、6000mA，持續(xù)工作電流≤3A、瞬間啟動(dòng)電流≤6A，適用工作電流3A以內(nèi)；

太陽(yáng)能板工作額定功計(jì)算公式：W=PT；測(cè)試所用太陽(yáng)能板功率為1000w/m2，據(jù)圖2的2021年我國(guó)重要城市年平均日照量統(tǒng)計(jì)可知，拉薩市年平均日照量居首位，高達(dá)8.62h/天，則太陽(yáng)能板一天可產(chǎn)電W=1000w/m2×0.048867m2×8.62h/天×1天×0.95=400171.863mA，完全可以滿足蓄電池存儲(chǔ)要求。

但是在實(shí)際測(cè)試中，拉薩溫度差異較高，往往可以達(dá)到10℃以上，不能恒定保持在最合適的工作溫度。如表1，以拉薩市為例，東經(jīng)91°06′，北緯29°36，通過控制變量法測(cè)試溫度對(duì)太陽(yáng)能板工作的影響。

由表1可見，工作最適溫度為25℃左右。經(jīng)超過25℃后太陽(yáng)能板的峰值功率和開路電壓都會(huì)隨溫度的升高而降低。溫度每降低1℃，太陽(yáng)能板峰值電壓約降低0.35%，電壓會(huì)降低200-350mv；單體太陽(yáng)能板的峰值溫度每升高1℃，單位太陽(yáng)能板的峰值功率會(huì)損失約0.35%～0.45%，電壓會(huì)降210-212mv。且高溫會(huì)影響太陽(yáng)能板保護(hù)材料的耐久性，影響其使用壽命。

2.2 加熱能力實(shí)測(cè)分析

我們將供能部分直接連接上小型加熱片，通過測(cè)試達(dá)到不同溫度所需的時(shí)間與耗電來評(píng)析所捕捉到的太陽(yáng)能是否能滿足需要。為確保實(shí)測(cè)準(zhǔn)確度與實(shí)際可行性，我們選擇具有防潮、耐腐蝕、絕緣強(qiáng)度高和使用壽命長(zhǎng)的一對(duì)硅橡膠加熱片，參數(shù)為：加熱面積S=0.0025平方米、直流電源U=5V可啟動(dòng)，額定功率P=1.4W；小面積使加熱片易于安放在各個(gè)測(cè)試位置，有助測(cè)試不同環(huán)境條件下的加熱能力。我們對(duì)其增加數(shù)顯溫控器，在環(huán)境溫度10.5度（將其測(cè)試起始溫度控制為等同環(huán)境溫度）、無風(fēng)條件下測(cè)試其自熱能力、加熱時(shí)間以及耗電量。

測(cè)試結(jié)果如下表2、圖3。

如表2所記錄，加熱片從環(huán)境溫度開始加熱，其達(dá)到巔峰的60℃僅5分11秒6分，其中50℃之前加熱較為平穩(wěn)，50℃～60℃期間加熱時(shí)長(zhǎng)顯著增加，我們認(rèn)為其原因主要來自于加熱片與供能部分本身限制，蓄電池電壓峰值和加熱片溫度變得更高時(shí)的參數(shù)不匹配，無法滿足功率支持，換而言之，如果蓄電池條件足夠，加熱片仍然可以以較高的速度繼續(xù)升溫；而針對(duì)于能耗部分來看，因?yàn)橛袩崃可⑹У葻o用功的存在使得加熱片的機(jī)械效率不能達(dá)到100%，實(shí)測(cè)耗電量一直保持大于理論耗電量，但是供能部分所捕獲的太陽(yáng)能完全可以滿足加熱片的正常使用。

2.3 裝置工作實(shí)測(cè)

電池優(yōu)化裝置的實(shí)測(cè)從根本上是通過廣泛利用太陽(yáng)能來對(duì)抗低溫給電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航帶來的影響，所以我們通過比較添加與不添加該裝置情況下的用電裝置續(xù)航時(shí)間來判斷裝置效果，故實(shí)驗(yàn)變量為環(huán)境溫度和是否增設(shè)裝置。首先對(duì)實(shí)驗(yàn)做出假設(shè)：電動(dòng)汽車自重遠(yuǎn)超該裝置重量，故不考慮增設(shè)裝置后，其本身對(duì)續(xù)航的負(fù)面影響。在此基礎(chǔ)上便可以將測(cè)試裝置從小車換為其他易測(cè)設(shè)備。我們選取一額定電壓為12v的直流小風(fēng)扇，通過兩節(jié)南孚五號(hào)干電池對(duì)其供電，打開電池開關(guān)，一直運(yùn)行到風(fēng)扇停止為止，記錄時(shí)長(zhǎng)。具體測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。

在實(shí)際測(cè)試中，51單片機(jī)發(fā)揮了強(qiáng)大的功能，可以將干電池溫度有效控制在20～30℃之間，使其可以恢復(fù)良好的充放電能力。如表3所記錄，溫度低于25℃情況下增設(shè)該電池優(yōu)化裝置可以有效增加續(xù)航0.11h～8.09h不等，尤其是在0～15℃時(shí)，效果顯著。而溫度達(dá)到最適宜之后，小風(fēng)扇系統(tǒng)已達(dá)最高續(xù)航不再有優(yōu)化。

3 電池優(yōu)化裝置實(shí)測(cè)結(jié)果總結(jié)與討論

就本次實(shí)測(cè)來看，電池優(yōu)化裝置的供能部分、加熱部分以及整體供能都反映良好。供能部分充分滿足加熱部分的能耗需求，加熱部分在很短時(shí)間內(nèi)升溫恢復(fù)電池充放電能力，而核心的51單片機(jī)通過溫度監(jiān)測(cè)部分可以精確地控制加熱與否。本次實(shí)驗(yàn)分析較為重要的一點(diǎn)是：器材參數(shù)全部真實(shí)、實(shí)驗(yàn)過程均為現(xiàn)實(shí)操作，這使得實(shí)驗(yàn)具有一定參考意義。但是裝置也依然存在不足，如裝置自重影響、安放時(shí)的安全問題等仍然是可以繼續(xù)探究解決的問題。

基金項(xiàng)目：自治區(qū)級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目“基于51單片機(jī)電動(dòng)自行車電池優(yōu)化裝置設(shè)計(jì)”（項(xiàng)目編號(hào)：S202210694016）。

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