一種車載太陽能充電系統(tǒng)的原理與應(yīng)用研究

曾勇　張光亞　黃炎

摘 要：基于太陽能電池的工作特性和原理，設(shè)計(jì)了一種太陽能折疊機(jī)構(gòu)，使太陽能電池的發(fā)電能力提高了3倍；并對太陽能充電控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)也進(jìn)行了可行性研究；結(jié)合國內(nèi)實(shí)際可利用的太陽能資源，分析表明此新型的太陽能充電系統(tǒng)日均增加續(xù)航里程能夠滿足絕大多數(shù)通勤及日常代步需求，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：太陽能 充電系統(tǒng) 太陽能汽車 MPPT 升壓電路

1 引言

國內(nèi)外很多學(xué)者已經(jīng)對太陽能汽車進(jìn)行了大量的研究，北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院李童馨等人[1]研究了車用太陽能發(fā)電遮陽裝置對降低車內(nèi)溫度的效果，利用柔性非晶硅太陽能電池阻擋太陽光，并利用其產(chǎn)生的電能對半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行供電，使其對車內(nèi)降溫；由于太陽能板直接與車身接觸導(dǎo)致有熱量傳遞，因此降溫效果并不理想。廣西大學(xué)的海濤等人[2]研究了一種帶MPPT控制器的太陽能充電系統(tǒng)，通過修正變步長增量電導(dǎo)MPPT控制方法，提高了普通MPPT算法最大功率追蹤速度慢的問題，使充電效率提高了23%，但此研究的充電控制用的是Buck非隔離型充電電路，存在高壓充電安全風(fēng)險(xiǎn)。上海機(jī)電學(xué)院的馬咪等人[3]設(shè)計(jì)了一種太陽能電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用太陽能轉(zhuǎn)化成的電能對電動(dòng)汽車空調(diào)供電，使車內(nèi)的最大降溫達(dá)到15oC。但由于其設(shè)計(jì)的太陽能電池結(jié)構(gòu)發(fā)電面積較小，導(dǎo)致其發(fā)電功率只有空調(diào)壓縮機(jī)最低工作要求的50%，無法獨(dú)立滿足停車情況下的制冷功率要求。

本論文即是在國內(nèi)外學(xué)者前期的研究基礎(chǔ)上對太陽能電池在汽車上的應(yīng)用進(jìn)行拓展研究?；诠杌柲茈姵氐奶匦裕岢隽艘环N可提升發(fā)電面積的可折疊太陽能光伏機(jī)構(gòu)，并對太陽能充電控制器的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行了理論探討，最后通過對國內(nèi)光伏資源以及人民日常通勤的實(shí)際情況進(jìn)行分析，證明本太陽能充電系統(tǒng)可以顯著增加續(xù)航里程，具有一定的應(yīng)用前景。

2 車載太陽能充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的組成及工作原理

車載太陽能充系統(tǒng)主要包括太陽能電池、太陽能充電控制器、動(dòng)力電池和BMS控制系統(tǒng)、VCU整車控制器、12V低壓蓄電池及其用電器構(gòu)成，太陽能充電系統(tǒng)的拓?fù)淙鐖D１所示。

在光照強(qiáng)烈的白天，太陽能電池吸收陽光產(chǎn)生電能，通過太陽能充電控制器控制其的發(fā)電功率和充電電壓給動(dòng)力電池充電；BMS實(shí)時(shí)監(jiān)控動(dòng)力蓄電池的電量狀態(tài)；VCU根據(jù)電池的電量狀態(tài)及車輛工況，控制電池的能量輸出和輸入；高壓動(dòng)力電池還通過DC-DC直流降壓給12V蓄電池及車載用電器供電；而12V蓄電池又為太陽能控制器、BMS、VCU等控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓。當(dāng)沒有太陽能資源時(shí)，還可以利用交流或直流充電樁給動(dòng)力電池充電。

3 車載太陽能電池設(shè)計(jì)

3.1 太陽能電池選型

通過比較已量產(chǎn)的幾種太陽能電池，從性能、成本及安裝工藝方面考慮，選擇實(shí)測效率pv達(dá)到24.7%硅基太陽能電池作為發(fā)電電源。如表1所示。

量產(chǎn)的太陽能電池組件實(shí)際的工作條件通常非常惡劣，會(huì)嚴(yán)重惡化電池的性能，導(dǎo)致效率的損失，這種效率損失的來源主要是以下2個(gè)方面[4]。

首先是輻照強(qiáng)度變化，如圖2所示在一定溫度下，組件的效率隨著輻照強(qiáng)度的減少而減少。

其次是電池溫度變化，環(huán)境溫度變化以及光導(dǎo)致組件中的電池被加熱，更高的溫度意味著性能的降低。如圖3所示。

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，組件的短路電流通常被認(rèn)為嚴(yán)格地正比于輻照強(qiáng)度，在很低入射光強(qiáng)度下，效率損失更多并且更難預(yù)測；開路電壓很強(qiáng)烈地依賴于電池溫度，并隨著溫度升高而線性減少，通常定義為每升高一度組件效率下降0.5%[5]。

3.2 可折疊太陽能電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文在某微型純電動(dòng)車上設(shè)計(jì)了如圖4所示的可折疊太陽能板結(jié)構(gòu)，展開之后面積S可達(dá)車頂?shù)?倍。通過行李箱橫桿進(jìn)行固定，實(shí)現(xiàn)一定遮陽能力，避免車輛被暴曬。

將每一塊太陽能電池組件按面積分成4塊或8塊模組，每個(gè)模組由若干個(gè)電池單元串聯(lián)輸出24V的額定電壓，模組與模組之間進(jìn)行并聯(lián)連接，以解決局部遮擋導(dǎo)致熱斑及效率下降的問題。

考慮到太陽能電池的成組工藝和總裝安裝工藝的要求，其太陽能組件池的實(shí)際成組效率c只有80%左右。因此可得此太陽能發(fā)電陣列的最大額定輸出功率Pmax為：

PAM1.5為規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的AM 1.5G輻照度，其值為1000 W/m2，是指典型晴天時(shí)太陽光照射到一般地面的情況。

4 太陽能充電系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

由于動(dòng)力池的電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于光伏陣列的輸出電壓，若要實(shí)現(xiàn)光伏陣列對動(dòng)力電池的充電功能，需要設(shè)計(jì)高升壓比的升壓變換電路。本太陽能充電控制器采用二級升壓電路，一級升壓采用最簡單的Boost電路，將太陽能電池電壓升高到一定電壓等級，為二級升壓作準(zhǔn)備，并實(shí)現(xiàn)太陽能電池輸出的最大功率跟蹤；而二級采用半橋升壓變換式隔離型電路給動(dòng)力電池充電。

4.1 Boost升壓電路及MPPT控制策略

根據(jù)2.2節(jié)分析的太陽能電池伏安特性，發(fā)現(xiàn)隨著溫度和輻照度的變化以及太陽能電池系統(tǒng)的整個(gè)生命周期（>25年）中的衰變，其最大發(fā)電功率的電壓值存在很大范圍的漂移。因此必須有相應(yīng)的控制器對太陽能電池的輸出進(jìn)行調(diào)控，使得太陽能電池的電壓和電流滿足瞬時(shí)的太陽能電池最大功率點(diǎn)，同時(shí)保持輸出電壓和電流符合負(fù)載要求。這就引入了光伏最大功率追蹤控制的概念，圖6為控制電路拓?fù)鋱D[7]。

整個(gè)Boost電路的輸入電壓由太陽能電池提供，MPPT控制器通過監(jiān)控太陽能電池的電流信號ipv以及電壓信號vpv，以使太陽能電池能夠發(fā)出最多電量的最大功率算法控制PWM脈寬信號的變化，對M1、M2開關(guān)器件的占空比進(jìn)行調(diào)整控制，實(shí)現(xiàn)輸入、輸出電壓的調(diào)整，即

其中VO為系統(tǒng)輸出電壓；VPV為太陽能電池輸出電壓也是系統(tǒng)輸入電壓；D開關(guān)器件的占空比。

使太陽能電池始終工作在最大功率點(diǎn)附近，即

PPV為太陽能電池最大功率的功率，IPV為最大功率點(diǎn)的電流。

本研究采用根據(jù)功率與太陽能電池電壓的倒數(shù)自適應(yīng)調(diào)整占空比大小的自適應(yīng)步長擾動(dòng)觀察法進(jìn)行最大功率追蹤[6]，為保證DC-DC升壓電路的轉(zhuǎn)換效率，最終將升壓比設(shè)定為2，即D=2。其Boost電路能量轉(zhuǎn)換效率一般η>95%。

4.2 隔離型二次升壓電路設(shè)計(jì)

半橋變換器具有功率密度高，效率高的特點(diǎn)，本文采用半橋變壓器來實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的升壓控制及電源隔離，其拓?fù)鋱D如圖6所示。

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析：輸入電壓VO；輸出電壓 Vbat；開關(guān)組件S1；開關(guān)組件S2；變壓器T；分隔電容C1；分隔電容C2；原邊線圈圈數(shù)Np；副邊線圈圈數(shù)Ns1和NS2；理想整流二極管D1和D2；儲(chǔ)能電容L；濾波電容C2。

半橋變換器在S1和S2各半周期內(nèi)交替開關(guān)，成一完整周期，此完整周期在變壓器原邊線圈兩端電壓Vp上。S1導(dǎo)通且S2關(guān)斷時(shí)的半周期為正壓降；S2導(dǎo)通且S1關(guān)斷時(shí)的半周期為負(fù)壓降。S1和S2分別導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)間相同，所以副邊Vbat上呈現(xiàn)半周期重復(fù)且導(dǎo)通時(shí)間相同、大小相同的電壓，定義占空比為D。

因此可得，半橋變換器電壓轉(zhuǎn)換公式：

已知BOOST電路輸出VO=48V，隔離輸出電壓Vbat需求為110V，因占空比D不可能大于0.5，因此隔離變壓器砸比取值1：10。

4.3 整車充電控制邏輯

太陽能充電系統(tǒng)在給整車的動(dòng)力電池進(jìn)行充電時(shí)須滿足幾個(gè)條件：（1）為保護(hù)電池，動(dòng)力電池的溫度H>3oC、電量SOC<95%時(shí)方可充電。（2）車載太陽能充電控制器在夜晚自動(dòng)休眠，而白天檢測到發(fā)電功率遠(yuǎn)大于整車上高壓的耗電功率時(shí)，才能進(jìn)行充電。（3）VCU和BMS實(shí)時(shí)監(jiān)控充電狀態(tài)，一旦出現(xiàn)不滿足充電的情況即停止充電，整車處于下高壓狀態(tài)。

因此太陽能充電控制系統(tǒng)必須與整車進(jìn)行CAN通信。

5 太陽能汽車發(fā)電系統(tǒng)理論計(jì)算及分析

5.1 國內(nèi)太陽能資源分布

表2為中國部分城市日平均太陽能輻射小時(shí)數(shù)[7]，其大部分城市的日輻照小時(shí)數(shù)都大于4小時(shí)。

5.2 車載太陽能充電系統(tǒng)理論計(jì)算

本文研究的基礎(chǔ)車型為某微小型純電動(dòng)車，其整車參數(shù)見表3。

其車頂面積為1.6平方米，由公式（1）計(jì)算得其額定發(fā)電功率為948w，而太陽能充電控制系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)換效率η為：

以全國年日照平均小時(shí)數(shù)為2.84—6.7小時(shí)/天計(jì)算，其日平均充電量為2.46～5.79kwh。日平均可增加續(xù)航里程為25.6—60.4km，年續(xù)航里程增量為9340—22035km。

根據(jù)住建部城市交通基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測與治理實(shí)驗(yàn)室發(fā)布的《2020年度全國主要城市通勤監(jiān)測報(bào)告》，36個(gè)中國主要城市通勤空間半徑在19～40km之間，城市平均通勤距離在6～11.1公里之間[8]。因此裝有本文設(shè)計(jì)的太陽能充電系統(tǒng)的微小型城市代步車基本上可以滿足一個(gè)月一次的充電樁充電或者幾個(gè)月一充，甚至完全離開國家電網(wǎng)獨(dú)立由太陽能發(fā)電運(yùn)行。

6 結(jié)語

根據(jù)以上分析，可以得出裝有此太陽能車載充電系統(tǒng)的汽車日平均發(fā)電量基本上可以滿足城市市民的日常通勤需求，因此具有較強(qiáng)實(shí)際應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]李童馨，李周正，陳亮，等.汽車用太陽能發(fā)電遮陽裝置研究[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2019（18）：25-27.

[2]海濤，朱浩，石磊，等.一種帶MPPT的車載太陽能充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].可再生能源，2015，33（1）：21-26.

[3]馬咪，潘三博.太陽能電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和節(jié)能性研究[J].上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報(bào) 2017（5）：269-274.

[4]W.xiao and W.G. Dunford. A modified adaptive hill climbing MPPT method for photovoltaic power systems. In 2004 IEEE 35th Annual Power Electronics Specialists Conference（PESC 04），June 2004.vol.3，pp.1957-1963.

[5]Antonio Luque等著，王文靜等譯.光伏技術(shù)與工程手冊（原書第二版）.機(jī)械工業(yè)出版社，2019：252.

[6]Nicola Femia等著，楊波等譯.光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤控制技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社，2016：47-48.

[7]中國氣象局風(fēng)能太陽能中心.2021年中國風(fēng)能太陽能資源年景公報(bào).（2022-04-28）[2022-04-28].http：//www.cma.gov.cn/2011xwzx/2011xqxxw/2011xqxyw/202204/t20220429_4796829.html.

[8]《2020年度全國主要城市通勤監(jiān)測報(bào)告》發(fā)布[J].城市規(guī)劃通訊，2020（11）：13-13.