太阳能发电系统在电动服务车上的应用的探讨

李文龙 杨 松

（武汉理工大学汽车工程学院车辆工程系，湖北 武汉 430070）

引言

汽车工业的高速发展以及人们对于汽车使用需求的不断增加，带动了汽车产量和保有量的持续上升，但是汽车的日益增多也带来了一些问题，从而加剧了人们目前普遍关注的能源问题和环境问题。纯电动汽车具有低噪声、无污染、能量来源多样化、能量效率高的特点，是解决城市化中的汽车问题的重要途径。目前我国已经在电动汽车方面较之前有了较大的发展，并且从长远来看电动汽车的发展是不可逆的趋势。但是目前纯电动汽车还存在着续航里程较短、电池价格较高等缺点。为了解决这些缺点，人们采取了很多措施，在这里我们想到利用太阳能发电来弥补电动汽车的这些缺点。

另外，随着社会节奏的加快，人们的日常生活也日益繁忙。为了节省居民时间，减轻居民在办理日常生活的麻烦，电动服务车应运而生。电动服务车主要的服务项目可以有自动售货机，通信缴费等等。在社区的使用可以大大方便居民的日常生活。本文就基于此种电动服务车来论述纯电动汽车与太阳能发电系统的结合。

1 太阳能发电系统的原理

本文所论述太阳能发电系统是基于纯电动汽车。即采用蓄电池作为动力的汽车。本文中所例举的电动服务车电池为96v铅酸蓄电池。

首先简单介绍一下本车所用的太阳能发电系统。太阳能发电系统是指能够把光伏电池产生的电能直接提供给负载或储能装置的系统。它主要是由太阳能电池阵列、控制电路、蓄电池组和负载组成。它既可以提供直流电也可以提供交流电，两种供电方式最主要的差别是系统在提供交流电时需要在负载和蓄电池组之间加入逆变器。

独立发电系统的工作过程是：有光照的时候，光伏电池组件受到太阳光照产生电能，产生的能量通过控制器以及逆变器的处理之后供给直流或交流负载工作。如果光照强烈且有富余的能量则给蓄电池组充电。如果在夜晚或是阴雨天的时候，太阳能电池组件产生的能量不能满足负载工作需求，这时候储存在蓄电池组的能量就可以供给直流或交流负载工作（工作过程见图1）。

图1 太阳能系统工作原理

2 本车太阳能独立光伏发电系统的构成

本车的太阳能发电系统构成为：

1）太阳能电池板

2）控制器：包括充放电控制，最大功率点跟踪控制

3）储能装置：利用电动车的动力电池

4）逆变器

5）负载：服务车上所需的电脑及其他用电设备

本车的发电系统原理简图见图2

图2 电动服务车原理图

2.1 光伏电池阵列

光伏电池阵列是指能够利用光伏效应将太阳辐射能直接转换为电能的设备，它应该有足够的输出功率和输出电压供给负载工作使用。光伏方阵是由若干个太阳能电池组件（见图3）串并联连接构成的阵列。太阳能电池组件在串并联时有不同的要求。太阳能电池组件的并联，要求所并联的组件具有相同的输出电压等级，并联后输出电压保持不变，而阵列的输出电流为各光伏组件输出电流之和；光伏电池组件的串联，要求所串联的组件具有相同的电流容量，串联后其输出的电流不发生改变，但阵列的输出电压为各光伏组件输出电压之和。在本系统中，由于要满足系统电压的需求（当日照强烈时要能对蓄电池充电，故电池板阵列电压和要大于储能装置电压），并考虑到市场上销售的电池板的电压电流等的参数（本车上采用的电池板参数见图4），这里采用的是光伏电池板的串联。

图3 太阳能电池板

2.1.1 电池板的选取

电池板的选取要考虑到车型、车身面积、动力系统电压、使用何种负载及负载所消耗的功率、电池板在车身上的安装位置、安装面积等因素。

本车在选用电池板时考虑的因素有：

1本车所用蓄电池为96v铅酸蓄电池，故电池板电压输出要大于96v。

2根据用电负载的要求：笔记本电脑、自动售货机、打印机及电灯等的功率。

3根据单块电池板的面积大小以及占用服务车的车身面积。

4尽量在光照正常的情况下不动用动力蓄电池的电量，并且尽量能有富余电量充入蓄电池。

根据以上要求综合考虑后，在这里选取单块板子100w功率，五块相串联得到500w的输出功率。

单块电池板的参数：

图4 太阳能电池板的参数

2.1.2 电池板的安装问题

综合电池板的面积大小、使用个数以及服务车的车身大小，在这里的安装方式为车顶安装三块，车身一侧安装两块。车顶的三块电池板也可以根据车顶面积的大小做成折叠式，在不需电池板发电时可以折叠便于保存。

图5 为安装示意图（图中 1、2、3、4、5标记为电池板的安装位置）：

图5 电池板安装示意图

2.2 控制器

控制器的功能包括充放电控制和最大功率点跟踪控制两项功能。控制器在选取时参数应与电池板的输出功率以及电压等相匹配。上述的两个功能中，最大功率点追踪控制对整个发电系统的高效工作起着至关重要的作用。

2.2.1 充放电控制

蓄电池组的充放电控制实质上是一个DC/DC变换器装置，它的工作原理主要是通过调节控制输出电压和电流有效的利用太阳能电池产生的电能来给蓄电池充电和防止蓄电池受过充、过放的损害，提高蓄电池组的使用寿命。

2.2.2 最大功率点控制

最大功率点跟踪控制即MPPT控制，此控制主要的作用是使太阳能电池阵列能够工作在最大功率点附近。

太阳能电池的输出特性受电池温度和日光强度等因素的影响，即使在外部环境稳定的情况下，光伏电池的输出功率也会随着外部负载的变化而变化，只有当外部负载与光伏器件达到阻抗匹配时光伏器件才会输出最大功率，这时称光伏器件工作在最大功率点(Maximum Power Point,简称MPPT)。光伏电池即非恒流源也不是恒压源，而是一种非线性直流电源，通过不断调节光伏器件的工作点实现使光伏电池始终工作在输出最大功率的过程，即为光伏电池最大功率点跟踪(MPPT)

2.3 逆变器

逆变器是在发电系统对交流负载供电时所必须的设备，因为太阳能电池所提供的是直流电，而服务车上所用负载皆需要用交流电方可工作，所以只有通过逆变器 DC/AC的转换

直流-交流功率变换称为逆变，交流输出电压除含有较大的基波成分外，还可能含有一定频率和幅值的谐波，其基波频率和幅值都是可以调节控制的，而且逆变器的输出可以做成任意多相。但是在实际的应用中大都只采用单相或三相。现在绝大多数的逆变器都采用的是全控制的电力半导体器件，中功率逆变器多采用 IGBT，大功率多用 GTO，小功率的则用PMOSFET。

本车所用逆变器需将直流变为220v交流，逆变器型号参数与控制器、电池板输出电压、电流均需匹配。

2.4 储能装置

在光伏独立发电系统中，储能装置是必不可少的。因为太阳能电池的输出特性随电池的温度和日照强度的变化而变化，当外部环境发生变化时就有可能导致太阳能电池不能输出足够的功率，为了能满足负载功率的要求，就必须要有储能装置。当没有充足的光照时，太阳能电池不能输出足够的能量，这就需要储能装置给负载提供电能。而在阳光充足时太阳能电池发出的电能对于负载又有可能是富余的，这时候就需要把多余的电能储存起来。

在这里，与其他太阳能发电系统所不同的是，我们是将车上自带的动力蓄电池作为储能装置。之采用动力电池作为储能装置，一是不需另外配置储能装置，既能节省开支又可减小所占用空间。二是能量存储额度较大。三是可以在太阳光照充足，负载用电富余时可将一部分电存储为动力电能，提高电动服务车的续航里程。同理，在太阳光照不足时，利用动力电池的电能供负载工作。

以上就是太阳能发电系统与社区电动服务车相结合的系统分析，针对不同的车型或配置上述发电系统可以有相应的改变，以尽量满足人们在生活中对电动汽车的要求。

结束语

随着非可再生资源的枯竭以及燃油汽车造成的日益严重的污染，电动汽车在世界范围内正快速发展。但是电动汽车与生俱来的劣势也亟须解决。本文以太阳能作为电动服务车的辅助能源，将太阳能发电系统与纯电动汽车相结合，既发挥了纯电动汽车的优点，又将纯电动汽车的缺点进行了很大程度地改进。通过以上的论述，证实将太阳能应用在电动汽车上是可行的，如何将此系统进行更进一步的优化来降低太阳能充电装置的成本并提高充电效率又给我们提出了更高的要求。

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