太陽能發電系統在電動服務車上的應用的探討

李文龍 楊 松

（武漢理工大學汽車工程學院車輛工程系，湖北 武漢 430070）

引言

汽車工業的高速發展以及人們對于汽車使用需求的不斷增加，帶動了汽車產量和保有量的持續上升，但是汽車的日益增多也帶來了一些問題，從而加劇了人們目前普遍關注的能源問題和環境問題。純電動汽車具有低噪聲、無污染、能量來源多樣化、能量效率高的特點，是解決城市化中的汽車問題的重要途徑。目前我國已經在電動汽車方面較之前有了較大的發展，并且從長遠來看電動汽車的發展是不可逆的趨勢。但是目前純電動汽車還存在著續航里程較短、電池價格較高等缺點。為了解決這些缺點，人們采取了很多措施，在這里我們想到利用太陽能發電來彌補電動汽車的這些缺點。

另外，隨著社會節奏的加快，人們的日常生活也日益繁忙。為了節省居民時間，減輕居民在辦理日常生活的麻煩，電動服務車應運而生。電動服務車主要的服務項目可以有自動售貨機，通信繳費等等。在社區的使用可以大大方便居民的日常生活。本文就基于此種電動服務車來論述純電動汽車與太陽能發電系統的結合。

1 太陽能發電系統的原理

本文所論述太陽能發電系統是基于純電動汽車。即采用蓄電池作為動力的汽車。本文中所例舉的電動服務車電池為96v鉛酸蓄電池。

首先簡單介紹一下本車所用的太陽能發電系統。太陽能發電系統是指能夠把光伏電池產生的電能直接提供給負載或儲能裝置的系統。它主要是由太陽能電池陣列、控制電路、蓄電池組和負載組成。它既可以提供直流電也可以提供交流電，兩種供電方式最主要的差別是系統在提供交流電時需要在負載和蓄電池組之間加入逆變器。

獨立發電系統的工作過程是：有光照的時候，光伏電池組件受到太陽光照產生電能，產生的能量通過控制器以及逆變器的處理之后供給直流或交流負載工作。如果光照強烈且有富余的能量則給蓄電池組充電。如果在夜晚或是陰雨天的時候，太陽能電池組件產生的能量不能滿足負載工作需求，這時候儲存在蓄電池組的能量就可以供給直流或交流負載工作（工作過程見圖1）。

圖1 太陽能系統工作原理

2 本車太陽能獨立光伏發電系統的構成

本車的太陽能發電系統構成為：

1）太陽能電池板

2）控制器：包括充放電控制，最大功率點跟蹤控制

3）儲能裝置：利用電動車的動力電池

4）逆變器

5）負載：服務車上所需的電腦及其他用電設備

本車的發電系統原理簡圖見圖2

圖2 電動服務車原理圖

2.1 光伏電池陣列

光伏電池陣列是指能夠利用光伏效應將太陽輻射能直接轉換為電能的設備，它應該有足夠的輸出功率和輸出電壓供給負載工作使用。光伏方陣是由若干個太陽能電池組件（見圖3）串并聯連接構成的陣列。太陽能電池組件在串并聯時有不同的要求。太陽能電池組件的并聯，要求所并聯的組件具有相同的輸出電壓等級，并聯后輸出電壓保持不變，而陣列的輸出電流為各光伏組件輸出電流之和；光伏電池組件的串聯，要求所串聯的組件具有相同的電流容量，串聯后其輸出的電流不發生改變，但陣列的輸出電壓為各光伏組件輸出電壓之和。在本系統中，由于要滿足系統電壓的需求（當日照強烈時要能對蓄電池充電，故電池板陣列電壓和要大于儲能裝置電壓），并考慮到市場上銷售的電池板的電壓電流等的參數（本車上采用的電池板參數見圖4），這里采用的是光伏電池板的串聯。

圖3 太陽能電池板

2.1.1 電池板的選取

電池板的選取要考慮到車型、車身面積、動力系統電壓、使用何種負載及負載所消耗的功率、電池板在車身上的安裝位置、安裝面積等因素。

本車在選用電池板時考慮的因素有：

1本車所用蓄電池為96v鉛酸蓄電池，故電池板電壓輸出要大于96v。

2根據用電負載的要求：筆記本電腦、自動售貨機、打印機及電燈等的功率。

3根據單塊電池板的面積大小以及占用服務車的車身面積。

4盡量在光照正常的情況下不動用動力蓄電池的電量，并且盡量能有富余電量充入蓄電池。

根據以上要求綜合考慮后，在這里選取單塊板子100w功率，五塊相串聯得到500w的輸出功率。

單塊電池板的參數：

圖4 太陽能電池板的參數

2.1.2 電池板的安裝問題

綜合電池板的面積大小、使用個數以及服務車的車身大小，在這里的安裝方式為車頂安裝三塊，車身一側安裝兩塊。車頂的三塊電池板也可以根據車頂面積的大小做成折疊式，在不需電池板發電時可以折疊便于保存。

圖5 為安裝示意圖（圖中 1、2、3、4、5標記為電池板的安裝位置）：

圖5 電池板安裝示意圖

2.2 控制器

控制器的功能包括充放電控制和最大功率點跟蹤控制兩項功能。控制器在選取時參數應與電池板的輸出功率以及電壓等相匹配。上述的兩個功能中，最大功率點追蹤控制對整個發電系統的高效工作起著至關重要的作用。

2.2.1 充放電控制

蓄電池組的充放電控制實質上是一個DC/DC變換器裝置，它的工作原理主要是通過調節控制輸出電壓和電流有效的利用太陽能電池產生的電能來給蓄電池充電和防止蓄電池受過充、過放的損害，提高蓄電池組的使用壽命。

2.2.2 最大功率點控制

最大功率點跟蹤控制即MPPT控制，此控制主要的作用是使太陽能電池陣列能夠工作在最大功率點附近。

太陽能電池的輸出特性受電池溫度和日光強度等因素的影響，即使在外部環境穩定的情況下，光伏電池的輸出功率也會隨著外部負載的變化而變化，只有當外部負載與光伏器件達到阻抗匹配時光伏器件才會輸出最大功率，這時稱光伏器件工作在最大功率點(Maximum Power Point,簡稱MPPT)。光伏電池即非恒流源也不是恒壓源，而是一種非線性直流電源，通過不斷調節光伏器件的工作點實現使光伏電池始終工作在輸出最大功率的過程，即為光伏電池最大功率點跟蹤(MPPT)

2.3 逆變器

逆變器是在發電系統對交流負載供電時所必須的設備，因為太陽能電池所提供的是直流電，而服務車上所用負載皆需要用交流電方可工作，所以只有通過逆變器 DC/AC的轉換

直流-交流功率變換稱為逆變，交流輸出電壓除含有較大的基波成分外，還可能含有一定頻率和幅值的諧波，其基波頻率和幅值都是可以調節控制的，而且逆變器的輸出可以做成任意多相。但是在實際的應用中大都只采用單相或三相?，F在絕大多數的逆變器都采用的是全控制的電力半導體器件，中功率逆變器多采用 IGBT，大功率多用 GTO，小功率的則用PMOSFET。

本車所用逆變器需將直流變為220v交流，逆變器型號參數與控制器、電池板輸出電壓、電流均需匹配。

2.4 儲能裝置

在光伏獨立發電系統中，儲能裝置是必不可少的。因為太陽能電池的輸出特性隨電池的溫度和日照強度的變化而變化，當外部環境發生變化時就有可能導致太陽能電池不能輸出足夠的功率，為了能滿足負載功率的要求，就必須要有儲能裝置。當沒有充足的光照時，太陽能電池不能輸出足夠的能量，這就需要儲能裝置給負載提供電能。而在陽光充足時太陽能電池發出的電能對于負載又有可能是富余的，這時候就需要把多余的電能儲存起來。

在這里，與其他太陽能發電系統所不同的是，我們是將車上自帶的動力蓄電池作為儲能裝置。之采用動力電池作為儲能裝置，一是不需另外配置儲能裝置，既能節省開支又可減小所占用空間。二是能量存儲額度較大。三是可以在太陽光照充足，負載用電富余時可將一部分電存儲為動力電能，提高電動服務車的續航里程。同理，在太陽光照不足時，利用動力電池的電能供負載工作。

以上就是太陽能發電系統與社區電動服務車相結合的系統分析，針對不同的車型或配置上述發電系統可以有相應的改變，以盡量滿足人們在生活中對電動汽車的要求。

結束語

隨著非可再生資源的枯竭以及燃油汽車造成的日益嚴重的污染，電動汽車在世界范圍內正快速發展。但是電動汽車與生俱來的劣勢也亟須解決。本文以太陽能作為電動服務車的輔助能源，將太陽能發電系統與純電動汽車相結合，既發揮了純電動汽車的優點，又將純電動汽車的缺點進行了很大程度地改進。通過以上的論述，證實將太陽能應用在電動汽車上是可行的，如何將此系統進行更進一步的優化來降低太陽能充電裝置的成本并提高充電效率又給我們提出了更高的要求。

[1]錢伯章，等.國內可再生能源新聞[J].太陽能，2008，(9):59-60.

[2]陶建軍.太陽能電池組件的綜合應用[J].能源技術，2008，29(5)：268-270.

[3]林珊.太剛能發電系統研究[D].廣東工業大學，1999年11月.

[4]趙為.太陽能光伏并網發電系統的研究[D].合肥工業大學，2003，4.

[5]鄭詩程.光伏發電系統及其控制的研究[D].合肥工業大學研究生部.2005.

[6]李文婷，劉宏，陳慧玲.國內外太陽能光伏發電發展綜述[J].青海電力，2004，23(4)：3-6.

[7]趙爭鳴，劉建政，孫曉瑛.太陽能光伏發電及其應用[M].北京：科學出版社，2005.

[8]Dong-Yun Lee， Hyeong-Ju Noh， Dong-Seok Hyun，et al.An Improved MPPT Converter Using

CurrentCompensation Methed for Small Scaled PV Applications[Z].IEEE Apec’03，2003(1)：540-545.