一種基于無線電能傳輸的車載太陽能制冷裝置的設計

摘 要：現階段多數太陽能供電裝置都采用導線作為導電回路。在汽車上使用太陽能供電裝置時，若依舊使用導線作為導電回路，不可避免地需要對車身打孔，勢必會對車體完整度造成一定損壞。隨著無線電能傳輸技術的發展，將無線電能傳輸技術應用于該裝置中，可以避免對車身進行打孔布線，從而保證車身的完整性。文章提出了一種基于無線電能傳輸的車載太陽能制冷裝置，該裝置利用太陽能作為車載制冷設備的能量來源，同時采用了無線電能傳輸技術實現能量傳輸，有效利用了清潔環保的太陽能，同時避免了對車身進行打孔布線，可以保證車身的完整性。

關鍵詞：太陽能；無線電能傳輸；制冷裝置

1 概述

隨著社會經濟的發展，能源危機的不斷加劇以及人們對環境的關注，開發和利用新能源已成為當代社會的一大主題[1]。太陽能作為一種綠色環保的可再生能源，其應用領域日趨廣泛。在汽車行業，由于當今社會對汽車尾氣排放和能源利用效率低等問題的關注，清潔、環保和節能的新能源汽車已成為汽車工業發展的熱點。隨著技術的發展，太陽能在汽車行業的使用也越來越廣泛。但是，就現有的技術而言，將太陽能作為汽車的全部動力源并不實際。因此，在考慮實際行車需求的情況下，將太陽能作為汽車空調系統的能量來源具有一定的可行性。

在夏季，為了保證安全，車主在停車后，一般關閉所有發電系統，停止車載制冷裝置能量供給。這會造成停放于室外的汽車由于烈日的暴曬而使得車內溫度升高，車內溫度過高會令車主感到悶熱難耐，降低車主用車舒適度。因此，針對在熄火停車后利用太陽能電池板發電為車載制冷設備供電具有較大意義，但是由于太陽能電池板置于車外，為了實現與車內制冷設備的電氣連接，采用傳統有線連接將不可避免地需要對車身打孔，損壞車體完整度，影響車體美觀性。

近些年來，無線電能傳能技術得到了迅速發展，其在交通運輸、消費電子設備及醫療電子設備等相關領域得到了廣泛應用[2]。該技術不依賴于有線的傳輸媒介，是一項具有劃時代意義的技術。本文提出了一種基于無線電能傳輸的車載太陽能制冷裝置，該裝置利用太陽能作為車載制冷設備的能量來源，同時采用了無線電能傳輸技術實現能量傳輸，有效利用了清潔環保的太陽能，且避免了對車身進行打孔布線，可以保證車身的完整性。

2 總體方案設計

本文設計了一種基于無線電能傳輸的車載太陽能制冷裝置，其組成結構如圖1所示。安裝于汽車頂部的柔性太陽能電池板將太陽能轉化為直流電后在車外微處理器的控制下經過逆變設備逆變成高頻交流電；高頻交流電在發射能量的原邊線圈產生高頻交變磁場；交變磁場在安裝于車內的拾取能量的副邊線圈感應出同頻交流電壓，實現電能的無線傳輸。同時，車內整流設備將該高頻交流電壓整流為直流。無線通信裝置接收控制命令，在車內微處理器和車外微處理器的控制下，整流設備變換后的直流電經過DC-DC變換器穩定地向車載制冷設備供電或向儲能設備充電。

3 硬件設計

3.1 太陽能電池

常規太陽能電池板一般是兩層玻璃中間填充EVA材料和電池片的結構，組件重量較重且不可彎曲，不僅不方便安裝于汽車頂部，還會增加系統總重和增大汽車高速行駛時的風阻。故本裝置選用半柔性單晶硅光伏板，其柔性的特點可使太陽能電池板緊緊貼合在車頂，減少安裝流程，同時減小汽車行駛阻力。

3.2 無線電能傳輸模塊

將無線電能傳輸技術應用于該車載太陽能制冷裝置上，是本設計的創新點所在。根據能量傳輸過程中繼能量形式的不同，無線電能傳輸可分為：磁場耦合式、電場耦合式、電磁輻射式和機械波耦合式[3]。本設計采用磁場耦合式，其電路拓撲如圖2所示。逆變設備將太陽能電池板轉化的直流電逆變成高頻交流電加載到發射線圈，原邊線圈在電源激勵下產生高頻磁場，副邊線圈在此高頻磁場作用下感應出同頻交流電壓，實現了無線電能傳輸。

3.3 整流和DC-DC變換電路

考慮到本次設計的車載制冷設備為直流供電制式，故需要將副邊線圈感應的高頻交流電整流為直流電，本裝置采用二極管進行整流；同時為了實現對儲能設備的恒壓或者恒流充電以及對車載制冷設備的穩定供電，加裝了DC-DC變換器[4-5]，并選取BUCK電路作為DC-DC變換電路。通過改變開關管V1驅動信號的占空比即可改變BUCK電路輸出的電壓，微處理器實時采集輸出電壓值與設定值比較，通過閉環控制改變占空比實現輸出恒定。整流和DC-DC變換電路原理如圖3所示。

4 系統功能分析

為了充分利用太陽能，實現能量高效利用，本裝置對能量進行管理。設有三種模式：①太陽能電池板轉化的直流電能通過DC-DC變換器向儲能設備充電；②太陽能電池板轉化的直流電能通過DC-DC變換器向車載制冷設備供電；③儲能設備向車載制冷設備供電。如圖4所示。

當光照充足，車主可選擇系統工作在①或②模式；若光照不足，可以使用儲能設備向車載制冷設備供電，即模式③。三種工作模式可以通過能量管理系統實現自動切換，具有較好的用戶體驗。為了更方便車主遠程控制裝置，裝置設有無線通信模塊，車主可以通過手機向無線通信模塊發送控制命令，使系統工作或者關閉。同時，該裝置設有液晶屏顯示模塊，可以讓車主方便了解時間、車內溫度、儲能設備剩余電量情況及工作狀態等信息，從而進行合理調控。

5 結束語

本文設計了一種基于無線電能傳輸的車載太陽能制冷裝置，創造性地將無線傳能技術應用于該系統，避免對車體打孔布線，保證車身整體性。車主可通過手機向車內無線通信設備發送命令，利用太陽能或儲能設備繼續為車載制冷設備進行供電，避免了怠速停車時啟用空調對車體機能的損傷，實現在烈日停車下車內依舊能夠保持舒適的溫度，具有較好的用戶體驗。同時，該裝置采用車內能量管理系統，能夠最大程度地利用太陽能，減少燃油消耗，起到節能環保的作用。

參考文獻

[1]閆云飛，張智恩，張力，等.太陽能利用技術及其應用[J].太陽能學報，2012，33（增刊）：47-56.

[2]范興明，莫小勇，張鑫.無線電能傳輸技術的研究現狀與應用[J].中國電機工程學報，2015，35（10）：2584-2600.

[3]黃學良，譚林林，陳中，等.無線電能傳輸技術研究與應用綜述[J].電工技術學報，2013，28（10）：1-11.

[4]鐘長藝.電動車車載光伏發電系統的研究與設計[D].廣州：華南理工大學，2011.

[5]海濤，朱浩，石磊，等.一種帶MPPT的車載太陽能充電系統設計[J].可再生能源，2015，33（01）：21-26.

作者簡介：霍彪（1999-），男，高中生，就讀于北京市第一五六中學。