太陽能-鋰電純電動車設(shè)想與運行模式計算

黃宇翔

（中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 511436）

人類社會的運行與發(fā)展必然離不開資源的消耗，如今人們主要依托的資源仍是化石能源，2019 年，世界能源消耗統(tǒng)計年鑒表明，世界化石能源消耗占總能源消耗的81%；大量的化石能源消耗會給地球生態(tài)圈帶來諸多負(fù)面效果，2018 年IPCC 數(shù)據(jù)預(yù)估，如果碳排放依舊以這個形式進(jìn)行，近100 年內(nèi)全球氣溫最高可上升6℃；2019 年11 月，Nature 一篇報告指出：世界超一半氣候臨界點已經(jīng)被激活，或?qū)a(chǎn)生多米諾效應(yīng)。在眾多解決解決世界能源與環(huán)境問題的措施中，新能源汽車的研發(fā)成了歐盟、日本、美國、中國等國家與地區(qū)的一大熱點，而新能源汽車中最為熱門的研究對象便是以鋰離子電池為能源核心的純電動汽車。純電動汽車相比傳統(tǒng)能源汽車，最大的優(yōu)勢便是其動力能源為電能，而電能的來源可以由清潔能源（諸如太陽能、風(fēng)能）轉(zhuǎn)化而來。也因此，其成了最有可能取代傳統(tǒng)化石能源的汽車而得到世界各國的重視；據(jù)統(tǒng)計，截至2018 年1 月，全球汽車制造商投資電動車的總額已達(dá)900 億美元。可見，電動車的發(fā)展逐步成為當(dāng)今時代的主流。

1 鋰電汽車的里程焦慮

1.1 里程焦慮

鋰電汽車雖然有著諸多優(yōu)勢，但由于其現(xiàn)階段發(fā)展依舊不夠成熟，也有較多局限，其中較大的問題便是續(xù)航限制。盡管現(xiàn)在鋰電汽車在出場前測試的續(xù)航里程可達(dá)500 公里，但是，出于實際環(huán)境與電池壽命衰減等不穩(wěn)定性因素，其真實的續(xù)航里程往往沒有那么準(zhǔn)確，也因此導(dǎo)致了人們駕駛電動汽車時會擔(dān)心突然沒電而產(chǎn)生精神痛苦或憂慮的情緒，即里程焦慮。

1.2 里程焦慮解決方案

針對里程焦慮這一問題，目前主要有以下三種解決方案：一是設(shè)置與加油站類似的充電樁。但該項目成本很高，建設(shè)周期長，線路耗材巨大，且不適合在偏遠(yuǎn)地區(qū)建設(shè)。二是發(fā)展插電式混合動力汽車。其利用燃料輔助可達(dá)到更長的續(xù)航里程。但是，插電式混合動力汽車仍需要燃料的支持，且其成本偏高，就長遠(yuǎn)來看，其終究不是解決能源問題的最好辦法。三是提升鋰電池比能量。以《中國制造2025》為例，目標(biāo)在2020 年將鋰離子動力電池比能量提高至300Wh/kg，2025 年達(dá)到了400Wh/kg。但隨著比能量的提升，鋰離子電池的穩(wěn)定性隨之會下降，因此，在技術(shù)上有很多有待突破的瓶頸。

1.3 太陽能-鋰電數(shù)控式混合動力

出于種種技術(shù)與成本的限制，本文著眼于現(xiàn)在發(fā)展更為成熟且清潔的光伏技術(shù)，并設(shè)想一款以光伏板輔助發(fā)電，車載逆變器轉(zhuǎn)化，311 分配雙電池儲蓄，簡單控制系統(tǒng)控制的太陽能-鋰電純電動動力汽車。該電動車從理論分析來看，除了有著與純電動汽車同樣的優(yōu)勢，還可以通過邊行駛邊發(fā)電來為其充電，通過合理的分配與智能檢測，延長電動車的極限續(xù)航里程，解決缺乏充電樁等問題。

2 太陽能-鋰電與傳統(tǒng)鋰電相異處

2.1 光伏板

2.1.1 太陽能光伏板效率

我們以當(dāng)今最為理想的太陽能電池為參考，選取以市場上常見的晶硅太陽能電池、銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽能電池以及世界最高效率太陽能電池的數(shù)據(jù)來對比，其中晶硅太陽能電池為26.1%，CIGS 太陽能電池為23.4%，多結(jié)（最高效率）太陽能電池為47.1%。

2.1.2 太陽能光伏板質(zhì)量

其中，單晶硅太陽能電池與CIGS 薄膜太陽能電池已經(jīng)普遍工業(yè)化了，在現(xiàn)代工業(yè)中，晶硅的太陽能電池可以做到2.3 磅每平方英尺，即11.2kg/m2；薄膜太陽能電池可以做到7 盎司每平方英尺，即2.1kg/m2。而多結(jié)太陽能電池制備是由多層薄膜制備而成，而最高效率的多結(jié)太陽能電池有六結(jié)，粗略估算出其質(zhì)量為12.6kg/m2。

2.1.3 車載光伏板有效照射面積

該文我們以Tesla Model S 2019 款長程續(xù)航版為模型基礎(chǔ)（下文同），來估算其有效照射面積（如表1）。考慮車窗以及側(cè)門在俯視圖所占據(jù)的面積，通過估算可以得知其實際可用面積占56%～60%。倘若將車子重新設(shè)計改裝，則其光伏面積可更大，因此，可增設(shè)另一理想?yún)⒖贾?0%。

表1 特斯拉Model S 長程續(xù)航款長度參數(shù)

2.2 逆變器

由于太陽能電池直接發(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。一般純電動汽車會安裝逆變器，出于性能匹配，可能無法讓太陽能電池與鋰離子電池共用一個逆變器。但可以考慮將兩者合并組成太陽能-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有能量損耗，因此，需將該部分能量損耗考慮在內(nèi)，對于高質(zhì)量波，逆變器能量轉(zhuǎn)化效率在90%～95%。

2.3 新充電模式

若要合理調(diào)配太陽能與電能，則需要對其充電與放電方式進(jìn)行改進(jìn)，因此，本文針對這個問題提出311 分配電池與對應(yīng)的簡單控制系統(tǒng)。311 分配電池即為在傳統(tǒng)的鋰電池上進(jìn)行3 比1 比1 容量分配；而該鋰電池總?cè)萘颗c傳統(tǒng)容量相同（如圖1）。

311 電池對應(yīng)簡單數(shù)字控制系統(tǒng)則是調(diào)配電池充放電的系統(tǒng)（如圖2），其系統(tǒng)簡化圖如下圖。運行方式如下：當(dāng)全部電池滿電時發(fā)動電動車，O3 開關(guān)閉合，C3 電池先運行；當(dāng)檢測器檢測到C3 電池?zé)o電時，斷 開O3，閉 合O2、S3，C2 電池供電，C3 電池接受光伏發(fā)電系統(tǒng)充電。當(dāng)檢測器檢測到C2 電池?zé)o電時，斷開O2，閉合O1，S2 與S3 閉合情況取決于C3 電池電量情況。當(dāng)檢測器檢測到C1 電池?zé)o電時，斷開O1，閉 合O3，S2，斷 開S3。S2 繼續(xù)充電。接下來的充放電均由C2 與C3 電池以及S2 和S3、O2 和O3 斷通路來完成。

圖1 311 電池

圖2 簡單控制系統(tǒng)

3 太陽能-鋰電車?yán)碚摌O限計算

3.1 太陽光光照數(shù)據(jù)補充

在計算太陽能-鋰電車極限續(xù)航之前，我們計算太陽照射功率，以中國為例，按太陽能年輻射量、年有效日照時間、年有效日照天數(shù)分為Ⅰ到Ⅴ類[14]。根據(jù)太陽能資源Ⅰ到Ⅴ類數(shù)據(jù)，我們計算我國各個分級地區(qū)的光照輻射功率，其中，含區(qū)間數(shù)據(jù)取其中間值作為計算參考值（6200-6800 取6500）得到結(jié)果如下（表2）。

表2 中國太陽能能量輻射密度

3.2 鋰離子電池充電電能轉(zhuǎn)化率數(shù)據(jù)補充

鋰離子電池相比諸多電池，其一大特點便是極低的能量損失，質(zhì)量優(yōu)異的鋰離子電池充電電能轉(zhuǎn)化率可接近100%，即使是電動汽車快充，以比亞迪為例，其轉(zhuǎn)化率也可高達(dá)80%。

3.3 太陽能-鋰電車參數(shù)模型建立

此處，依舊以Tesla Model S 為實際參數(shù)，綜合前文給出的實際值，建立太陽能-鋰電車的計算模型。假設(shè)鋰電車運動全程為勻速直線運動，路面為瀝青路面，其滾動摩擦系數(shù)為0.010，動力電池能量全部轉(zhuǎn)化成熱損耗與牽引做功，則有：

查得Tesla Model S 參數(shù)如下表（表3）

令g 取9.8N/kg，代入得到其Eheat值為2.2×108J，則熱損失率ηheat為61%。

當(dāng)為太陽能-鋰電車時，其對應(yīng)的計算模式為:

表3 特斯拉Model S 長程續(xù)航款參數(shù)

該模式下有兩個待討論參量msolar和Esolar。

msolar可由前文所給出的參數(shù)進(jìn)行計算。太陽能電池質(zhì)量會因其種類以及占用車頂面積而將會有所不同,計算得到的數(shù)據(jù)如下（表4）：

表4 太陽能電池對應(yīng)質(zhì)量

而其Esolar的計算較為復(fù)雜，其不但要考慮各種理論損耗，還需考慮行駛時間對其充電的影響。理論轉(zhuǎn)化功率為太陽能光照功率與照射面積、光電轉(zhuǎn)化效率、逆變器損耗、充電損耗的乘積（以上數(shù)據(jù)皆在前文列出）。

通過以上公式，我們可用計算得到選用不同參數(shù)下太陽能光伏板的理論轉(zhuǎn)化功率（表5）。

表5 不同太陽能電池理論功率

對于行駛時間，我們可以考慮兩種情況，一是市區(qū)常規(guī)行駛速度，為60km/h（也是一般汽車出場前測試速率）；以及高速路常規(guī)行駛速度100km/h。此時，按照311 電池調(diào)控模式，就要有如下的計算方式。在前1/5 路程，無法進(jìn)行光伏充電，在1/5-2/5 路程中，光伏充電系統(tǒng)會開始運行，光伏充電系統(tǒng)會對耗盡電量電池充電，在后3/5 路程中，光伏充電系統(tǒng)會一直給小容量電池充電，最后，兩個小容量電池循環(huán)充放電工作。此處采用各種太陽能電池的最大轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行計算,其60km/h 與100km/h 能量產(chǎn)生過程如下表計算得到（如表6、表7）。

可以得知在兩種速度運行下，其到了過程5 的時候，其太陽能所發(fā)電轉(zhuǎn)化為電池的電量均小于1kwh，以此為終點。其過程獲得的最大電量均在sum 欄加合。將計算所得的電量與質(zhì)量代入原來的公式進(jìn)行計算：

表6 60km/h 下產(chǎn)能

表7 100km/h 下產(chǎn)能

可以得到其續(xù)航里程與提升率如下（表8；原續(xù)航里程為660km）

表8 不同速率下續(xù)航里程

3.4 太陽能-鋰電車計算結(jié)果總結(jié)與討論

就本次理論計算來看，在相同電池容量下，太陽能-鋰電的續(xù)航里程比純鋰電電動車的續(xù)航里程有了至少6%的提高，最高可達(dá)23%，我們可以初步判斷，太陽能輔助發(fā)電系統(tǒng)有助于提高續(xù)航里程。且比較重要的一點是：本次引入的計算參數(shù)與計算模型均取自現(xiàn)實，有一定的參考意義。其次，本理論還提出“311 電池”與其控制系統(tǒng)，為更長的續(xù)航提供了支持，與直接用電池儲蓄太陽能相比可以延長里程。再者，太陽能-鋰電車可以解決缺乏充電樁的情況。以中國春運為例：當(dāng)汽車駛至偏遠(yuǎn)地區(qū)沒電時，駕駛者可以將其停在陽光充足的地方充電，以供其回程。當(dāng)然，本理論也存在一定的問題。比如，本文中的計算里程方式與實際運行時仍有一定差別。

4 發(fā)展展望

盡管從本次計算結(jié)果來看，該設(shè)想的直接效果并沒有突破性飛躍，但其擁有解決充電樁缺乏等潛力。畢竟新能源汽車還處于發(fā)展階段，有著不少突破空間，想必在不久的將來，隨著鋰電純電動車各項技術(shù)的發(fā)展，加之已走向成熟的太陽能技術(shù)，太陽能-鋰電純電動車也將成為未來市場的一大亮點。