新能源車光伏應(yīng)用的發(fā)展研究

摘要：對光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用在新能源車的可行性進(jìn)行分析，根據(jù)新能源電動車以及光伏發(fā)電系統(tǒng)，提出了兩種將光伏發(fā)電和新能源車相結(jié)合的方案，并展示出了相應(yīng)的能量傳遞、能量轉(zhuǎn)化圖，總結(jié)出兩種可行性較高的在當(dāng)下技術(shù)背景下能夠?qū)⒐夥l(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用在新能源電動車上的方案。

關(guān)鍵詞：光伏汽車;太陽能;能量轉(zhuǎn)化

1引言

隨著全球氣候問題的日趨嚴(yán)重，能源革命節(jié)能減排勢在必行，2021年兩會，我國提出分別在2030年和2060年前實現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”的目標(biāo)。在此背景下，新能源車毫無疑問成了全球各大汽車廠商的發(fā)展方向。由于新能源車的動力來源于可再生能源，因此在節(jié)能減排上新能源車有著傳統(tǒng)燃油車無法比擬的排放優(yōu)勢和用車成本優(yōu)勢。而光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠?qū)⑻柲苻D(zhuǎn)化為電能，太陽能是安全取之不盡的清潔能源，如果能利用光伏發(fā)電系統(tǒng)成功運用在純電動車上，將會大大加速新能源車的發(fā)展。

本文研究了新能源車中的電動汽車動力系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)，對將光伏發(fā)電技術(shù)運用在電動汽車上進(jìn)行了可行性分析。

2 國內(nèi)外新能源車光伏發(fā)展現(xiàn)狀

很長時間以來，人們都期望著有一天能夠利用太陽能發(fā)電來給電動車提供電能來實現(xiàn)對車的驅(qū)動，以徹底解決能源問題。事實上各大汽車廠商也在不斷這個方向努力，例如早在2010年，日本豐田汽車就曾推出“普銳斯”太陽能電動車，只不過當(dāng)時的“太陽能車頂”功率僅能達(dá)到180瓦，太陽能電池轉(zhuǎn)換效率為22.5%，而且不能在行駛的時候為電池充電，只能給汽車導(dǎo)航系統(tǒng)的輔助電池供電。而在2019年，豐田汽車再次在該領(lǐng)域取得突破，豐田與日本新能源及工業(yè)技術(shù)開發(fā)組織和夏普公司合作研發(fā)出了一款厚度僅為0.03毫米新型太陽能電芯，可安裝在車頂、引擎蓋、后備箱蓋等部位上，太陽能電池轉(zhuǎn)換效率高達(dá)34%，功率高達(dá)860瓦。根據(jù)推算，這種“太陽能車頂”一天可以其太陽能電動車增加44.5公里的續(xù)航里程。同樣在2019年美國創(chuàng)業(yè)公司Lightyear推出了全球第一輛長續(xù)航光伏太陽能電動車Lightyear One，該公司稱，在太陽充足的地方，該車可以僅依靠太陽能充電一年行駛超過15000公里，不過由于高昂的車本，該車離量產(chǎn)還有很長的一段距離，其實際效果也有待檢驗。

國內(nèi)汽車廠商們在這方面也不甘示弱，同時發(fā)展策略也務(wù)實的多，廣汽集團(tuán)在2019年發(fā)布的Aion S第一次將光伏充電系統(tǒng)配備在了量產(chǎn)車上，該車載光伏電池板能夠產(chǎn)生最大60W電能，在條件允許的情況下可以給音響以及鼓風(fēng)機(jī)供電。而另一家電動車廠商小鵬汽車也其即將上市的新車小鵬P5中配備車頂光伏充電系統(tǒng)。

3 光伏充電后能量用途分析

3.1 光伏充電系統(tǒng)組成及工作原理

光伏充電系統(tǒng)主要由車頂光伏電池模組和太陽能控制器組成;光伏電池模組將光能通過光電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定的電能，然后控制器進(jìn)行DC-DC電壓轉(zhuǎn)化成可以供給用電設(shè)備的穩(wěn)定電能。

3.2 給動力電池充電

大多數(shù)人認(rèn)為利用太陽能可以直接在汽車行駛或停車過程中給動力電池充電提高續(xù)航里程，實際上這個想法的可行性并不高，因為車頂能鋪設(shè)的光伏太陽能板面積有限，這直接導(dǎo)致了其發(fā)電功率非常有限，例如前面提到過的廣汽Aion S，它天窗的電池板最大都只能60W電能，而要想給動力電池組充電，BMS和VCU就必須要工作，高壓監(jiān)控和熱管理部件需要處于喚醒狀態(tài)，同時還要進(jìn)行DC-DC電壓轉(zhuǎn)化，這個狀態(tài)下，整車的低壓電器所消耗的功率就已經(jīng)接近甚至超過60W了，絕大多數(shù)情況下不僅不能給動力電池組充電，反而會消耗電池組電量，得不償失。

而要想實現(xiàn)太陽能直接給動力電池充電，不僅僅需要增加電池板的鋪設(shè)，還需要提高光伏光電效應(yīng)的轉(zhuǎn)化效率，前面提高的豐田公司太陽能電動車為了實現(xiàn)充電，最大限度了鋪設(shè)了光伏電池板，即使這樣其最大充電功率也才860W，滿足不了當(dāng)下電動車慢充功率的要求。因此，對于當(dāng)下技術(shù)而言，直接利用光伏充電系統(tǒng)給動力電池組供電可行性不高。

3.3 給蓄電池充電

當(dāng)下盡管電動車都有一個電池容量較大熱點動力電池組，但是當(dāng)下電動車蓄電池仍然不可或缺。無論是純電動車還是混合動力汽車，都會有高壓和低壓兩套電氣系統(tǒng)，其中高壓電氣系統(tǒng)主要用來驅(qū)動汽車電動機(jī)，以及電動壓縮機(jī)這樣的大功率子系統(tǒng)供電，而低壓系統(tǒng)就是我們常見的12V蓄電池，它通常同于汽車的低功率子系統(tǒng)，比如汽車車燈、儀表顯示等。對于傳統(tǒng)燃油車，汽車發(fā)電機(jī)在汽車啟動后會被驅(qū)動，這樣就可以給蓄電池充電，而對于純電動車，沒有發(fā)動機(jī)，蓄電池就只能依靠動力電池組的電能在經(jīng)DC-DC轉(zhuǎn)化為低壓電后來進(jìn)行充電。

不同于傳統(tǒng)燃油車，當(dāng)下純電動車在停車狀態(tài)下或者在ECU在休眠狀態(tài)下，ECU仍需要保持低功耗工作，比如TBOX檢查網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、中央大屏主機(jī)為了追求開機(jī)速度讓電源芯片維持、BMS定時檢查電池組溫度等。這些帶來了與傳統(tǒng)燃油車相比高出了數(shù)倍的休眠狀態(tài)的能耗，對蓄電池來說是個不小的負(fù)擔(dān)。而為了能夠保證車輛長時間停放后能正常啟動，純電動車都會帶有補(bǔ)電功能，由于在補(bǔ)電時需要同時喚醒高壓和低壓電系統(tǒng)，產(chǎn)生大量的額外損耗，所以補(bǔ)電效率實際上是很低的。

如果汽車可以通過光伏充電系統(tǒng)在ECU休眠時給蓄電池補(bǔ)電，這將降低整車補(bǔ)電的頻次，讓動力電池組電能更多的用于它本身的驅(qū)動或者大功率系統(tǒng)，而且整個光伏給蓄電池補(bǔ)電過程中除了太陽能控制器外，幾乎沒有額外的損耗，太陽能模塊發(fā)電可以高效的充電到蓄電池中。整個過程如圖1所示。因此，通過光伏太陽能電池板給蓄電池充電可行性是很高的。

3.3 驅(qū)動鼓風(fēng)機(jī)散熱

利用光伏太陽能發(fā)電必然需要將車置于陽光下，一般夏天陽光充足，很適合利用光伏系統(tǒng)發(fā)電，但是這也會導(dǎo)致車內(nèi)溫度高，在夏天暴曬中，整車儀表臺表面溫度可高達(dá)105℃，車內(nèi)空氣溫度也可達(dá)到60℃，這樣的高溫對于純電動車來說是有安全隱患的，如果可以利用光伏太陽能發(fā)電來驅(qū)動鼓風(fēng)機(jī)給車內(nèi)通風(fēng)降溫，將會很好的解決這個問題。前面提到的廣汽Aion S就有這個功能，需要注意的是這里并不會啟動空調(diào)壓縮機(jī)，前面提到過，空調(diào)壓縮機(jī)是高壓電氣系統(tǒng)里面的用電設(shè)備，顯然沒法直接由光伏發(fā)電來驅(qū)動，整個過程如圖2所示。

因此，對于在高溫時驅(qū)動鼓風(fēng)機(jī)散熱，這個方案是可行的，理論上來說，不僅僅是鼓風(fēng)機(jī)，對于停車狀態(tài)光伏太陽能又可以發(fā)電的情況下，光伏充電系統(tǒng)也是可以給其它低壓低功率用電設(shè)備供電的。

4 結(jié)語

本文主要探究了光伏發(fā)電系統(tǒng)對于新能源電動車的意義，以及將光伏系統(tǒng)應(yīng)用在新能源電動車上的幾種方案進(jìn)行可行性分析，得出如下結(jié)論：

（1）可以利用光伏太陽能模組給蓄電池充電，讓整車更加節(jié)能。

（2）可以當(dāng)車輛暴露在陽光下時利用光伏太陽能模組驅(qū)動鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)散熱。

將光伏技術(shù)運用帶新能源車上不僅可以給新能源電動車節(jié)能，對于進(jìn)一步促進(jìn)新能源車的發(fā)展也具有重要意義。

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作者簡介：唐山，1994年2月出生，男，湖北人，碩士研究生學(xué)歷，研究方向，新能源汽車。