新能源汽車光伏照明系統的設計分析

姜 曉

武漢職業技術學院，湖北 武漢 430072

0 引言

汽車的環保問題一直備受關注，新能源汽車的出現解決了內燃機汽車尾氣排放的問題，雖然目前受到電池技術的制約，但其發展速度仍然可觀。隨著新能源汽車的數量越來越多，新能源汽車的優勢也慢慢被大眾所熟知，如可使提供給車輛用電設備的電壓更高更穩定，扭矩大、行駛噪聲小、經濟環保等。新能源汽車是未來汽車的主要發展方向，我國也預計在2030年全面停售燃油車[1]。針對這一趨勢，各大汽車廠商都在加速新能源汽車相關技術的研發，但是新能源汽車也有一項致命缺陷，即續航問題。為了解決新能源汽車的續航問題，除了升級電池技術，還可以考慮使用光伏技術來輔助汽車電力的供給。目前，將光伏技術運用到新能源汽車中主要有兩個方向，一是作為驅動力使用，二是作為汽車的輔助能源[2]。但是，如果將其作為驅動力，需要在車頂設計一定面積的光伏設備覆蓋，不僅影響汽車的美觀性，還存在電力不足的問題。如果將其作為汽車的輔助能源，則是一個非常可行的思路。

車輛的照明系統作為車輛的一項重要組成部分，其技術也在不斷更新。目前汽車上所使用的燈具主要有LED燈、鹵素燈和氙氣燈，其中LED燈光發展最為快速，已逐漸成為中高端車型的標配。LED燈的優勢明顯，特別是低壓照明特性使其更加適合做車載光源，另外LED燈的安全性和響應速度都十分優越，壽命和穩定性都能夠得到保障，除了雨天路面照明不佳，LED可以說是汽車非常理想的光源[3]。

考慮到光伏系統可以用作新能源的輔助電力，如果能夠實現給汽車照明系統供電，則可以明顯改善汽車的續航。首先，如今市面上大部分汽車都配備有日間行車燈，這種燈光只要汽車啟動就會開啟且無法手動關閉；其次，剎車時汽車會亮起剎車燈，并且夜間行車時近光燈和示廓燈也會開啟，特定情況下還需要開啟遠光燈。這些外置燈光會消耗一部分電量，如果設計一套能夠為LED直流負載提供電力的光伏發電系統，不僅能有效提升汽車的續航里程，還能夠降低新能源汽車行駛成本，產生可觀的環保經濟效益。

1 汽車照明系統的組成

汽車的照明系統分為外置燈光和內置燈光兩種，除特種車輛之外，汽車的外置燈光標配有前照近光燈、前照遠光燈、示寬燈、主轉向燈、副轉向燈、剎車燈、前霧燈、后霧燈、牌照燈、日間行車燈、倒車燈。其中，前照遠光燈的功率最大，一般為50 W，近光燈的功率平均為40 W，其他燈光均為20 W以下。汽車的內置燈光則較為復雜，一般包括閱讀燈、車頂燈、后備廂照明燈、儀表照明燈、門燈、化妝鏡照明燈、氛圍燈等，內置燈光普遍采用LED光源，并且總功率較小。以大眾某車型為例，其外部光源加內部光源總功率為198 W。

在常規設計中，汽車的照明系統是由車載蓄電池直接供電，其中前照近光燈、前照遠光燈、霧燈、日間行車燈、轉向燈、剎車燈、倒車燈均需在點火鑰匙打到“ON”位置時才會接通電源，而示寬燈、閱讀燈等在車輛完全關閉狀態也可以打開，即隨時處于通電狀態。一般情況下，汽車照明系統的最大電力消耗是在夜間環境下前照燈近遠光雙開情況時，此時車輛工作的燈光為近光燈、遠光燈、示寬燈、儀表照明燈、氛圍燈、轉向燈、剎車燈、牌照燈，總功率接近170 W。

2 新能源汽車光伏照明系統設計

車載光伏照明系統主要由光電設備、蓄電池、控制電路、電線、保險絲構成。

（1）蓄電池設計。為了防止連續陰雨天氣導致蓄電池長時間處于虧電狀態而影響車輛的照明，蓄電池設計與電機并聯，再與光伏組件串聯，如果電池處于虧電狀態，將會由汽車電力系統供電。

汽車的制造有對應的行業標準，如《機動車運行安全技術條件》（GB 7258—2017）中，將車載照明設備的額定電壓規定為12 V。以我國南方某地區為例，峰值日照時數為3.8 h，連續陰雨天數在5 d以下，假設汽車在白天行駛4 h，因為白天不需要使用功率較大的前照燈，所以將轉向燈、剎車燈等燈光的使用功率忽略，按最大平均負載功率為總功率的60%計算，則其平均負載功率P=198 W×60%=120 W，負載電壓為12 V，計算可得電流為120÷12=10 A，蓄電池容量=工作電流×日工作時間×（連續陰雨天數+1）=240 A·h。不同的電池有著不同的放電深度，如果采用深循環電池，其放電深度取最低值80%，則計算得電池容量應為300 A·h以上，這里可采用鉛酸電池或者磷酸鐵電池。

（2）控制器設計。控制器模塊主要用來執行蓄電池的充放電控制，該設計所選用的控制器單晶硅參數為18 V/130 W，以并聯的形式接入，短路電流約為8 A，并聯后的短路電流為15.8 A以上。綜合比較市面上的控制器產品后，選用12 V/20 A的智能光伏控制器。星光光伏控制器可在-35～65 ℃的環境中工作，擁有17 V超壓保護和IP30級別防護，總重量只有106 g，且空載損耗小于10 mA/12 V。

控制器的邏輯如下：如果光伏系統的發電量充足，則控制器實現整個照明系統的控制供電；如果光伏系統發電量不足（連續陰雨天氣），控制器應控制蓄電池的放電以延長電池的使用壽命。

（3）安裝及汽車外觀設計。外觀是汽車的一大賣點，光伏系統在考慮實用性的同時，應設計得更加美觀。在光伏照明系統中，光伏發電裝置是核心構件，由于需要盡可能地增加接受光照的面積，同時保持最好的太陽光接收條件，光伏發電組件只能被設計在車輛頂部，這會占據車輛天窗的位置。因此，在設計光伏系統時，應先去除全景天窗設計，在車頂安裝面積合適的光伏發電組件，整個組件的外觀按照流線型設計，以減少車輛行駛過程中的空氣阻力，降低能量消耗。除了光伏組件，蓄電池的位置也應進行合理設計，蓄電池不宜外露，根據車輛結構，在以下兩個位置安裝較為合理：一是前引擎位置，使用這一位置時需要車輛在建造的過程中預留位置，否則后期加裝比較困難；二是放置于后備廂，這種設計方式雖然會占據一部分后備廂的位置，但是相對而言更為合理。這是對于前置車型來說的，對于后置車型，則可以采用置于前方行李箱的設計方式。

（4）其他設計。其他設計主要包括走線設計、蓄電池外保護設計以及保險盒設計。保險盒可以與蓄電池安裝在同一位置，外部用高強度材料進行保護，同時需注意蓄電池的散熱問題。在走線時，應盡量避免電線外露，采用暗線的方式增加車輛的美觀性。

3 新能源汽車光伏照明系統效益和前景分析

3.1 效益

LED燈本身具有很大的節能優勢，在同等照明效果下，LED燈可以比其他類型燈具節能20%～70%[3]，在這種條件下，如果實裝采用光伏技術為LED照明系統提供電能，一年可節約電量近180 kW·h。我國的發電廠主要為火力發電廠，火力發電是依靠燃料的燃燒驅動電機發電，將熱能轉化為電能，這種發電方式產生的電力穩定且可靠，短時間內新能源發電技術無法取代其地位。火力發電不僅會消耗大量的不可再生能源，也會對大氣產生一定的污染，不符合當前的環保理念和可持續發展理念，將所節約的180 kW·h電換算成煤，相當于90 kg標準煤，預計年減少污染排放50 kg碳粉塵，180 kg二氧化碳，環保效益顯著。

3.2 前景

光伏技術是前景廣闊的新能源技術，其最大的特點是不需要發電機即可實現太陽能向電能的轉換，且其外形設計靈活性高，可以將光伏發電板設計成各種需求的形狀。從可持續發展的眼光來看，太陽能是最為清潔的能源，并且取之不盡，雖然在現有技術條件下光電轉化效率較低，但是相信隨著科學的進步，利用太陽能發電的技術會得到進一步發展[4]，光能轉化效率也必將取得突破。新能源汽車以其巨大的優勢被視作為未來汽車的主要發展方向，各大知名廠商都推出了電動車型，如小鵬、特斯拉、比亞迪、蔚來、保時捷等汽車企業都將電動汽車視為主要的戰略發展方向，只要解決了續航短這一問題，相信新能源汽車會快速普及，全面取代燃油車。將光伏技術應用于車輛照明系統更加符合新能源汽車的設計理念，能夠在一定程度上達到減少碳排放的目的。

4 結束語

文章主要介紹了新能源汽車的照明系統組成、LED燈的優勢，根據LED燈的直流特性設計了一套光伏照明系統為汽車的燈光結構實現供電。通過數據分析可知，該系統可以實現可觀的環保效益，是未來新能源汽車一個重要設計方向。同時，新能源汽車的續航問題也可以得到有效緩解，使新能源汽車擁有更好的發展前景。