一種車載太陽能充電系統的原理與應用研究

曾勇　張光亞　黃炎

摘 要：基于太陽能電池的工作特性和原理，設計了一種太陽能折疊機構，使太陽能電池的發電能力提高了3倍；并對太陽能充電控制系統的硬件和軟件設計也進行了可行性研究；結合國內實際可利用的太陽能資源，分析表明此新型的太陽能充電系統日均增加續航里程能夠滿足絕大多數通勤及日常代步需求，具有較強的實用價值。

關鍵詞：太陽能 充電系統 太陽能汽車 MPPT 升壓電路

1 引言

國內外很多學者已經對太陽能汽車進行了大量的研究，北京化工大學機電工程學院李童馨等人[1]研究了車用太陽能發電遮陽裝置對降低車內溫度的效果，利用柔性非晶硅太陽能電池阻擋太陽光，并利用其產生的電能對半導體制冷片進行供電，使其對車內降溫；由于太陽能板直接與車身接觸導致有熱量傳遞，因此降溫效果并不理想。廣西大學的海濤等人[2]研究了一種帶MPPT控制器的太陽能充電系統，通過修正變步長增量電導MPPT控制方法，提高了普通MPPT算法最大功率追蹤速度慢的問題，使充電效率提高了23%，但此研究的充電控制用的是Buck非隔離型充電電路，存在高壓充電安全風險。上海機電學院的馬咪等人[3]設計了一種太陽能電動汽車空調系統，該系統利用太陽能轉化成的電能對電動汽車空調供電，使車內的最大降溫達到15oC。但由于其設計的太陽能電池結構發電面積較小，導致其發電功率只有空調壓縮機最低工作要求的50%，無法獨立滿足停車情況下的制冷功率要求。

本論文即是在國內外學者前期的研究基礎上對太陽能電池在汽車上的應用進行拓展研究?；诠杌柲茈姵氐奶匦裕岢隽艘环N可提升發電面積的可折疊太陽能光伏機構，并對太陽能充電控制器的結構原理進行了理論探討，最后通過對國內光伏資源以及人民日常通勤的實際情況進行分析，證明本太陽能充電系統可以顯著增加續航里程，具有一定的應用前景。

2 車載太陽能充電系統設計

2.1 系統的組成及工作原理

車載太陽能充系統主要包括太陽能電池、太陽能充電控制器、動力電池和BMS控制系統、VCU整車控制器、12V低壓蓄電池及其用電器構成，太陽能充電系統的拓撲如圖１所示。

在光照強烈的白天，太陽能電池吸收陽光產生電能，通過太陽能充電控制器控制其的發電功率和充電電壓給動力電池充電；BMS實時監控動力蓄電池的電量狀態；VCU根據電池的電量狀態及車輛工況，控制電池的能量輸出和輸入；高壓動力電池還通過DC-DC直流降壓給12V蓄電池及車載用電器供電；而12V蓄電池又為太陽能控制器、BMS、VCU等控制系統提供穩定的電壓。當沒有太陽能資源時，還可以利用交流或直流充電樁給動力電池充電。

3 車載太陽能電池設計

3.1 太陽能電池選型

通過比較已量產的幾種太陽能電池，從性能、成本及安裝工藝方面考慮，選擇實測效率pv達到24.7%硅基太陽能電池作為發電電源。如表1所示。

量產的太陽能電池組件實際的工作條件通常非常惡劣，會嚴重惡化電池的性能，導致效率的損失，這種效率損失的來源主要是以下2個方面[4]。

首先是輻照強度變化，如圖2所示在一定溫度下，組件的效率隨著輻照強度的減少而減少。

其次是電池溫度變化，環境溫度變化以及光導致組件中的電池被加熱，更高的溫度意味著性能的降低。如圖3所示。

通過分析可以發現，組件的短路電流通常被認為嚴格地正比于輻照強度，在很低入射光強度下，效率損失更多并且更難預測；開路電壓很強烈地依賴于電池溫度，并隨著溫度升高而線性減少，通常定義為每升高一度組件效率下降0.5%[5]。

3.2 可折疊太陽能電池結構設計

本文在某微型純電動車上設計了如圖4所示的可折疊太陽能板結構，展開之后面積S可達車頂的3倍。通過行李箱橫桿進行固定，實現一定遮陽能力，避免車輛被暴曬。

將每一塊太陽能電池組件按面積分成4塊或8塊模組，每個模組由若干個電池單元串聯輸出24V的額定電壓，模組與模組之間進行并聯連接，以解決局部遮擋導致熱斑及效率下降的問題。

考慮到太陽能電池的成組工藝和總裝安裝工藝的要求，其太陽能組件池的實際成組效率c只有80%左右。因此可得此太陽能發電陣列的最大額定輸出功率Pmax為：

PAM1.5為規定標準的AM 1.5G輻照度，其值為1000 W/m2，是指典型晴天時太陽光照射到一般地面的情況。

4 太陽能充電系統控制器設計

由于動力池的電壓遠遠高于光伏陣列的輸出電壓，若要實現光伏陣列對動力電池的充電功能，需要設計高升壓比的升壓變換電路。本太陽能充電控制器采用二級升壓電路，一級升壓采用最簡單的Boost電路，將太陽能電池電壓升高到一定電壓等級，為二級升壓作準備，并實現太陽能電池輸出的最大功率跟蹤；而二級采用半橋升壓變換式隔離型電路給動力電池充電。

4.1 Boost升壓電路及MPPT控制策略

根據2.2節分析的太陽能電池伏安特性，發現隨著溫度和輻照度的變化以及太陽能電池系統的整個生命周期（>25年）中的衰變，其最大發電功率的電壓值存在很大范圍的漂移。因此必須有相應的控制器對太陽能電池的輸出進行調控，使得太陽能電池的電壓和電流滿足瞬時的太陽能電池最大功率點，同時保持輸出電壓和電流符合負載要求。這就引入了光伏最大功率追蹤控制的概念，圖6為控制電路拓撲圖[7]。

整個Boost電路的輸入電壓由太陽能電池提供，MPPT控制器通過監控太陽能電池的電流信號ipv以及電壓信號vpv，以使太陽能電池能夠發出最多電量的最大功率算法控制PWM脈寬信號的變化，對M1、M2開關器件的占空比進行調整控制，實現輸入、輸出電壓的調整，即

其中VO為系統輸出電壓；VPV為太陽能電池輸出電壓也是系統輸入電壓；D開關器件的占空比。

使太陽能電池始終工作在最大功率點附近，即

PPV為太陽能電池最大功率的功率，IPV為最大功率點的電流。

本研究采用根據功率與太陽能電池電壓的倒數自適應調整占空比大小的自適應步長擾動觀察法進行最大功率追蹤[6]，為保證DC-DC升壓電路的轉換效率，最終將升壓比設定為2，即D=2。其Boost電路能量轉換效率一般η>95%。

4.2 隔離型二次升壓電路設計

半橋變換器具有功率密度高，效率高的特點，本文采用半橋變壓器來實現進一步的升壓控制及電源隔離，其拓撲圖如圖6所示。

拓撲結構分析：輸入電壓VO；輸出電壓 Vbat；開關組件S1；開關組件S2；變壓器T；分隔電容C1；分隔電容C2；原邊線圈圈數Np；副邊線圈圈數Ns1和NS2；理想整流二極管D1和D2；儲能電容L；濾波電容C2。

半橋變換器在S1和S2各半周期內交替開關，成一完整周期，此完整周期在變壓器原邊線圈兩端電壓Vp上。S1導通且S2關斷時的半周期為正壓降；S2導通且S1關斷時的半周期為負壓降。S1和S2分別導通、關斷時間相同，所以副邊Vbat上呈現半周期重復且導通時間相同、大小相同的電壓，定義占空比為D。

因此可得，半橋變換器電壓轉換公式：

已知BOOST電路輸出VO=48V，隔離輸出電壓Vbat需求為110V，因占空比D不可能大于0.5，因此隔離變壓器砸比取值1：10。

4.3 整車充電控制邏輯

太陽能充電系統在給整車的動力電池進行充電時須滿足幾個條件：（1）為保護電池，動力電池的溫度H>3oC、電量SOC<95%時方可充電。（2）車載太陽能充電控制器在夜晚自動休眠，而白天檢測到發電功率遠大于整車上高壓的耗電功率時，才能進行充電。（3）VCU和BMS實時監控充電狀態，一旦出現不滿足充電的情況即停止充電，整車處于下高壓狀態。

因此太陽能充電控制系統必須與整車進行CAN通信。

5 太陽能汽車發電系統理論計算及分析

5.1 國內太陽能資源分布

表2為中國部分城市日平均太陽能輻射小時數[7]，其大部分城市的日輻照小時數都大于4小時。

5.2 車載太陽能充電系統理論計算

本文研究的基礎車型為某微小型純電動車，其整車參數見表3。

其車頂面積為1.6平方米，由公式（1）計算得其額定發電功率為948w，而太陽能充電控制系統的電能轉換效率η為：

以全國年日照平均小時數為2.84—6.7小時/天計算，其日平均充電量為2.46～5.79kwh。日平均可增加續航里程為25.6—60.4km，年續航里程增量為9340—22035km。

根據住建部城市交通基礎設施監測與治理實驗室發布的《2020年度全國主要城市通勤監測報告》，36個中國主要城市通勤空間半徑在19～40km之間，城市平均通勤距離在6～11.1公里之間[8]。因此裝有本文設計的太陽能充電系統的微小型城市代步車基本上可以滿足一個月一次的充電樁充電或者幾個月一充，甚至完全離開國家電網獨立由太陽能發電運行。

6 結語

根據以上分析，可以得出裝有此太陽能車載充電系統的汽車日平均發電量基本上可以滿足城市市民的日常通勤需求，因此具有較強實際應用前景。

參考文獻：

[1]李童馨，李周正，陳亮，等.汽車用太陽能發電遮陽裝置研究[J].汽車實用技術，2019（18）：25-27.

[2]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（1）：21-26.

[3]馬咪，潘三博.太陽能電動汽車空調系統設計和節能性研究[J].上海電機學院學報 2017（5）：269-274.

[4]W.xiao and W.G. Dunford. A modified adaptive hill climbing MPPT method for photovoltaic power systems. In 2004 IEEE 35th Annual Power Electronics Specialists Conference（PESC 04），June 2004.vol.3，pp.1957-1963.

[5]Antonio Luque等著，王文靜等譯.光伏技術與工程手冊（原書第二版）.機械工業出版社，2019：252.

[6]Nicola Femia等著，楊波等譯.光伏發電最大功率點跟蹤控制技術.機械工業出版社，2016：47-48.

[7]中國氣象局風能太陽能中心.2021年中國風能太陽能資源年景公報.（2022-04-28）[2022-04-28].http：//www.cma.gov.cn/2011xwzx/2011xqxxw/2011xqxyw/202204/t20220429_4796829.html.

[8]《2020年度全國主要城市通勤監測報告》發布[J].城市規劃通訊，2020（11）：13-13.