轻型太阳电动车电源系统设计与经济性分析

肖友鹏

(南昌大学光伏研究院，江西南昌330031)

轻型太阳电动车电源系统设计与经济性分析

肖友鹏

(南昌大学光伏研究院，江西南昌330031)

结合都市上班族上下班出行的特点，对轻型太阳能电动车电力驱动系统进行了基础设计，包括直流电机功率、太阳电池板和蓄电池组容量计算和选择，并对太阳能电动车电力驱动系统进行全寿命周期成本(LCC)分析和环境效益分析。设计与分析说明太阳能电动车具有经济可行性和一定的环境效益。

太阳能电动车；电力驱动系统；经济性分析；环境效益分析

利用可再生的清洁能源是解决化石能源减少和环境污染加剧问题的必由之路，为了控制城市中汽车尾气的排放，减少燃油的消耗，很多人将目光投向了太阳能电动车。太阳能电动车不仅能减少燃油和燃油汽车的需求，还能提供清洁能源降低二氧化碳排放，缓解城市污染问题的严重程度，抑制全球变暖和环境恶化，提升公众健康水平。

限制太阳能电动车利用的主要因素还是成本，因此有必要从技术和经济角度看待太阳能电动车的设计和运行。由于太阳能是一种低密度、间歇性能源，目前太阳能的收集效率较低，可提供能量有限，所以太阳能电动车通常设计为轻型双人四轮型，通过引入更轻的材料，优化设计和制作流程来降低整车总质量。太阳能电动车设计主要包括电力驱动系统设计、控制策略的选择，其他还要考量的技术因素还有轻质材料、低阻力轮胎和插入式充电技术等。

1 电力驱动系统基础设计

图1为太阳能电动车电力驱动系统组成示意图，各组成部分功能如下：太阳电池板将太阳能转换为电能并且储存在蓄电池组中，蓄电池组产生48 V直流电供应直流电机和车载电子器件，电机控制器是一个电学控制单元，用来控制直流电机的电量进而提供变速。电力驱动系统基础设计主要包括直流电机功率、太阳电池板和蓄电池容量的计算设计。

图1 太阳能电动车电力驱动系统组成示意图

1.1 直流电机功率

太阳能电动车以太阳电池板发电并将电能转化为化学能储存在蓄电池中，蓄电池向直流电机提供能量驱动电动车向前行驶，行驶过程中需要克服滚动阻力、空气阻力、加速阻力和坡度阻力等行驶阻力，由于设计的是轻型电动车，因此暂时不考虑加速阻力和坡度阻力。电动车在行驶过程中车轮持续滚动，在轮胎处产生的滚动阻力可表示为[1]：

1.2 蓄电池组容量

蓄电池组容量与太阳能电动车总的行驶里程有关，对于都市上班族来说，上下班单程大约为20 km，考虑到用户住地与主干道之间的距离约为1.6 km，总的行驶里程取为43.2 km，行驶需要花费的时间为60 min，电机需要提供的电量为：

然而，电机并不是全程以同一功率工作，所需的功率随着行车的速度和路况等而变化，电机最大功率可能达到的1.5倍，即=720 W。因此，保守估计有总时间的80%电机工作在480 W的功率状态，总时间的10%电机工作在720 W的功率状态，其余10%的时间电机工作在平均功率=600 W的功率状态，因而所需总的电量为：式中：ηm是直流电机效率，在总的电量基础上加上10%是为了在遇到交通信号灯和交通堵塞时的停车和启动时准备电量。电机所需的电量必须储存在蓄电池组中，从而也就决定了蓄电池组的容量。

蓄电池组还需给汽车照明比如前照灯、信号灯、刹车灯提供电量。总的电量需求应该是电机所需的电量加上车灯所需的电量。在确定蓄电池组的容量时需要注意，蓄电池的容量会随放电电流的大小而改变，根据Peukert定律，与放电电流I之间呈非线性关系的蓄电池放电容量为[2]：

式中：t为放电时间，n为Peukert常数，取值在1.1～1.3之间，本文取1.2。应用Peukert定律，功率变化的电机行驶全程所需蓄电池组容量为式(1)所示。

为了保证蓄电池在冬季也可以提供适当的电量，需要考虑温度校正因子和老化因子，为了延长蓄电池的寿命，需要考虑蓄电池的最大放电深度DOD，因此最终蓄电池组容量可以计算为[3]：

进一步地，由于不恰当维护、自放电或者环境温度过低，蓄电池组需要增加10%的容量，因此蓄电池组的容量为49.49 Ah，选用4个12 V/50Ah的铅酸蓄电池全部串联以达到所需的电压和容量。

表1 计算蓄电池组容量所使用的参数

1.3 太阳电池板容量

太阳电池板的容量，与蓄电池组和充电控制器的充电效率有关。如果ηCH为蓄电池组的充电效率，ηCC为充电控制器的效率，太阳电池板所要达到的发电量由式(9)[3]计算为1 312.59 Wh。

太阳电池板的峰值功率WP[3]为：

表2 计算太阳电池板容量所使用的参数

冬季和阴雨天太阳能辐射较弱，太阳电池板发电量不足，可以从公共电网获取电能，对太阳能电动车进行插入式充电。

2 经济性分析

设计的太阳能电动车用全寿命周期成本(LCC)进行经济性分析。LCC包括电动车自身成本和整个寿命期内发生成本的总和折算到投资初始期的现值 (PW)[4]。因此太阳能电动车LCC包括太阳电池板、蓄电池组、充电控制器、直流电机等购买成本的现值，以及安装、维护和运行成本的现值。

太阳电池板初始投资成本是比较高的，但单晶硅太阳电池板预期能够使用至少20～25年而不需要更换，成本可以在以后的寿命期内得到补偿。本文设计的太阳能电动车预期能够使用20年，铅酸蓄电池的寿命假定为5年，因此，在5、10、15年之后需要再次购买蓄电池。充电控制器预期寿命为15年，直流电机的寿命通常大于10 000 h，如果每天最多使用4 h，粗略估计可以使用10年。在太阳电池板需要置换之前蓄电池、直流电机和充电控制器需要进行置换，因此购买成本包括太阳电池板的成本，三次置换蓄电池的成本、一次置换直流电机的成本和一次置换充电控制器的成本。

安装与运行维护成本的现值可由式(12)计算[5]：

表3 各项成本计算数据

为比较太阳电池车电力驱动系统和普通燃油汽车驱动系统的LCC，选取新能源技术的代表大众汽车VW-XL1作为参照，其百公里仅1.83 L，所以普通燃油汽车耗油量取为2 L，则一天行驶43.2 km需要燃烧汽油0.864 L，取初期油价7元/L，则一天油费为6.048元，都市上班族一年中上班工作的天数取为250天，相对应初期一年油费为1 512元，同样可用式(12)计算普通燃油汽车20年油费的LCC为19 077元，高于太阳能电动车电力驱动系统的LCC，可见太阳能电动车电力驱动系统在寿命期内具有低成本优势。

3 环境效益分析

太阳能电动车一年的使用天数约为250天，每天用电量为1 312.59 Wh，因此一年中太阳能电动车的电池板发电量为328.15 kWh，在20年的全寿命周期内发电量为6 563 kWh。当前我国电力生产结构以火力发电为主，燃烧煤炭时向环境排放大量的CO2、SO2、和烟尘，引起环境污染，引发温室效应。火力发电耗煤380 g/kWh，与之对照太阳能电动车在全寿命周期内可节约标准煤2 494 kg。表4为燃烧1 t标准煤的污染物排放量及其所对应的环境成本[6]，其中大气污染物排放系数[kg·(tce)－1]意为(千克/吨标准煤)。

表4 单位污染物排放量和环境成本

表5则是采用太阳能电动车所减少的污染物排放量和环境效益，即减少污染物排放量所减少的环境成本。可见，在全寿命周期内太阳能电动车所减少的污染物排放总量为6 761 kg，折算成单位排放量为15.4 kg/WP，产生的环境效益为585.1元，折算成单位环境效益为1.3元/WP。

表5 污染物减排量和环境效益

4 结论与展望

本文对轻型太阳能电动车电力驱动系统进行了基础设计，包括直流电机功率、太阳电池板和蓄电池组容量计算和选择，并对太阳能电动车电力驱动系统进行LCC分析和环境效益分析。计算结果表明直流电机的功率应该达到720 W，太阳电池板选取两个220 Wp/24 V的单晶硅太阳电池板串联，蓄电池组选用4个12 V/50Ah的铅酸蓄电池全部串联。分析表明太阳能电动车电力驱动系统的全寿命周期成本LCC为13 060元，低于燃烧汽油的LCC即19 077元，在全寿命周期内太阳能电动车所减少的污染物排放总量为6 761 kg，折算成单位排放量为15.4 kg/WP；产生的环境效益为585.1元，折算成单位环境效益为1.3元/WP。本文的初步设计与分析说明太阳能电动车有利于节约成本，保护环境，对太阳能电动车的设计制造实践具有一定参考价值，今后研究工作将考虑轻型太阳能电动车的整车大体成本，以期与常规燃油汽车作更全面的比较。

[1]成珂，贺延琛.太阳能电动车能量系统性能预测[J].太阳能学报，2013，34(7)：1160-1165.

[2]周智勇，龚文超.基于Peukert方程的铅酸蓄电池容量计算方法研究[J].蓄电池，2013，50(2)：55-57.

[3]李安定，吕全亚.太阳能光伏发电系统工程[M].北京：化学工业出版社，2012.

[4]CELIK A N.Present status of photovoltaic energy in turkey and life cycle techno-economic analysis of a grid-connected photovoltaic house[J].Renewable Sustainable Energy Reviews，2006，10(4)：370-387.

[5]BATAINEH K，DALALAH D.Optimal configuration for design of stand-alone PV system[J].Smart Grid and Renewable Energy，2012，3(2)：139-147.

[6]孙可.几种类型发电公司环境成本核算的分析研究[J].能源工程，2004(3)：23-26.

Preliminary design and economic analysis of electric drive system of light-weight solar car

A preliminary design of the electric drive system of the light-weight solar car was carried out including the required DC motor power,panel size,and battery capacity.Then the life cycle cost(LLC)and environmental benefits of system were analyzed.The design and analysis shows that the solar car has economic feasibility and environmental benefits.

solar car；electric drive system；economic analysis；environmental benefits

TM914

A

1002-087X(2016)12-2397-03

2016-05-06

肖友鹏(1979—)，男，江西省人，讲师，博士生，主要研究方向为光伏材料与器件。