新能源汽车光伏照明系统的设计分析

姜 晓

武汉职业技术学院，湖北 武汉 430072

0 引言

汽车的环保问题一直备受关注，新能源汽车的出现解决了内燃机汽车尾气排放的问题，虽然目前受到电池技术的制约，但其发展速度仍然可观。随着新能源汽车的数量越来越多，新能源汽车的优势也慢慢被大众所熟知，如可使提供给车辆用电设备的电压更高更稳定，扭矩大、行驶噪声小、经济环保等。新能源汽车是未来汽车的主要发展方向，我国也预计在2030年全面停售燃油车[1]。针对这一趋势，各大汽车厂商都在加速新能源汽车相关技术的研发，但是新能源汽车也有一项致命缺陷，即续航问题。为了解决新能源汽车的续航问题，除了升级电池技术，还可以考虑使用光伏技术来辅助汽车电力的供给。目前，将光伏技术运用到新能源汽车中主要有两个方向，一是作为驱动力使用，二是作为汽车的辅助能源[2]。但是，如果将其作为驱动力，需要在车顶设计一定面积的光伏设备覆盖，不仅影响汽车的美观性，还存在电力不足的问题。如果将其作为汽车的辅助能源，则是一个非常可行的思路。

车辆的照明系统作为车辆的一项重要组成部分，其技术也在不断更新。目前汽车上所使用的灯具主要有LED灯、卤素灯和氙气灯，其中LED灯光发展最为快速，已逐渐成为中高端车型的标配。LED灯的优势明显，特别是低压照明特性使其更加适合做车载光源，另外LED灯的安全性和响应速度都十分优越，寿命和稳定性都能够得到保障，除了雨天路面照明不佳，LED可以说是汽车非常理想的光源[3]。

考虑到光伏系统可以用作新能源的辅助电力，如果能够实现给汽车照明系统供电，则可以明显改善汽车的续航。首先，如今市面上大部分汽车都配备有日间行车灯，这种灯光只要汽车启动就会开启且无法手动关闭；其次，刹车时汽车会亮起刹车灯，并且夜间行车时近光灯和示廓灯也会开启，特定情况下还需要开启远光灯。这些外置灯光会消耗一部分电量，如果设计一套能够为LED直流负载提供电力的光伏发电系统，不仅能有效提升汽车的续航里程，还能够降低新能源汽车行驶成本，产生可观的环保经济效益。

1 汽车照明系统的组成

汽车的照明系统分为外置灯光和内置灯光两种，除特种车辆之外，汽车的外置灯光标配有前照近光灯、前照远光灯、示宽灯、主转向灯、副转向灯、刹车灯、前雾灯、后雾灯、牌照灯、日间行车灯、倒车灯。其中，前照远光灯的功率最大，一般为50 W，近光灯的功率平均为40 W，其他灯光均为20 W以下。汽车的内置灯光则较为复杂，一般包括阅读灯、车顶灯、后备厢照明灯、仪表照明灯、门灯、化妆镜照明灯、氛围灯等，内置灯光普遍采用LED光源，并且总功率较小。以大众某车型为例，其外部光源加内部光源总功率为198 W。

在常规设计中，汽车的照明系统是由车载蓄电池直接供电，其中前照近光灯、前照远光灯、雾灯、日间行车灯、转向灯、刹车灯、倒车灯均需在点火钥匙打到“ON”位置时才会接通电源，而示宽灯、阅读灯等在车辆完全关闭状态也可以打开，即随时处于通电状态。一般情况下，汽车照明系统的最大电力消耗是在夜间环境下前照灯近远光双开情况时，此时车辆工作的灯光为近光灯、远光灯、示宽灯、仪表照明灯、氛围灯、转向灯、刹车灯、牌照灯，总功率接近170 W。

2 新能源汽车光伏照明系统设计

车载光伏照明系统主要由光电设备、蓄电池、控制电路、电线、保险丝构成。

（1）蓄电池设计。为了防止连续阴雨天气导致蓄电池长时间处于亏电状态而影响车辆的照明，蓄电池设计与电机并联，再与光伏组件串联，如果电池处于亏电状态，将会由汽车电力系统供电。

汽车的制造有对应的行业标准，如《机动车运行安全技术条件》（GB 7258—2017）中，将车载照明设备的额定电压规定为12 V。以我国南方某地区为例，峰值日照时数为3.8 h，连续阴雨天数在5 d以下，假设汽车在白天行驶4 h，因为白天不需要使用功率较大的前照灯，所以将转向灯、刹车灯等灯光的使用功率忽略，按最大平均负载功率为总功率的60%计算，则其平均负载功率P=198 W×60%=120 W，负载电压为12 V，计算可得电流为120÷12=10 A，蓄电池容量=工作电流×日工作时间×（连续阴雨天数+1）=240 A·h。不同的电池有着不同的放电深度，如果采用深循环电池，其放电深度取最低值80%，则计算得电池容量应为300 A·h以上，这里可采用铅酸电池或者磷酸铁电池。

（2）控制器设计。控制器模块主要用来执行蓄电池的充放电控制，该设计所选用的控制器单晶硅参数为18 V/130 W，以并联的形式接入，短路电流约为8 A，并联后的短路电流为15.8 A以上。综合比较市面上的控制器产品后，选用12 V/20 A的智能光伏控制器。星光光伏控制器可在-35～65 ℃的环境中工作，拥有17 V超压保护和IP30级别防护，总重量只有106 g，且空载损耗小于10 mA/12 V。

控制器的逻辑如下：如果光伏系统的发电量充足，则控制器实现整个照明系统的控制供电；如果光伏系统发电量不足（连续阴雨天气），控制器应控制蓄电池的放电以延长电池的使用寿命。

（3）安装及汽车外观设计。外观是汽车的一大卖点，光伏系统在考虑实用性的同时，应设计得更加美观。在光伏照明系统中，光伏发电装置是核心构件，由于需要尽可能地增加接受光照的面积，同时保持最好的太阳光接收条件，光伏发电组件只能被设计在车辆顶部，这会占据车辆天窗的位置。因此，在设计光伏系统时，应先去除全景天窗设计，在车顶安装面积合适的光伏发电组件，整个组件的外观按照流线型设计，以减少车辆行驶过程中的空气阻力，降低能量消耗。除了光伏组件，蓄电池的位置也应进行合理设计，蓄电池不宜外露，根据车辆结构，在以下两个位置安装较为合理：一是前引擎位置，使用这一位置时需要车辆在建造的过程中预留位置，否则后期加装比较困难；二是放置于后备厢，这种设计方式虽然会占据一部分后备厢的位置，但是相对而言更为合理。这是对于前置车型来说的，对于后置车型，则可以采用置于前方行李箱的设计方式。

（4）其他设计。其他设计主要包括走线设计、蓄电池外保护设计以及保险盒设计。保险盒可以与蓄电池安装在同一位置，外部用高强度材料进行保护，同时需注意蓄电池的散热问题。在走线时，应尽量避免电线外露，采用暗线的方式增加车辆的美观性。

3 新能源汽车光伏照明系统效益和前景分析

3.1 效益

LED灯本身具有很大的节能优势，在同等照明效果下，LED灯可以比其他类型灯具节能20%～70%[3]，在这种条件下，如果实装采用光伏技术为LED照明系统提供电能，一年可节约电量近180 kW·h。我国的发电厂主要为火力发电厂，火力发电是依靠燃料的燃烧驱动电机发电，将热能转化为电能，这种发电方式产生的电力稳定且可靠，短时间内新能源发电技术无法取代其地位。火力发电不仅会消耗大量的不可再生能源，也会对大气产生一定的污染，不符合当前的环保理念和可持续发展理念，将所节约的180 kW·h电换算成煤，相当于90 kg标准煤，预计年减少污染排放50 kg碳粉尘，180 kg二氧化碳，环保效益显著。

3.2 前景

光伏技术是前景广阔的新能源技术，其最大的特点是不需要发电机即可实现太阳能向电能的转换，且其外形设计灵活性高，可以将光伏发电板设计成各种需求的形状。从可持续发展的眼光来看，太阳能是最为清洁的能源，并且取之不尽，虽然在现有技术条件下光电转化效率较低，但是相信随着科学的进步，利用太阳能发电的技术会得到进一步发展[4]，光能转化效率也必将取得突破。新能源汽车以其巨大的优势被视作为未来汽车的主要发展方向，各大知名厂商都推出了电动车型，如小鹏、特斯拉、比亚迪、蔚来、保时捷等汽车企业都将电动汽车视为主要的战略发展方向，只要解决了续航短这一问题，相信新能源汽车会快速普及，全面取代燃油车。将光伏技术应用于车辆照明系统更加符合新能源汽车的设计理念，能够在一定程度上达到减少碳排放的目的。

4 结束语

文章主要介绍了新能源汽车的照明系统组成、LED灯的优势，根据LED灯的直流特性设计了一套光伏照明系统为汽车的灯光结构实现供电。通过数据分析可知，该系统可以实现可观的环保效益，是未来新能源汽车一个重要设计方向。同时，新能源汽车的续航问题也可以得到有效缓解，使新能源汽车拥有更好的发展前景。