一种车载太阳能充电系统的原理与应用研究

曾勇　张光亚　黄炎

摘 要：基于太阳能电池的工作特性和原理，设计了一种太阳能折叠机构，使太阳能电池的发电能力提高了3倍；并对太阳能充电控制系统的硬件和软件设计也进行了可行性研究；结合国内实际可利用的太阳能资源，分析表明此新型的太阳能充电系统日均增加续航里程能够满足绝大多数通勤及日常代步需求，具有较强的实用价值。

关键词：太阳能 充电系统 太阳能汽车 MPPT 升压电路

1 引言

国内外很多学者已经对太阳能汽车进行了大量的研究，北京化工大学机电工程学院李童馨等人[1]研究了车用太阳能发电遮阳装置对降低车内温度的效果，利用柔性非晶硅太阳能电池阻挡太阳光，并利用其产生的电能对半导体制冷片进行供电，使其对车内降温；由于太阳能板直接与车身接触导致有热量传递，因此降温效果并不理想。广西大学的海涛等人[2]研究了一种带MPPT控制器的太阳能充电系统，通过修正变步长增量电导MPPT控制方法，提高了普通MPPT算法最大功率追踪速度慢的问题，使充电效率提高了23%，但此研究的充电控制用的是Buck非隔离型充电电路，存在高压充电安全风险。上海机电学院的马咪等人[3]设计了一种太阳能电动汽车空调系统，该系统利用太阳能转化成的电能对电动汽车空调供电，使车内的最大降温达到15oC。但由于其设计的太阳能电池结构发电面积较小，导致其发电功率只有空调压缩机最低工作要求的50%，无法独立满足停车情况下的制冷功率要求。

本论文即是在国内外学者前期的研究基础上对太阳能电池在汽车上的应用进行拓展研究。基于硅基太阳能电池的特性，提出了一种可提升发电面积的可折叠太阳能光伏机构，并对太阳能充电控制器的结构原理进行了理论探讨，最后通过对国内光伏资源以及人民日常通勤的实际情况进行分析，证明本太阳能充电系统可以显著增加续航里程，具有一定的应用前景。

2 车载太阳能充電系统设计

2.1 系统的组成及工作原理

车载太阳能充系统主要包括太阳能电池、太阳能充电控制器、动力电池和BMS控制系统、VCU整车控制器、12V低压蓄电池及其用电器构成，太阳能充电系统的拓扑如图１所示。

在光照强烈的白天，太阳能电池吸收阳光产生电能，通过太阳能充电控制器控制其的发电功率和充电电压给动力电池充电；BMS实时监控动力蓄电池的电量状态；VCU根据电池的电量状态及车辆工况，控制电池的能量输出和输入；高压动力电池还通过DC-DC直流降压给12V蓄电池及车载用电器供电；而12V蓄电池又为太阳能控制器、BMS、VCU等控制系统提供稳定的电压。当没有太阳能资源时，还可以利用交流或直流充电桩给动力电池充电。

3 车载太阳能电池设计

3.1 太阳能电池选型

通过比较已量产的几种太阳能电池，从性能、成本及安装工艺方面考虑，选择实测效率pv达到24.7%硅基太阳能电池作为发电电源。如表1所示。

量产的太阳能电池组件实际的工作条件通常非常恶劣，会严重恶化电池的性能，导致效率的损失，这种效率损失的来源主要是以下2个方面[4]。

首先是辐照强度变化，如图2所示在一定温度下，组件的效率随着辐照强度的减少而减少。

其次是电池温度变化，环境温度变化以及光导致组件中的电池被加热，更高的温度意味着性能的降低。如图3所示。

通过分析可以发现，组件的短路电流通常被认为严格地正比于辐照强度，在很低入射光强度下，效率损失更多并且更难预测；开路电压很强烈地依赖于电池温度，并随着温度升高而线性减少，通常定义为每升高一度组件效率下降0.5%[5]。

3.2 可折叠太阳能电池结构设计

本文在某微型纯电动车上设计了如图4所示的可折叠太阳能板结构，展开之后面积S可达车顶的3倍。通过行李箱横杆进行固定，实现一定遮阳能力，避免车辆被暴晒。

将每一块太阳能电池组件按面积分成4块或8块模组，每个模组由若干个电池单元串联输出24V的额定电压，模组与模组之间进行并联连接，以解决局部遮挡导致热斑及效率下降的问题。

考虑到太阳能电池的成组工艺和总装安装工艺的要求，其太阳能组件池的实际成组效率c只有80%左右。因此可得此太阳能发电阵列的最大额定输出功率Pmax为：

PAM1.5为规定标准的AM 1.5G辐照度，其值为1000 W/m2，是指典型晴天时太阳光照射到一般地面的情况。

4 太阳能充电系统控制器设计

由于动力池的电压远远高于光伏阵列的输出电压，若要实现光伏阵列对动力电池的充电功能，需要设计高升压比的升压变换电路。本太阳能充电控制器采用二级升压电路，一级升压采用最简单的Boost电路，将太阳能电池电压升高到一定电压等级，为二级升压作准备，并实现太阳能电池输出的最大功率跟踪；而二级采用半桥升压变换式隔离型电路给动力电池充电。

4.1 Boost升压电路及MPPT控制策略

根据2.2节分析的太阳能电池伏安特性，发现随着温度和辐照度的变化以及太阳能电池系统的整个生命周期（>25年）中的衰变，其最大发电功率的电压值存在很大范围的漂移。因此必须有相应的控制器对太阳能电池的输出进行调控，使得太阳能电池的电压和电流满足瞬时的太阳能电池最大功率点，同时保持输出电压和电流符合负载要求。这就引入了光伏最大功率追踪控制的概念，图6为控制电路拓扑图[7]。

整个Boost电路的输入电压由太阳能电池提供，MPPT控制器通过监控太阳能电池的电流信号ipv以及电压信号vpv，以使太阳能电池能够发出最多电量的最大功率算法控制PWM脉宽信号的变化，对M1、M2开关器件的占空比进行调整控制，实现输入、输出电压的调整，即

其中VO为系统输出电压；VPV为太阳能电池输出电压也是系统输入电压；D开关器件的占空比。

使太阳能电池始终工作在最大功率点附近，即

PPV为太阳能电池最大功率的功率，IPV为最大功率点的电流。

本研究采用根据功率与太阳能电池电压的倒数自适应调整占空比大小的自适应步长扰动观察法进行最大功率追踪[6]，为保证DC-DC升压电路的转换效率，最终将升压比设定为2，即D=2。其Boost电路能量转换效率一般η>95%。

4.2 隔离型二次升压电路设计

半桥变换器具有功率密度高，效率高的特点，本文采用半桥变压器来实现进一步的升压控制及电源隔离，其拓扑图如图6所示。

拓扑结构分析：输入电压VO；输出电压 Vbat；开关组件S1；开关组件S2；变压器T；分隔电容C1；分隔电容C2；原边线圈圈数Np；副边线圈圈数Ns1和NS2；理想整流二极管D1和D2；储能电容L；滤波电容C2。

半桥变换器在S1和S2各半周期内交替开关，成一完整周期，此完整周期在变压器原边线圈两端电压Vp上。S1导通且S2关断时的半周期为正压降；S2导通且S1关断时的半周期为负压降。S1和S2分别导通、关断时间相同，所以副边Vbat上呈现半周期重复且导通时间相同、大小相同的电压，定义占空比为D。

因此可得，半桥变换器电压转换公式：

已知BOOST电路输出VO=48V，隔离输出电压Vbat需求为110V，因占空比D不可能大于0.5，因此隔离变压器砸比取值1：10。

4.3 整车充电控制逻辑

太阳能充电系统在给整车的动力电池进行充电时须满足几个条件：（1）为保护电池，动力电池的温度H>3oC、电量SOC<95%时方可充电。（2）车载太阳能充电控制器在夜晚自动休眠，而白天检测到发电功率远大于整车上高压的耗电功率时，才能进行充电。（3）VCU和BMS实时监控充电状态，一旦出现不满足充电的情况即停止充电，整车处于下高压状态。

因此太阳能充电控制系统必须与整车进行CAN通信。

5 太阳能汽车发电系统理论计算及分析

5.1 国内太阳能资源分布

表2为中国部分城市日平均太阳能辐射小时数[7]，其大部分城市的日辐照小时数都大于4小时。

5.2 车载太阳能充电系统理论计算

本文研究的基础车型为某微小型纯电动车，其整车参数见表3。

其车顶面积为1.6平方米，由公式（1）计算得其额定发电功率为948w，而太阳能充电控制系统的电能转换效率η为：

以全国年日照平均小时数为2.84—6.7小时/天计算，其日平均充电量为2.46～5.79kwh。日平均可增加续航里程为25.6—60.4km，年续航里程增量为9340—22035km。

根据住建部城市交通基础设施监测与治理实验室发布的《2020年度全国主要城市通勤监测报告》，36个中国主要城市通勤空间半径在19～40km之间，城市平均通勤距离在6～11.1公里之间[8]。因此装有本文设计的太阳能充电系统的微小型城市代步车基本上可以满足一个月一次的充电桩充电或者几个月一充，甚至完全离开国家电网独立由太阳能发电运行。

6 结语

根据以上分析，可以得出装有此太阳能车载充电系统的汽车日平均发电量基本上可以满足城市市民的日常通勤需求，因此具有较强实际应用前景。

参考文献：

[1]李童馨，李周正，陈亮，等.汽车用太阳能发电遮阳装置研究[J].汽車实用技术，2019（18）：25-27.

[2]海涛，朱浩，石磊，等.一种带MPPT的车载太阳能充电系统设计[J].可再生能源，2015，33（1）：21-26.

[3]马咪，潘三博.太阳能电动汽车空调系统设计和节能性研究[J].上海电机学院学报 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，王文静等译.光伏技术与工程手册（原书第二版）.机械工业出版社，2019：252.

[6]Nicola Femia等著，杨波等译.光伏发电最大功率点跟踪控制技术.机械工业出版社，2016：47-48.

[7]中国气象局风能太阳能中心.2021年中国风能太阳能资源年景公报.（2022-04-28）[2022-04-28].http：//www.cma.gov.cn/2011xwzx/2011xqxxw/2011xqxyw/202204/t20220429_4796829.html.

[8]《2020年度全国主要城市通勤监测报告》发布[J].城市规划通讯，2020（11）：13-13.