太阳能在电动汽车上的应用设想

　　一 引言

　　随着社会经济的迅猛发展，近年来能源短缺与环境污染已成为一个不容忽视的问题，而燃油汽车的普及令这一问题更加突出。与日俱增的能源与环境压力迫使人们以前所未有的精力开展对现有燃油车的改造以及对混合动力汽车和纯电动汽车的研究与开发。

　　太阳能是最为清洁环保的能源之一，将太阳能应用在汽车上将以零污染的形式获得能量，具有巨大的社会意义。现阶段鉴于太阳电池的转换效率较低，一般车载太阳电池板的输出功率不起过1kW，达不到作为动力能源的要求，但是却可以应用于燃油汽车的启动型蓄电池充电及行车状态时的12V母线供电。太阳电池对蓄电池的充电可以充分保证车辆不会因为长时间停车而耗干电池，从而避免车辆因蓄电池没电而出现启动困难的状况。太阳电池参与车身12V母线供电时，可以减小发动机的负载，达到节油的目的。对于混合动力车辆与纯电动车辆，车辆的行驶以及车载空调、影音等设备的供电完全依赖于动力电池存储的电能，引入太阳电池后，在行车过程中太阳电池可以参与车身12V蓄电池的充电以及对12V母线供电，减小动力电池的消耗，停车后其现有的输出功率在电池管理器与开关板的配合下，可以完成对汽车动力电池的均衡充电，使电池具有较好的一致性，达到延长电动车辆行驶里程与电池寿命的效果，具有巨大的实用效益。

　　二太阳能在燃油车上的应用设计

　　燃油车上安装太阳电池板的最佳位置是车顶，可以最大程度地获得太阳能。燃油车在现有基础上增加太阳能板块较容易实施。其需要增加的部件主要是一个太阳电池板与一个DC/DC变换器。燃油车太阳能系统工作示意图如图1所示。DC/DC模块由太阳电池板供电，采用开关电源形式设计，具有宽电压输入、变换效率高以及输出稳定的特征。由于太阳电池的输出电压不高，可以设计成为非隔离式，而DC/DC模块可以设计得很小，效率也较隔离式高很多。

　　当太阳光线充足时，DC/DC变换器将参与供电；而太阳光线不足时，由于DC/DC变换器由太阳电池板供电，其在太阳电池板输出不足时会自己停止工作，因此整个太阳能模块不会消耗汽车的任何电能。

　　三太阳能在电动汽车上的应用设计

　　纯电动汽车是未来汽车发展的一个主要方向，也是混合动力汽车的终极发展目标，因此，研究太阳能在纯电动汽车上的应用具有前瞻性与实用价值，这也是本文研究的主要内容。

　　1太阳能系统的应用前提

　　纯电动汽车使用车载动力电池供电，通过电机控制器获得合适的电压和电流，从而驱动电动机使整车获得合适的动力。动力电池一般由多组电池串联组成，目前基本上是由锂电池组成，每个锂电池的电压约为3.7V，整个动力电池组由100节左右的锂电池串联组成。为了保证停车后车载防盗报警器、无线钥匙感应系统等设备的运行，以及行车后整车12V低压母线的供电，电动汽车除了动力电池外，与燃油车一样也配有一个12V的电池组。由于动力电池是由很多个单节电池组合而成，而且采用的是串联的模式，因此对电池的一致性提出了很高的要求。

　　电动汽车必须具有动力电池管理器，以便对动力电池的状态实施实时监测，对每个电池的电压、工作电流、剩余容量、是否漏电、是否过温等信号实现监控。

　　2太阳能系统方案选择

　　电动汽车的动力由电动机提供，在行驶过程中，由于电动机的输出功率时刻在变化，而且还伴随着一些刹车与下坡时的能量回馈等因素，必然会造成动力电池组的电压波动，而且由于电动机是感性元器件，因此电压的波动较大。根据此特征，太阳能模块的输出有两种方案可供选择。

　　第一种方案：采用升压DC/DC，将太阳电池板输出的电压经DC/DC变成330V的高压直流，直接给整个动力电池组充电。

　　第二种方案：采用降压型DC/DC，将太阳电池板输出的电压变成12V的低压，通过使用电池管理器监控电池的状态，控制开关板的开关状态，完成对某些电压、剩余电量较低的电池的充电，以达到增加续航里程的目的。系统中开关板使用集成光电开关（光MOS管），成本较低，原理如图2所示。在开关板内有12V转4.2V的小模块，以提供合适的电压给单节电池充电。

　　第一种方案由于采用升压，而且是330V的高压，因此DC/DC的设计必须考虑到安全性的问题，应采用隔离式设计。第二种方案由于使用的是低压，因此DC/DC可以采用非隔离的形式。相比第一种，非隔离式具有更高的效率，而且省却了隔离变压器，制作成本更低。由于第一种方案是对整个电池组充电，基本上不能提高电池特性的一致性；第二种方案由于采用开关板对单个电池进行单独充电，因此可以较好地提高电池的一致性。

　　综合各方面优劣比较，设计的整个系统采用第二种方案。尽管相比第一种方案增加了一个开关板，但是由于工作更加安全可靠，效率更高，而且DC/DC的设计更加简单经济，相比之下，其实际效果无论是从经济上还是从实用上都要大大优于第一种方案。

　　3太阳能系统工作状态

　　鉴于电动汽车在行驶与停止状态时电池组的电压变化并不相同，因此，太阳电池在电动汽车中的工作状态也分为两种情况：停车状态与行车状态。

　　在行车状态时，由于动力电池两端的电压变化较大，无法准确判断电池的特性，也就无法确定为哪一节电池充电，此时整车的12V母线电压是相对稳定的，因此，在行车状态中电动车的太阳能模块的工作模式与燃油车类似，其能量主要是提供给整车12V母线。但是在电机停止运转时，动力电池的电压变化很小，此时，太阳能模块的输出主要是给动力电池组中容量较低、特性较差的电池充电。太阳能模块在电动车中的工作示意图如图3所示。

　　值得注意的是，电池管理器在行车时是从整车12V母线获得电能而工作，从而确保行车的安全。而在停车状态下，为了保证充电的有效性，电池管理器的电能由太阳能模块提供，当太阳能模块提供的能量不足时，会自动停止工作，如果使用12V蓄电池供电，会造成蓄电池电能的浪费，甚至会耗干蓄电池的电量而导致一些故障出现，如无法启动等（电动车在启动前，一些如电机控制器里面的IC需要提前有电能供应）。

　　在电动汽车的设备中，不管是否使用太阳能模块，电池管理器都是不可或缺的部件之一，因此，加装太阳能模块后，为了使电池管理器与太阳能模块协同工作，仅需要对电池管理器的软件做一些调整即可，基本上没有硬件成本的增加。对于开关板，由于工作在低压范围，并且只在停车状态下才会使用太阳能模块对电池进行充电，不会有很高的电压尖峰出现，因此对于开关板的集成光电开关IC的选型要求并不是很高，成本也不高。

　　在电动车上增加太阳能模块，并以开关板类似于选通的工作方式来均衡电池的特性，具有非常实用的价值。对于电池的特性，由于工艺问题不可能做到完全一致，电池的一致性将直接影响到整车的使用年限与续航路程。使用太阳电池对少数一致性不好的电池进行单独充电维护，不仅实施起来简单，而且具有不错的效果。

　　四 结论

　　本文设计的太阳电池模块的应用涉及到电力电子中的开关电源技术、汽车控制技术、单片机技术和锂电池充放电特性等多个方面，重点对太阳能模块在电动汽车上的应用及其相应的控制策略做了研究，对于将来太阳能在汽车上的应用具有一定的理论和工程参考价值。