太陽能在房車上的設計與應用

陳 杰

(廈門金龍旅行車有限公司， 福建 廈門 361022 )

隨著太陽能技術的不斷發展和應用，將太陽能供電系統直接應用于房車,為新能源汽車的開發與應用提供一種新的方案。傳統的房車供電方式：一是外接電源直接供電；二是充分利用汽車蓄電池存儲電能供電；三是配備發電機以便隨時供電[1]。外接電源供電極大地限制了房車的?？繀^域，影響了房車電器的持續使用；使用蓄電池供電同樣存在著電量使用受限、電池壽命短的弊端；發電機供電雖然可以圓滿地解決前兩者存在的問題，但由于發電機本身的重量、體積、燃料、噪聲等因素，在房車的整體設計過程中增加了房車配重、物件位置的布置等方面的難度[2]。為了解決這些問題，我公司開啟了新的探索，將太陽能技術應用于房車。經過多次試驗，終于完成了將太陽能供電系統直接應用于房車的一種新型設計。

1 太陽能供電系統的設計方案

1.1 太陽能供電系統組成

太陽能房車如圖1所示，其供電系統包括鋰離子蓄電池(以下簡稱蓄電池)，以及與蓄電池分別連接的太陽能充電電路和市電充電電路[3]。在通常狀況下，太陽能充電電路對蓄電池進行充電，由蓄電池對車載用電器供電。太陽能充電電路將太陽能板采集到的太陽能轉化為電能，經過超級電容匯集流入到太陽能控制器處理后可直接對蓄電池組進行充電，蓄電池經過DC/AC模塊處理后再輸出到房車上的各用電器，保證各用電器能正常工作。在特定情況下，由市電充電電路對蓄電池和車載用電器供電。市電充電電路是由380 V市電電源直接供給。市電經過直流充電樁直接對蓄電池組進行充電，在充電控制器檢測到市電充電電路工作時，自動切斷太陽能充電電路對蓄電池充電[4]。該供電系統將太陽能轉化成電能存儲在房車蓄電池中，待蓄電池組充滿電，再經過變壓器轉換后連接到房車上的各個用電器。

圖1 我司研發設計的新型太陽能房車

1.2 太陽能板的布置與線路設計

太陽能供電系統的光能收集系統由28塊單晶硅太陽能板并聯構成，分別布置在車身頂部蒙皮上和車身左側窗處?？紤]到還要裝空調和逃生窗等，所以車身頂部只安裝7塊太陽能板，將太陽能板粘接在頂蒙皮上，并避開空調外機和逃生窗位置。車身左側窗處取消傳統的側窗玻璃，改用2 mm厚的鐵蒙皮代替后，再將太陽能板直接粘接在鐵蒙皮上面?？紤]到采光問題，右側仍然保持傳統的側窗結構不變[5]。排列順序如圖2所示。

圖2 房車太陽能板分布位置圖

單個單晶硅太陽能板峰值電壓為18.8 V，峰值電流5.58 A，峰值功率103.4 W，開路電壓23.76 V，短路電流5.95 A。太陽能板之間采用牢固的MC4連接器連接，因連接器尺寸偏大，車體內部結構件上開孔的尺寸不能滿足，故需等線纜安裝到位后再進行連接器裝配。太陽能控制器的輸入電壓在DC 100～500 V之間都可以正常工作。如果在側面背光等光照條件比較差的情況下，僅有頂部太陽能板能正常采集到太陽光，輸出電壓較低[6]。如果能將側面太陽能板做成角度可調的機構，則可以大大增加太陽能板的發電效率。太陽能板采用串聯方式接入太陽能控制器，在采集和匯集太陽能的過程中BMS起了主要的控制作用。

2 蓄電池及其管理系統

2.1 蓄電池系統設計及布置

本次設計的蓄電池系統由10個電池箱并聯構成。1個電池箱由5個電池模組串聯組成，1個電池模組又由20個電芯串聯組成。為了使車上的用電設備能夠正常運行，需保證串聯后的單個電池模組電壓在250～365 V之間，規格為320 V/100 Ah，總能量32 kW。每組電池模組的循環壽命大于1 500次，從而延長太陽能系統的使用壽命[7]，電池箱組成如圖3所示。

圖3 電池箱組成示意圖

考慮到房車空間的限制，電池箱放置到車上后，車體的配重左右兩邊承載重量要相當(左右兩側放置的箱體重量要均衡，不能出現一邊重一邊輕的情況)。因此整車的電池組及控制模塊需要均勻分布安裝在房車的行李艙內，前輪行李艙內放置所有控制柜和4個電池箱單體，后輪前面的行李艙內放置6個電池箱單體。為了增加行李艙的骨架強度和防止電池箱被撞擊的情況發生，艙門立柱采用了高強鋼材料，并且在電池箱外面再增加若干防撞梁來保護電池箱[8]。

2.2 BMS管理系統

BMS除具備電池系統總壓采集、單體電池電壓采集、溫度采集、電流采集、絕緣監測、風扇控制、加熱控制等基本功能外，本系統還開發了主動均衡、遠程監控、容量管理、充電管理、配電管理等高級功能[9]。BMS由主控模塊BMU(Battery Management Unit)、采集均衡模塊BSU(Battery Sample Unit)、顯示模塊BDU(Battery Display Unit)(可選)組成。主控模塊BMU通過CAN接口與采集模塊進行高速通信，并對蓄電池組數據進行實時采集分析，動態制定蓄電池管理策略，通過熱管理、主動均衡管理、充電管理、放電管理、邊界管理等手段控制蓄電池在合適的工況工作，同時與整車總線系統及充電機進行信息交換。BMS具有豐富的外部接口，能夠滿足多種場合的應用需求，這些接口包括：電壓采集輸入接口、溫度采集輸入接口、風扇控制輸出接口、加熱控制輸出接口、 CAN2.0接口、RS485接口、USB接口、GPRS無線接口、干接點輸出接口、開關量采集輸入接口、電流高速采集輸入接口、高壓信號采集輸入接口。

2.3 蓄電池充放電控制方式及改進

白天太陽能發電優先供給負載使用，多余的電量補充進蓄電池中；夜間沒有太陽能發電，用戶可接充電樁對電池模組進行充電。太陽能供電系統正在充電時，如果系統檢測到有充電樁接入，會自動斷開太陽能充電端；當充電槍拔出時，系統會自動切換到太陽能充電[10]。本蓄電池系統還設置一個總電源開關，只有將開關合上時，系統才會運行。當市電充電電路未接入市電電壓，用電器正常使用情況下，蓄電池系統可以提供續駛時間為3～5天的電量。當白天太陽光照射比較強烈的時候，可以移動房車的位置使房車上的太陽能板盡量與太陽直射光線垂直，保證太陽能充電電路工作對蓄電池充電，從而有效延長房車蓄電池系統的供電時間。

經過多方面數據報告分析，發現目前太陽能供電設備的電池易損壞的兩大原因：一是大電流放電；二是電能不足的情況下強制放電造成的過放電現象[11-12]。為了避免這兩種情況發生，蓄電池的充放電控制方式是由BMS系統自動檢測到2個電池模塊的總電壓，選擇總壓高的電池箱優先放電，當其中一個電池箱放電快結束時，會自動切換到第二個電池箱放電；2個電池箱輪流放電，這樣就能保證負載供電不中斷。

3 結束語

房車太陽能供電系統在房車上的電力配給形式突破了傳統的利用外接電源和發電機發電的供電方式，將太陽能轉化成電能直接存儲在房車蓄電池系統中，以便在房車斷開外接電源或不配備發電機的情況下，由蓄電池儲存的電能為房車中的各個用電器供電，進而實現房車供電的續駛時間長，轉換效率高，使用便捷等優勢。