太陽能增程式電動輕卡開發設計與試驗研究

賓仕博 韋尚軍 謝鵬鵬 高停 李世強

摘要：本文針對純電動輕卡續航里程不足問題，開展太陽能增程式電動輕卡設計及試驗研究。在某品牌電動輕卡上設計加裝四塊A 級單晶硅光伏板，通過MPPT 技術和能量管理合理分配給整車續航充電，最終通過整車路試試驗分析太陽能光伏板發電量有效利用率，以及整車續航里程隨光照強度和溫度變化規律。試驗結果表明，太陽能光伏板發電量最大有效利用率達到96.6%，每天續航里程增幅最低10%，最高達19%；相同條件下，整車續航里程隨光照強度和溫度呈近線性遞增關系。

關鍵詞：太陽能增程式；續航里程；電動輕卡；光照強度；溫度

中圖分類號： U469.72 文獻標識碼：A

0 引言

隨著“雙碳”政策的推進實施和疫情后中短途城配物流的需求增大，電動輕卡在商用車市場迎來了發展的春天。電動輕卡產品技術日趨成熟，但續航里程不足仍然是其快速發展的最大瓶頸[1-2]。電動輕卡行駛至放電末端，車輛因電量不足無法正常行駛而求助于拖車，或司機對充電樁焦慮恐慌現象時有發生[3]。

市場上通常使用更大容量的電池包來增加續航里程，此技術不僅需要重新布置電池包的位置，還造成整車質量超重，直接帶來成本增加[4-5]。采用發動機- 發電機組作為汽車增程器輔助系統，在電池電量耗盡前采用電力輔助裝置發出電能來提高整車續駛里程，可以解決純電動汽車續航問題[6-8]。

美國通用汽車雪佛蘭Volt 采用邏輯門限值整車能量控制策略，通過設定不同的動力切換模式，車輛行駛初始階段采用純電動模式，當電池電量 SOC 消耗至初始狀態的30% 時，輔助發電機組發電給動力電池充電，續航里程達到 570 km[9]。理想ONE采用大電池小發動機技術路線，搭載40.5000 kW · h 的三元鋰電池組，匹配1.2T 三缸發動機和容量為45 L 的油箱，續航里程超過800 km。除此之外，國內市場還有傳祺GA5、比亞迪秦、榮威550plug-in 以及北汽E150EV 等增程式汽車品牌，續航里程均能達到比較理想的目標[10]。

這種發動機- 發電機串聯增程式技術在一定程度上可以解決續航里程問題，但因為還需消耗化石能源，能耗上未能真正達到零排放。因此，清潔能源增程式技術開始得到關注和研究。豐田汽車在其首款純電動 SUV 上配置可選裝的太陽能充電穹頂，直接給車載動力電池充電，每年可以增加1 750 km 的行駛里程[11]。

荷蘭Lightyear 公司最新發布的太陽能電動汽車Lightyear0，通過配置5 m2 太陽能電池板，每天在不充電的情況下可行駛約70 km，在天晴情況下可連續行駛7 個月無需額外充電[12]。太陽能電動車增程式技術基于電動車能源系統的復合拓展，通過太陽能光伏板轉化為電能，可直接給動力電池充電或為系統負載提供電源。這種增加續航里程的方式在技術上可行，并且在短途物流配送的商用車輕卡市場上具有較大的推廣意義[13-14]。本文基于某電動輕卡，設計加裝4 塊A 級單晶硅太陽能發電板給動力電池包進行充電，通過整車路試試驗研究太陽能光伏板發電量有效利用率及整車續航里程變化規律。

1 太陽能增程式電動輕卡設計

1.1 太陽能光伏發電系統設計

將4 塊漢能集團A 級單晶硅太陽能光伏電池板并聯安裝在某商用純電輕卡L2EV 車頂上，通過光伏電池板吸收太陽光照轉換成電能向控制器輸入，在控制器儀表上可以查看光伏電池板的實時發電量，并調節輸出電壓與電池包電壓保持一致，從而穩定給動力電池包充電，實現增加續航里程（圖1）。整車主要參數如表1 所示。

太陽能增程式電動輕卡工作原理如圖2所示。整個發電系統主要由光伏發電板、DC/DC 轉換器、太陽能控制器以及動力電池包4 大部分組成。因為太陽能光伏電池輸出電壓為單向非線性，配置單向DC/DC 轉換器模塊，通過調節DC/DC 模塊配合的占空比和MPPT 控制技術，確保得到持續穩定的輸出電壓[15]。

式（1）和式（2）中：Ppv （t ） 為t 時刻單位面積光伏電源的輸出功率數值，單位kW ；PSTC 為單位面積光伏電源在標準測試條件（ 太陽輻射度為1 000 W/m2，環境溫度為25℃ ） 下的輸出功率數值，單位kW ；GC （t ） 為t 時刻的太陽輻射度數值，單位W/m2 ；GSTC 為標準測試條件下的太陽輻射度數值，單位W/m2 ；k 為功率溫度系數；TC （t ） 為t 時刻光伏組件表面溫度數值，單位℃ ；TSTC 為標準測試條件下的環境溫度數值，單位℃；Ta （t ） 為t 時刻環境溫度數值，單位℃ ；TNOC 為光伏組件額定電壓工作溫度數值，單位℃。

按標準的太陽光照強度和溫度條件輸入公式（1），得到單塊太陽能光伏電池板的發電功率為1.5 kW，電壓為150 V。將此發電量向太陽能控制器輸入，使電流流向太陽能控制器?？刂破魍ㄟ^CAN 總線與電池管理系統（BMS）調節電壓電流，將150 V 的電壓升高至動力電池包的充電電壓給動力電池充電。動力電池通過電機控制器（MCU）的IGBT 功率模塊向電動機提供電能。

1.2 整車能量管理系統設計

整車能量管理系統原理如圖3 所示。能量控制邏輯為：當電池電量處于滿電狀態，整車為純電動行駛模式，能量動力模型為“電池—電動機（減速機構）—車輪”；饋電狀態時（≤ 95%），整車進入太陽能增程模式工作。太陽能光伏發電系統啟動，通過算法產生控制開關管理的 PWM 脈沖信號來調節電路的占空比，控制單向DC/DC 變換器的MOSFET 晶體管。再使用MPPT 技術捕捉最高功率點，使光伏電池與系統的電壓等級相匹配，得到持續穩定的最高輸出功率[17]。在這種情況下，增程式電動汽車可以看成是一種串聯式混合動力系統的工作模式，即：太陽能光伏電板—發電機—電池—電動機（減速機構）—車輪。

1.2.1 行駛工況

（1）低壓蓄電池提供12 V 電壓喚醒BMS，BMS 實時檢測太陽能系統報文。若無相關通訊，BMS 報故障異常，禁止充電；太陽能系統同時也實時檢測BMS 報文，若無相關通訊，太陽能系統報故障異常。

（2）兩者通訊交互正常，車輛行駛過程，BMS 周期發送電池SOC、可允許充電電壓、允許充電電流、溫度和故障等報文信息，并向太陽能控制器發送指令：0x00 禁止充電。

（3）此時太陽能繼電器K3/K4 斷開，主負繼電器K1 和主正繼電器K2 閉合。車輛通過動力電池提供電能向驅動電機供電，驅動車輛行駛。

1.2.2 充電工況

（1）太陽能控制器喚醒無異常且交互正常，BMS 周期檢測并發送電池SOC、可允許充電電壓、允許充電電流、溫度和故障等報文信息。太陽能控制器接受BMS 發送報文信息后，如電池SOC ≥ 95% 或有故障，則發送BMS-CMD 指令：0x00 禁止充電。

（2）當車輛SOC ＜ 95%，車速為0 km/h，電機轉速為0 r/min，驅動擋位處于P 擋，電池系統無輸出功率請求，整車處于OFF 擋時，太陽能控制器接收到BMS 發出的報文信息并判斷無故障條件后，太陽能控制器向BMS 發送指令：0x01 請求充電。

（3）BMS 檢測自身參教及故障狀態，閉合主負繼電器K1，主正繼電器K2 保持斷開，開始向太陽能控制器發送BMS 指令：0x01 允許充電。

（4）太陽能控制器持續檢測BMS 報文，接收到允許充電，開始閉合太陽能系統K3/K4 繼電器，并發送充電電流和充電電壓值。太陽能控制器檢測溫度和光照強度等信息，計算分析后按控制器充電Map 補能充電。

（5）當電池SOC 達到100% 或檢測到故障（含硬件斷開）等異常，太陽能控制器發送請求停止充電指令： 0x02 進入下電狀態。太陽能繼電器K3/K4 斷開，主負繼電器K1 斷開，充電結束。如有異常則發送相關故障代碼至BMS。

（6）如太陽能控制器持續發送5 s 內BMS 未接收到停止充電請求，可在5 s 后自動斷開K3/K4 繼電器結束充電，并發送故障異常，充電結束。

2 整車測試與試驗驗證

選擇日光照時間較長的夏天連續開展7 天實車路試，每天測試時間從8：00 ～ 20：00。整車滿載以 60 ～ 80 km/h 的車速行駛，SOC 從100% 直至10%，其他條件均保持一致，測試太陽能光伏電池板發電量有效利用率和續航里程變化情況，同時記錄天氣溫度范圍、光照強度和發電數據等（表2）。其中，太陽能光伏電池板發電量有效利用率等于有效使用發電量（功率分析儀讀?。┏詫嶋H發電量（控制器表盤讀?。?。

從表2 的試驗記錄數據， 可以計算得到太陽能光伏電池板發電量有效利用率達到96.6%，說明太陽能發電除了少量的自身耗損之外，基本全部用于整車驅動。同等試驗條件下，與沒有安裝太陽能光伏發電的續航里程198 km 相比，安裝太陽能光伏發電板實現了19 ～ 37 km/ 天的里程增程，續航增幅最低10%，最高能達到19%。

由式（1）可以看出，最大光照強度和溫度是影響光伏發電的兩個最主要因素。保持同等試驗條件下，研究最大光照強度和溫度對發電量的影響規律。圖4 為發電量隨最大光照強度變化規律，圖5 為發電量隨溫度變化規律，由圖4 和圖5 可以看出，太陽能光伏系統發電量隨光照強度和溫度增大呈近似線性遞增關系。同理，本文設計的太陽能增程式電動輕卡續航里程隨光照強度和溫度增大呈近似線性遞增關系。

3 結束語

本文采用的太陽能增程式電動輕卡設計開發路線技術可行。同等試驗條件下，與沒有安裝太陽能光伏發電的續航里程相比，安裝太陽能光伏發電板實現了19 ～ 37 km/ 天的里程增程，續航增幅最低10%，最高能達到19%。本文采用的太陽能光伏電池板發電量有效利用率達到96.6%，太陽能增程式電動輕卡續航里程隨光照強度和溫度增大呈近似線性遞增關系。

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作者簡介：

賓仕博， 博士， 高級工程師，研究方向為新能源汽車動力系統設計、智能網聯汽車。