三源三充太阳能客车动力系统的设计研究

刘 剑

(安徽安凯汽车股份有限公司, 合肥 230051)

太阳能客车是太阳能发电在客车上的应用，能够有效降低全球环境污染，随着全球经济和科学技术的飞速发展，太阳能客车作为一个产业已经不是一个神话[1]。而传统的太阳能客车存在以下不足：太阳能作为辅助能源，系统结构相对简单，太阳能利用率较低；采用太阳能电池板、蓄电池和电机构成的驱动系统,要经常在太阳能充电站充电，充电时间较长，续航里程较差；车辆启动阶段只由动力电池提供电能，启动速度慢，并且车辆启动时所需电流较大，大大缩短动力电池的寿命；制动回收能量时，动力电池储存效率较低。因此，为了提高太阳能转化效率，快速充电，同时提高电力系统总能量，增加续航里程，三源三充太阳能客车系统的研究是极其必要的。

1 三源三充太阳能客车动力系统基本构成

“三源”就是采用慢充能量型电池、太阳能电池板和快充功率型超级电容3种能源供给相结合的方式；“三充”就是太阳能电池板的光电转换的电能给快充功率型超级电容和慢充能量型电池充电；当超级电容充满后，利用电势差给慢充能量型电池充电，在制动时还可能量回收；闲置时外接交流电桩给快充功率型超级电容和慢充能量型电池充电。

三源三充太阳能客车动力系统有如下优点：优先给超级电容充电，避免损伤动力电池寿命；在使用超级电容时，太阳能系统对动力电池充电，大大提高充电效率；太阳能系统边行驶边充电，提高太阳能转化效率；超级电容和动力电池并用，提高电力系统总能量；车辆启动使用超级电容器，大大减小对动力电池的损害，同时使启动速度加快；制动能量回收时，超级电容储存电量较快，效率较高。但也有成本高、技术不够成熟、转换效率还不够高、速度慢、车内温度较高、太阳能电池板易破损，还受电池形状和安装位置限制等缺点。目前还在可研阶段，离量产还有一段时间。

三源三充太阳能客车动力系统的基本构成如图1所示。其中超级电容作为主驱动力之一，具有充电速度快，大电流放电能力强，能量转换效率高，过程损失小，循环使用寿命长，功率密度高，充放电线路简单，安全系数高，超低温特性好，使用环境温度范围宽(-40～70 ℃)等优点[2]。

图1 系统的基本构成

2 三源三充太阳能客车动力系统的计算

2.1 电动机功率匹配

电动机的最大功率应满足整车的最大功率需求,但实际行使过程中,最大功率工作时间很短,所以一般以整车平均速度35 km/h的功率为基点,同时满足过载能力≥2的过载条件。经计算，取电动机额定功率为80 kW,峰值功率Pmax为135 kW。

2.2 动力电池选择

车载动力电池为576 V，3并180串，充电时间为8～10 h，最大速度68 km/h，续航里程360 km。则动力电池供电时间t=360/68=5.29 h，取为5 h，动力电池的容量为375 Ah，7箱动力电池包串联起来，根据以上要求，可以得出充电电流I=375 Ah/8 h= 46.875 A；则动力电池的功率P=576 V×46.875 A= 27 000 W≈27 kW 。

2.3 超级电容选择

一个单体是3 000 F，28串之后就是3 000/28=107 F，8个电容模组再串联就是107/8=13.4 F，每个单体电容电压范围是1.35～2.7 V，8个电容模组总电压约为600 V，以便超级电容充满电后再给动力电池充电，可缩短充电时间。

2.4 太阳能电池板选择

太阳能电池板技术参数[3]:峰值功率Pm为260 W，工作电流Im为5.38 A，工作电压Um为48.33 V，短路电流In为5.92 A，开路电压Un为57.8 V，环境温度为-40 ℃，动力电池供电时间及年日均光照时间5 h。设太阳能电池串并联效率为0.9，则需太阳能电池数目n=Pmax/0.9Pm=135/(0.9×260)=576个。

太阳能电池的连接方式分为串联和并联，连接过程中要考虑浮充电压Uf，Uf即为在充电装置的直流输出端始终并接着动力电池和负载,以恒压充电方式正常运行时，充电装置承担经常性负荷的同时向蓄电池补充充电，以补偿蓄电池的放电UF=Uf+Ut+Ud，其中：Uf为动力电池的浮充电压,Ut为因温度升高而引起的太阳能电池板的电压降,Ud为因线路损失而引起的电压降。

由Uf=672 V，Ut=0.052 V，Ud=1 V，得串联片数N=UF/Uc=673.052/57.8=11.6，取N=12，式中Uc为太阳能电池组件的开路电压。

太阳能电池板的安装排列是6块，所以并联片数为：总片数/串联片数=576/(12×6)=8，即将12个单体串联为一组，8组并联。所以太阳能电池板规格选为：12×8，车顶安装96×6=576个标准太阳能电池板(12.5 cm×12.5 cm)，组合成48个组件，单晶硅太阳能电池组件(1 600 mm×1 070 mm×50 mm)额定峰值功率为260 W，所得太阳能电池板阵列的峰值功率为24.96 kW。

3 三源三充太阳能客车动力系统的布置

三源三充太阳能客车是将超级电容和动力电池作为主要驱动能源的客车，在能量存储上相对传统的太阳能客车多了较多的超级电容，系统组件的合理布置是核心技术[4]。该动力系统布置原则是：模块化、标准化、轻量化、柔性化、高防护，并符合碰撞安全性要求[5]。

整车动力电池箱和超级电容箱的布置，符合散热、通风、防水、防火、防尘、二次绝缘处理[6]等设计要求；对所有与高压母线相连的各分路进行了高压互锁设计处理，实施有效的安全措施[7]。

本文重点介绍太阳能电池系统的布置。如图2所示，将6块太阳能光伏电池板安装在客车顶部，由于太阳光照会影响太阳能的发电利用率，而采用太阳能自动跟踪系统[8]和太阳能电池最大功率跟踪技术[9]是提高太阳能利用率卓有成效的方法。此处采用太阳能自动跟踪系统，其原理如图3所示。该自动跟踪系统结构简单、成本低，能使太阳能电池板从日出到日落始终垂直对准太阳，而且在跟踪过程中能自动记忆和更正不同时间的坐标位置，不必人工干预，特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况，有效地提高了太阳能的利用率,有较大的推广应用价值。

图2 太阳能光伏电池板安装分布图

图3 太阳能自动跟踪系统原理图

4 工作原理和控制策略

4.1 工作原理

太阳能光伏电池板对太阳辐射能进行转换，通过电容柜、配电柜向超级电容和动力电池充电，再通过电容柜、配电柜给电机输送电能，带动客车行驶。当需要动力输出时，可根据实际情况决定由哪种电源输出电压，当一种电源电压不足时，由另一种电源自动提供电压，也可两种电源同时供电；当太阳能光伏电池板不足以提供发电时，由外接充电口直接给超级电容和动力电池充电。该动力系统由控制线将各个部件连接进行反复循环控制，以驱动电机带动车辆运行。

4.2 控制策略

图4为三源三充太阳能客车动力系统的高压布线原理图。根据能量流动的不同，行驶模式也不同，车辆在运行过程中，为了能最大限度地适应行驶状况，系统的控制策略如下：

1) 超级电容模式。太阳能光伏电池板对太阳辐射进行光电转换，给超级电容输入能量，将电力储存起来，再由超级电容箱将电力传输到电机来驱动电机带动车辆行驶。此驱动模式在客车启动、爬坡或者加速时，利用超级电容大电流放电能力强，能量转换效率高的特点来保证车辆行驶在最佳状态,同时，根据技术参数设计超级电容管理系统的策略，防止超级电容早期衰减和损坏。

图4 系统的高压布线原理图

2) 纯动力电池模式。太阳能光伏电池板进行光电转换，给动力电池输入能量，将电力储存起来，再由动力电池箱将电力传输到电机来驱动电机带动车辆行驶。此驱动模式在客车行驶相对稳定或者匀速的情况下，动力电池在最佳输出功率范围内，且动力电池的荷电状态水平较高[10]。

3) 超级电容为动力电池充电模式。利用超级电容的特性，车辆设计时采用超级电容总电压高于动力电池总电压的模式，在阳光充足的地区，太阳能优先给超级电容充电，当其电量储存满了后，超级电容的电势高于动力电池，此时能量从超级电容流向动力电池内，同时太阳能系统采用适当的电流对动力电池充电,大大缩短充电时间。

4) 停车充电模式。当阳光不足以提供发电时，由市电外接充电口直接给超级电容电池和动力电池充电。

5) 制动动能回收模式。车辆制动时，车轮的动能被回收并转化为电能，通过电机回馈给超级电容电池。

6) 动力电池自加热管理模式。车辆在天气寒冷时启动或者行驶，温度传感器发出信号，整车控制器接受信号后，连接电源开关，动力电池内部通过加热电阻使动力电池内部温度升高，当电池温度达到0 ℃时，断开电源，电池电流以正常方式运行。

7) 太阳能充电模式。无论是行车还是停车状态，太阳能系统转换的多余电量优先给超级电容充电，储存满了后再给动力电池充电，此时超级电容也会给动力电池充电，当电量不足时，太阳能系统停止给动力电池充电，切换成给超级电容充电的控制策略。

8) 超级电容箱和动力电池箱并联模式。加大电力系统总量，增加里程数。

5 结束语

目前，本项目还处于立项阶段，先对理论数据进行仿真，样车还未试制出。三源三充太阳能客车为我国破解传统的太阳能客车推广之困提供了新思路，可以预见，在不久的将来这种三源三充太阳能客车将会随着科学技术的进步，成本不断下降而大行其道，成为客车市场的主流产品，也会占有相当的市场份额并将不断扩大。

参考文献：

[1] BP集团.BP世界能源统计年鉴(2012年6月)[R/OL〗.(2012-06-01)[2018-02-12].https://www.bp.com/zh_cn/china/reports-and-publications/bp_2012.html.

[2] 李玉鹏，周时国，杜颖颖.超级电容器及其在新能源汽车中的应用[J].客车技术与研究，2014，36(2)：41-44.

[3] 赵玉东.太阳能电动车动力系统参数匹配及仿真研究[D].长春:吉林大学，2007.

[4] 范宗武，王波，林伟.电动客车动力电池的装配容量与整车轻量化的关系[J].客车技术与研究，2012，34(4)：23-25.

[5] 郜效保.微型纯电动汽车电池包结构设计与碰撞安全性研究[D].长沙:湖南大学，2016.

[6] 代国玉.KLQ6129GQEV2纯电动客车总体设计[J].客车技术与研究，2012，34(6)：21-23.

[7] 陈碧毅.纯电动城市客车动力电池防火应用方案[J].客车技术与研究，2017，39(1)：37-39.

[8] 闫秋娟，蒋猛.太阳能电池板自动跟踪装置的研究进展[J].科技创新与应用，2013(14)：14-15.

[9] 李春芳.太阳能电动车关键技术研究[D].长春:吉林大学，2011.

[10] 杜小娟，易灵芝，彭海成，等.基于超级电容器的太阳能汽车储能系统研究[J].计算技术与自动化，2013，32(1)：55-59.