太阳能在房车上的设计与应用

陈 杰

(厦门金龙旅行车有限公司， 福建 厦门 361022 )

随着太阳能技术的不断发展和应用，将太阳能供电系统直接应用于房车,为新能源汽车的开发与应用提供一种新的方案。传统的房车供电方式：一是外接电源直接供电；二是充分利用汽车蓄电池存储电能供电；三是配备发电机以便随时供电[1]。外接电源供电极大地限制了房车的停靠区域，影响了房车电器的持续使用；使用蓄电池供电同样存在着电量使用受限、电池寿命短的弊端；发电机供电虽然可以圆满地解决前两者存在的问题，但由于发电机本身的重量、体积、燃料、噪声等因素，在房车的整体设计过程中增加了房车配重、物件位置的布置等方面的难度[2]。为了解决这些问题，我公司开启了新的探索，将太阳能技术应用于房车。经过多次试验，终于完成了将太阳能供电系统直接应用于房车的一种新型设计。

1 太阳能供电系统的设计方案

1.1 太阳能供电系统组成

太阳能房车如图1所示，其供电系统包括锂离子蓄电池(以下简称蓄电池)，以及与蓄电池分别连接的太阳能充电电路和市电充电电路[3]。在通常状况下，太阳能充电电路对蓄电池进行充电，由蓄电池对车载用电器供电。太阳能充电电路将太阳能板采集到的太阳能转化为电能，经过超级电容汇集流入到太阳能控制器处理后可直接对蓄电池组进行充电，蓄电池经过DC/AC模块处理后再输出到房车上的各用电器，保证各用电器能正常工作。在特定情况下，由市电充电电路对蓄电池和车载用电器供电。市电充电电路是由380 V市电电源直接供给。市电经过直流充电桩直接对蓄电池组进行充电，在充电控制器检测到市电充电电路工作时，自动切断太阳能充电电路对蓄电池充电[4]。该供电系统将太阳能转化成电能存储在房车蓄电池中，待蓄电池组充满电，再经过变压器转换后连接到房车上的各个用电器。

图1 我司研发设计的新型太阳能房车

1.2 太阳能板的布置与线路设计

太阳能供电系统的光能收集系统由28块单晶硅太阳能板并联构成，分别布置在车身顶部蒙皮上和车身左侧窗处。考虑到还要装空调和逃生窗等，所以车身顶部只安装7块太阳能板，将太阳能板粘接在顶蒙皮上，并避开空调外机和逃生窗位置。车身左侧窗处取消传统的侧窗玻璃，改用2 mm厚的铁蒙皮代替后，再将太阳能板直接粘接在铁蒙皮上面。考虑到采光问题，右侧仍然保持传统的侧窗结构不变[5]。排列顺序如图2所示。

图2 房车太阳能板分布位置图

单个单晶硅太阳能板峰值电压为18.8 V，峰值电流5.58 A，峰值功率103.4 W，开路电压23.76 V，短路电流5.95 A。太阳能板之间采用牢固的MC4连接器连接，因连接器尺寸偏大，车体内部结构件上开孔的尺寸不能满足，故需等线缆安装到位后再进行连接器装配。太阳能控制器的输入电压在DC 100～500 V之间都可以正常工作。如果在侧面背光等光照条件比较差的情况下，仅有顶部太阳能板能正常采集到太阳光，输出电压较低[6]。如果能将侧面太阳能板做成角度可调的机构，则可以大大增加太阳能板的发电效率。太阳能板采用串联方式接入太阳能控制器，在采集和汇集太阳能的过程中BMS起了主要的控制作用。

2 蓄电池及其管理系统

2.1 蓄电池系统设计及布置

本次设计的蓄电池系统由10个电池箱并联构成。1个电池箱由5个电池模组串联组成，1个电池模组又由20个电芯串联组成。为了使车上的用电设备能够正常运行，需保证串联后的单个电池模组电压在250～365 V之间，规格为320 V/100 Ah，总能量32 kW。每组电池模组的循环寿命大于1 500次，从而延长太阳能系统的使用寿命[7]，电池箱组成如图3所示。

图3 电池箱组成示意图

考虑到房车空间的限制，电池箱放置到车上后，车体的配重左右两边承载重量要相当(左右两侧放置的箱体重量要均衡，不能出现一边重一边轻的情况)。因此整车的电池组及控制模块需要均匀分布安装在房车的行李舱内，前轮行李舱内放置所有控制柜和4个电池箱单体，后轮前面的行李舱内放置6个电池箱单体。为了增加行李舱的骨架强度和防止电池箱被撞击的情况发生，舱门立柱采用了高强钢材料，并且在电池箱外面再增加若干防撞梁来保护电池箱[8]。

2.2 BMS管理系统

BMS除具备电池系统总压采集、单体电池电压采集、温度采集、电流采集、绝缘监测、风扇控制、加热控制等基本功能外，本系统还开发了主动均衡、远程监控、容量管理、充电管理、配电管理等高级功能[9]。BMS由主控模块BMU(Battery Management Unit)、采集均衡模块BSU(Battery Sample Unit)、显示模块BDU(Battery Display Unit)(可选)组成。主控模块BMU通过CAN接口与采集模块进行高速通信，并对蓄电池组数据进行实时采集分析，动态制定蓄电池管理策略，通过热管理、主动均衡管理、充电管理、放电管理、边界管理等手段控制蓄电池在合适的工况工作，同时与整车总线系统及充电机进行信息交换。BMS具有丰富的外部接口，能够满足多种场合的应用需求，这些接口包括：电压采集输入接口、温度采集输入接口、风扇控制输出接口、加热控制输出接口、 CAN2.0接口、RS485接口、USB接口、GPRS无线接口、干接点输出接口、开关量采集输入接口、电流高速采集输入接口、高压信号采集输入接口。

2.3 蓄电池充放电控制方式及改进

白天太阳能发电优先供给负载使用，多余的电量补充进蓄电池中；夜间没有太阳能发电，用户可接充电桩对电池模组进行充电。太阳能供电系统正在充电时，如果系统检测到有充电桩接入，会自动断开太阳能充电端；当充电枪拔出时，系统会自动切换到太阳能充电[10]。本蓄电池系统还设置一个总电源开关，只有将开关合上时，系统才会运行。当市电充电电路未接入市电电压，用电器正常使用情况下，蓄电池系统可以提供续驶时间为3～5天的电量。当白天太阳光照射比较强烈的时候，可以移动房车的位置使房车上的太阳能板尽量与太阳直射光线垂直，保证太阳能充电电路工作对蓄电池充电，从而有效延长房车蓄电池系统的供电时间。

经过多方面数据报告分析，发现目前太阳能供电设备的电池易损坏的两大原因：一是大电流放电；二是电能不足的情况下强制放电造成的过放电现象[11-12]。为了避免这两种情况发生，蓄电池的充放电控制方式是由BMS系统自动检测到2个电池模块的总电压，选择总压高的电池箱优先放电，当其中一个电池箱放电快结束时，会自动切换到第二个电池箱放电；2个电池箱轮流放电，这样就能保证负载供电不中断。

3 结束语

房车太阳能供电系统在房车上的电力配给形式突破了传统的利用外接电源和发电机发电的供电方式，将太阳能转化成电能直接存储在房车蓄电池系统中，以便在房车断开外接电源或不配备发电机的情况下，由蓄电池储存的电能为房车中的各个用电器供电，进而实现房车供电的续驶时间长，转换效率高，使用便捷等优势。