新能源车光伏应用的发展研究

摘要：对光伏发电系统应用在新能源车的可行性进行分析，根据新能源电动车以及光伏发电系统，提出了两种将光伏发电和新能源车相结合的方案，并展示出了相应的能量传递、能量转化图，总结出两种可行性较高的在当下技术背景下能够将光伏发电系统应用在新能源电动车上的方案。

关键词：光伏汽车;太阳能;能量转化

1引言

随着全球气候问题的日趋严重，能源革命节能减排势在必行，2021年两会，我国提出分别在2030年和2060年前实现“碳达峰”和“碳中和”的目标。在此背景下，新能源车毫无疑问成了全球各大汽车厂商的发展方向。由于新能源车的动力来源于可再生能源，因此在节能减排上新能源车有着传统燃油车无法比拟的排放优势和用车成本优势。而光伏发电系统能够将太阳能转化为电能，太阳能是安全取之不尽的清洁能源，如果能利用光伏发电系统成功运用在纯电动车上，将会大大加速新能源车的发展。

本文研究了新能源车中的电动汽车动力系统和光伏发电系统，对将光伏发电技术运用在电动汽车上进行了可行性分析。

2 国内外新能源车光伏发展现状

很长时间以来，人们都期望着有一天能够利用太阳能发电来给电动车提供电能来实现对车的驱动，以彻底解决能源问题。事实上各大汽车厂商也在不断这个方向努力，例如早在2010年，日本丰田汽车就曾推出“普锐斯”太阳能电动车，只不过当时的“太阳能车顶”功率仅能达到180瓦，太阳能电池转换效率为22.5%，而且不能在行驶的时候为电池充电，只能给汽车导航系统的辅助电池供电。而在2019年，丰田汽车再次在该领域取得突破，丰田与日本新能源及工业技术开发组织和夏普公司合作研发出了一款厚度仅为0.03毫米新型太阳能电芯，可安装在车顶、引擎盖、后备箱盖等部位上，太阳能电池转换效率高达34%，功率高达860瓦。根据推算，这种“太阳能车顶”一天可以其太阳能电动车增加44.5公里的续航里程。同样在2019年美国创业公司Lightyear推出了全球第一辆长续航光伏太阳能电动车Lightyear One，该公司称，在太阳充足的地方，该车可以仅依靠太阳能充电一年行驶超过15000公里，不过由于高昂的车本，该车离量产还有很长的一段距离，其实际效果也有待检验。

国内汽车厂商们在这方面也不甘示弱，同时发展策略也务实的多，广汽集团在2019年发布的Aion S第一次将光伏充电系统配备在了量产车上，该车载光伏电池板能够产生最大60W电能，在条件允许的情况下可以给音响以及鼓风机供电。而另一家电动车厂商小鹏汽车也其即将上市的新车小鹏P5中配备车顶光伏充电系统。

3 光伏充电后能量用途分析

3.1 光伏充电系统组成及工作原理

光伏充电系统主要由车顶光伏电池模组和太阳能控制器组成;光伏电池模组将光能通过光电效应转化为不稳定的电能，然后控制器进行DC-DC电压转化成可以供给用电设备的稳定电能。

3.2 给动力电池充电

大多数人认为利用太阳能可以直接在汽车行驶或停车过程中给动力电池充电提高续航里程，实际上这个想法的可行性并不高，因为车顶能铺设的光伏太阳能板面积有限，这直接导致了其发电功率非常有限，例如前面提到过的广汽Aion S，它天窗的电池板最大都只能60W电能，而要想给动力电池组充电，BMS和VCU就必须要工作，高压监控和热管理部件需要处于唤醒状态，同时还要进行DC-DC电压转化，这个状态下，整车的低压电器所消耗的功率就已经接近甚至超过60W了，绝大多数情况下不仅不能给动力电池组充电，反而会消耗电池组电量，得不偿失。

而要想实现太阳能直接给动力电池充电，不仅仅需要增加电池板的铺设，还需要提高光伏光电效应的转化效率，前面提高的丰田公司太阳能电动车为了实现充电，最大限度了铺设了光伏电池板，即使这样其最大充电功率也才860W，满足不了当下电动车慢充功率的要求。因此，对于当下技术而言，直接利用光伏充电系统给动力电池组供电可行性不高。

3.3 给蓄电池充电

当下尽管电动车都有一个电池容量较大热点动力电池组，但是当下电动车蓄电池仍然不可或缺。无论是纯电动车还是混合动力汽车，都会有高压和低压两套电气系统，其中高压电气系统主要用来驱动汽车电动机，以及电动压缩机这样的大功率子系统供电，而低压系统就是我们常见的12V蓄电池，它通常同于汽车的低功率子系统，比如汽车车灯、仪表显示等。对于传统燃油车，汽车发电机在汽车启动后会被驱动，这样就可以给蓄电池充电，而对于纯电动车，没有发动机，蓄电池就只能依靠动力电池组的电能在经DC-DC转化为低压电后来进行充电。

不同于传统燃油车，当下纯电动车在停车状态下或者在ECU在休眠状态下，ECU仍需要保持低功耗工作，比如TBOX检查网络状态、中央大屏主机为了追求开机速度让电源芯片维持、BMS定时检查电池组温度等。这些带来了与传统燃油车相比高出了数倍的休眠状态的能耗，对蓄电池来说是个不小的负担。而为了能够保证车辆长时间停放后能正常启动，纯电动车都会带有补电功能，由于在补电时需要同时唤醒高压和低压电系统，产生大量的额外损耗，所以补电效率实际上是很低的。

如果汽车可以通过光伏充电系统在ECU休眠时给蓄电池补电，这将降低整车补电的频次，让动力电池组电能更多的用于它本身的驱动或者大功率系统，而且整个光伏给蓄电池补电过程中除了太阳能控制器外，几乎没有额外的损耗，太阳能模块发电可以高效的充电到蓄电池中。整个过程如图1所示。因此，通过光伏太阳能电池板给蓄電池充电可行性是很高的。

3.3 驱动鼓风机散热

利用光伏太阳能发电必然需要将车置于阳光下，一般夏天阳光充足，很适合利用光伏系统发电，但是这也会导致车内温度高，在夏天暴晒中，整车仪表台表面温度可高达105℃，车内空气温度也可达到60℃，这样的高温对于纯电动车来说是有安全隐患的，如果可以利用光伏太阳能发电来驱动鼓风机给车内通风降温，将会很好的解决这个问题。前面提到的广汽Aion S就有这个功能，需要注意的是这里并不会启动空调压缩机，前面提到过，空调压缩机是高压电气系统里面的用电设备，显然没法直接由光伏发电来驱动，整个过程如图2所示。

因此，对于在高温时驱动鼓风机散热，这个方案是可行的，理论上来说，不仅仅是鼓风机，对于停车状态光伏太阳能又可以发电的情况下，光伏充电系统也是可以给其它低压低功率用电设备供电的。

4 结语

本文主要探究了光伏发电系统对于新能源电动车的意义，以及将光伏系统应用在新能源电动车上的几种方案进行可行性分析，得出如下结论：

（1）可以利用光伏太阳能模组给蓄电池充电，让整车更加节能。

（2）可以当车辆暴露在阳光下时利用光伏太阳能模组驱动鼓风机进行通风散热。

将光伏技术运用带新能源车上不仅可以给新能源电动车节能，对于进一步促进新能源车的发展也具有重要意义。

参考文献：

[1]京特·莱纳，汉斯·卡尔著，余世杰，何慧若 译、太阳能的光伏利用 [M].合肥工业大学，1991.

[2]太阳光电协会编，宁亚东译.太阳能光伏发电系统的设计与施工（日）[M].科 学出版社，2006（04）.

[3]马腾. 新能源汽车发展现状及对策探析 [J].城市建设理论研究，2016（11）.

作者简介：唐山，1994年2月出生，男，湖北人，硕士研究生学历，研究方向，新能源汽车。