基于太陽(yáng)能發(fā)電的純電動(dòng)公交車系統(tǒng)研究

【摘要】公交車在現(xiàn)代交通系統(tǒng)中占據(jù)著重要的角色。純電動(dòng)公交車具有低噪聲、無污染、能量來源多樣化、能量效率高的特點(diǎn)，是解決城市化中的公交車問題的重要途徑。但是目前純電動(dòng)公交車還存在著續(xù)航里程較短、電池價(jià)格較高等缺點(diǎn)。而太陽(yáng)能則是一種高效、清潔、取之不盡用之不竭的能源，將兩者的結(jié)合可以在一定程度上緩解一下純電動(dòng)公交車的這些缺點(diǎn)。本文就這一問題進(jìn)行了利用太陽(yáng)能發(fā)電驅(qū)動(dòng)汽車或補(bǔ)充蓄電池電力的研究和針對(duì)電源、太陽(yáng)能發(fā)電的整車混合控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從而達(dá)到對(duì)公交車電源優(yōu)化增加公交車?yán)m(xù)駛里程的目的。

【關(guān)鍵詞】太陽(yáng)能發(fā)電；純電動(dòng)公交車；太陽(yáng)能電-電控制系統(tǒng)

1.引言

太陽(yáng)能是可再生、可持續(xù)性發(fā)展的戰(zhàn)略能源。當(dāng)前，各先進(jìn)技術(shù)國(guó)家無不在新能源領(lǐng)域下賭注、投資本，特別是以汽車產(chǎn)業(yè)為經(jīng)濟(jì)支柱的國(guó)家，在新能源汽車動(dòng)力上力圖有所創(chuàng)新和發(fā)展，在太陽(yáng)能汽車領(lǐng)域更是探索不止。其中，電動(dòng)公交車因車頂面積較大，為太陽(yáng)能板的安放提供便利，可利用太陽(yáng)能發(fā)電直接驅(qū)動(dòng)汽車，有效避免蓄電池充放電的能量損耗，延長(zhǎng)了電動(dòng)汽車蓄電池的使用壽命而成為發(fā)展的主流。同時(shí)，太陽(yáng)能發(fā)電控制系統(tǒng)和電動(dòng)車控制系統(tǒng)相結(jié)合的電-電混合控制系統(tǒng)使太陽(yáng)能公交車成為可能。另外低壓電氣系統(tǒng)（照明、儀表和信號(hào)等用電）、車身附件（刮水器、電動(dòng)車門）、空調(diào)器等，還需要一套輔助電池系統(tǒng)來供給電能，由于電動(dòng)汽車上沒有發(fā)動(dòng)機(jī)來進(jìn)行充電，因此這部分電能的消耗量也很大，正好可以利用太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充。

2.太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的原理

太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)是指能夠把光伏電池產(chǎn)生的電能直接提供給負(fù)載或儲(chǔ)能裝置的系統(tǒng)。它主要是由太陽(yáng)能電池陣列、控制電路、蓄電池組和負(fù)載組成。它既可以提供直流電也可以提供交流電，兩種供電方式最主要的差別是系統(tǒng)在提供交流電時(shí)需要在負(fù)載和蓄電池組之間加入逆變器。

2.1 工作過程

公交車太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的工作過程是：有光照的時(shí)候，光伏電池組件受到太陽(yáng)光照產(chǎn)生電能產(chǎn)生的能量通過控制器以及逆變器的處理之后供給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。如果光照強(qiáng)烈且有富余的能量，則給蓄電池組充電。本設(shè)計(jì)優(yōu)先為供給用電設(shè)備的輔助蓄電池充電，將驅(qū)動(dòng)電力和輔助電力區(qū)分開有助于電池的充放電保護(hù)和延長(zhǎng)使用壽命。如果在夜晚或是陰雨天的時(shí)候，太陽(yáng)能電池組件產(chǎn)生的能量不能滿足驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作，這時(shí)儲(chǔ)存在蓄電池組的能量就可以供電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車。如圖1所示。

2.2 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成

本設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)為獨(dú)立的光伏發(fā)電系統(tǒng)，其構(gòu)成為：

1）太陽(yáng)能電池板。

2）控制器：控制器的功能包括充放電控制和最大功率點(diǎn)跟蹤控制兩項(xiàng)功能。其中，最大功率點(diǎn)追蹤控制對(duì)整個(gè)電系統(tǒng)的高效工作起著至關(guān)重要的作用。

3）儲(chǔ)能裝置：電動(dòng)車的動(dòng)力電池和輔助電池。

4）逆變器：逆變器是在發(fā)電系統(tǒng)對(duì)交流負(fù)載供電時(shí)所必須的設(shè)備，因?yàn)樘?yáng)能電池所提供的是直流電，而公交車上所用負(fù)載皆需要用交流電方可工作，所以只有通過逆變器DC/AC的轉(zhuǎn)換。

2.3 太陽(yáng)能電池板選型

本設(shè)計(jì)選擇的太陽(yáng)能電池板是由天合光能有限公司生產(chǎn)的天合Trina多晶系列太陽(yáng)能組件，其主要功能為：組件可以承受雪壓達(dá)5400Pa，承受風(fēng)壓達(dá)2400Pa；保證輸出功率（0～+3%）；在弱光照條件下（多云天氣和清晨、傍晚）具備高性能；采用4.0mm鋼化玻璃，增加了組件耐用性；平均輸出功率大約0.17kw/㎡。

2.4 蓄電池的選擇

為了最大限度地降低整個(gè)電動(dòng)公交的重量，方便電動(dòng)公交的運(yùn)行，太陽(yáng)能純電動(dòng)公交車的最佳選擇是大容量高倍率蓄能的鋰離子蓄電池。

本設(shè)計(jì)選擇的是有比亞迪汽車公司生產(chǎn)的的磷酸鐵鋰電池（320/180*2），它的單位體積能量很大，高達(dá)400Wh/L，比能量可達(dá)130Wh/kg，而且磷酸鐵鋰電池的反復(fù)充電壽命長(zhǎng)，單體電池的循環(huán)次數(shù)可達(dá)1500次以上。作為電池組如果有好的監(jiān)控管理系統(tǒng)，在充放電時(shí)達(dá)到均衡程度，仍然可達(dá)1000次以上。因?yàn)樘?yáng)能蓄電池在使用時(shí)常?？梢愿〕浠驕\放，其電池組壽命不會(huì)像純電動(dòng)汽車那樣短。磷酸鐵鋰電池的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是自放電率低，這在連續(xù)陰天和在夜間蓄存電能都有相當(dāng)大的好處，可以提高電動(dòng)車的性能。在磷酸鐵鋰電池的荷電容量保持60%～80%計(jì)算，使用年限應(yīng)不低于3～5年，壽命相當(dāng)于鉛酸電池的三倍左右。磷酸鐵鋰電池充放電效率相對(duì)高一些，在85%-90%之間，除此之外磷酸鐵鋰電池工作溫度范圍寬廣（-20C～+75C），有耐高溫特性，電熱峰值可達(dá)350℃～500℃；而且電池容量大，重量輕，無記憶效應(yīng)，電池?zé)o論處于什么狀態(tài)，可隨充隨用，無須先放完再充電，由于磷酸鐵鋰電池不含鉛和鎘等重金屬，被業(yè)內(nèi)稱為綠色環(huán)保電池。

綜合上述這些優(yōu)點(diǎn)，磷酸鐵鋰電池是太陽(yáng)能公交車動(dòng)力電池的最佳選擇。

3.太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率及對(duì)公交車電源優(yōu)化效率分析

3.1 整車規(guī)格設(shè)計(jì)

整車規(guī)格設(shè)計(jì)要求如表1所示：

3.2 車頂面積計(jì)算

由表1知車頂面積為：

12.00*2.50=30㎡

頂部太陽(yáng)能電池板采取邊緣傾斜安放，故面積可增加15%，此時(shí)車頂面積為：

30*1.15=34.50㎡

由于有效光照面積約為70%，則有效光照的車頂面積為：

34.50*0.7=24.15㎡

此時(shí)每小時(shí)的輸出功率為：

24.15*0.17=4.10kW·h

若一天有效光照時(shí)間為6h，每天可發(fā)電：

4.10*6=24.64kW·h

可見太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)可以有效延長(zhǎng)公交車的續(xù)駛里程，而且在光照條件較好，太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)可在直接供給汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)下，有效避免了蓄電池充放電的能量損耗，對(duì)延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命起到一定作用。

4.整車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。

太陽(yáng)能電動(dòng)汽車上其控制系統(tǒng)不僅僅控制電動(dòng)源（電池），還要增加太陽(yáng)能光伏電池陣列的控制功能。太陽(yáng)能光伏電池所供應(yīng)的電壓與蓄電池組飽和電壓基本相同，可直接耦合，在太陽(yáng)能功率充足時(shí)，多余的能量進(jìn)入儲(chǔ)能的蓄電池，在太陽(yáng)能光電功率不足時(shí)由蓄電池完成電力驅(qū)動(dòng)的任務(wù)。所以控制系統(tǒng)的作用就是對(duì)充電和放電的過程進(jìn)行控制和保護(hù)，保證對(duì)整個(gè)電動(dòng)源系統(tǒng)的正常充電、放電以及對(duì)電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)。

4.1 太陽(yáng)能電-電混合控制系統(tǒng)

太陽(yáng)能電-電混合控制系統(tǒng)是控制太陽(yáng)能光伏電池陣列板對(duì)蓄電池的充電以及蓄電池和太陽(yáng)能電池對(duì)負(fù)載的放電過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能光伏電池和蓄電池的科學(xué)管理，指示蓄電池過壓、欠壓等運(yùn)行狀態(tài)，控制電能量達(dá)到高電壓、高功率的程度，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)和蓄電池驅(qū)動(dòng)的混合驅(qū)動(dòng)模式和模式的智能控制轉(zhuǎn)換功能，具有兩路負(fù)載輸出的管理，或兩路負(fù)載可以隨意設(shè)置為同時(shí)工作、分時(shí)工作或單獨(dú)工作等模式，同時(shí)具有負(fù)載過流、短路保護(hù)功能，具有較高的自動(dòng)化和智能化水平，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和車載電氣系統(tǒng)的智能控制。其硬件結(jié)構(gòu)主要由電壓采集電路、負(fù)載輸出控制與檢測(cè)電路、指示或顯示電路及鍵盤電路等部分組成。電壓采集電路包括太陽(yáng)能光伏電池板和蓄電池電壓采集，用于太陽(yáng)光線強(qiáng)弱的識(shí)別以及蓄電池電壓的獲取等，太陽(yáng)能電動(dòng)公交車控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與硬件電路是相對(duì)應(yīng)的，包括有主程序、定時(shí)中斷程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、外部轉(zhuǎn)換子程序及鍵盤處理子程序、充放電管理子程序、負(fù)載管理子程序等。

太陽(yáng)能電-電混合控制系統(tǒng)是太陽(yáng)能電池充電控制系統(tǒng)、電源管理系統(tǒng)的和電機(jī)控制系統(tǒng)的綜合控制系統(tǒng)，區(qū)別于一般控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有：

1）采用分級(jí)管理控制，內(nèi)核控制外圍電路和大功率電路先后上電，避免電源波動(dòng)引起上電失效。

2）能夠?qū)μ?yáng)能電池板進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3）行使/停放都能夠給蓄電池組進(jìn)行充電，增加行駛里程。

4）可以對(duì)每個(gè)電池的荷電狀態(tài)進(jìn)行管理，并具有主動(dòng)電荷平衡能力，避免充/放電保護(hù)，從而最大化電池組的整體容量。

5）使用相控調(diào)壓技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。

6）通過實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)的電壓和電流的相位差和波形，進(jìn)行對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸入功率的控制，實(shí)現(xiàn)所供即所需。

4.2 電源管理系統(tǒng)

電源管理控制系統(tǒng)利用子系統(tǒng)的控制功能對(duì)蓄電池進(jìn)行充電管理時(shí)，若太陽(yáng)能光伏電池正常充電蓄電池時(shí)，控制器將關(guān)斷負(fù)載，以保證負(fù)載不被損傷，當(dāng)充電電壓高于保護(hù)電壓時(shí)自動(dòng)關(guān)斷對(duì)蓄電池的充電；此后若電池電壓掉至維護(hù)電壓時(shí)，蓄電池進(jìn)入浮充狀態(tài)，當(dāng)蓄電池低于維護(hù)電壓時(shí)，啟動(dòng)的應(yīng)當(dāng)是均充狀態(tài)。當(dāng)蓄電池荷電電壓低于保護(hù)電壓時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)自動(dòng)關(guān)閉負(fù)載開關(guān)，以保護(hù)蓄電池不受損壞。在蓄電池負(fù)載關(guān)閉后，有兩路充電電路可選擇使用，在太陽(yáng)光照較強(qiáng)時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)太陽(yáng)能光伏電池板充電電路，使其發(fā)揮更大功效，或使用外充電源進(jìn)行快速充電。本設(shè)計(jì)利用基于Peukert方程法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的SOC（電池荷電狀態(tài)）預(yù)測(cè)算法建立針對(duì)磷酸鐵鋰特性的電池管理系統(tǒng)，其硬件設(shè)計(jì)包括電壓檢測(cè)電路、太陽(yáng)能充電和外部充電控制電路、熱敏電阻的溫度檢測(cè)電路、CAN通信模塊等，軟件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)整體軟件設(shè)計(jì)、電壓和溫度采集程序、CAN總線通信的信息接收和發(fā)送，以及與整車管理系統(tǒng)通訊的通信規(guī)約等。

4.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由交流同步電機(jī)、電力電子變流器（IGBT集成模塊）、數(shù)字控制器和智能化傳感器等幾個(gè)核心部分組成。

a.太陽(yáng)能公交車電機(jī)采用的是稀土交流永磁同步電機(jī)（150KW），這種交流無刷電機(jī)是輕質(zhì)材料制造，非常適合于太陽(yáng)能電動(dòng)公交車“輕”的要求，在額定的RPM（每秒轉(zhuǎn)速）達(dá)到99%的使用效率。這比以前使用直接引導(dǎo)式驅(qū)動(dòng)傳送動(dòng)力裝置要先進(jìn)。這種傳送動(dòng)力的裝置也稱其為機(jī)械驅(qū)動(dòng)。這種機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還有選用傳統(tǒng)汽車的變速器、傳動(dòng)軸、后橋和半軸等部件的。而電動(dòng)機(jī)通過鏈條和履帶同一個(gè)單一的齒輪傳動(dòng)裝置，與車輪鏈接的引導(dǎo)式裝置要比機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置先進(jìn)了一步。雙線圈電動(dòng)機(jī)成為電動(dòng)車常用的傳動(dòng)裝置。在雙線圈之間轉(zhuǎn)換改變了電動(dòng)機(jī)的速度，低速線圈能為太陽(yáng)能汽車的啟動(dòng)和減速提供高的轉(zhuǎn)力矩，而高速線圈則為汽車運(yùn)行提供高效率和最佳的運(yùn)行效果。工作時(shí)，電機(jī)峰值功率可達(dá)300KW，最大扭矩1400N.m。電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，重量輕、體積小、能量密度高。無需匹配變數(shù)箱，實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速。

b.電機(jī)控制器特點(diǎn)：1）基于磁場(chǎng)定向的電流矢量控制，采用SVPWM調(diào)制方法、死區(qū)補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，使得力矩控制精度高、脈動(dòng)小，提高了控制系統(tǒng)的性能。2）具有完善的故障檢測(cè)與保護(hù)功能，包括：過流、過壓、欠壓、過載、超速、過溫等保護(hù)功能，提高了控制系統(tǒng)的可靠性。3）具有自動(dòng)調(diào)諧和無速度傳感器矢量控制功能，便于用戶快速應(yīng)用，提高生產(chǎn)效率，降低成本。

綜上可知，該電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)很能滿足基于太陽(yáng)能的純電動(dòng)公交的需求。

4.4 其它系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)的其他系統(tǒng)主要有采用分層級(jí)式控制的智能化能量管理系統(tǒng)（如圖3所示）、具有制動(dòng)能量的回收的再生制動(dòng)控制系統(tǒng)、采用可靠性高、低成本、高效率以及高功率的直流無刷電機(jī)為助力電機(jī)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

5.總結(jié)

太陽(yáng)能公交車的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)在光照較好的條件下，能夠?yàn)轵?qū)動(dòng)系統(tǒng)提供充足的動(dòng)力支持。太陽(yáng)能電-電混合控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)保證了太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)和電源管理系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的相互通信協(xié)調(diào)，使太陽(yáng)能電動(dòng)公交車安全平穩(wěn)的運(yùn)行，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)公交車電源的優(yōu)化目的，從而達(dá)到增加續(xù)駛里程和節(jié)能減排的目的。

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作者簡(jiǎn)介：張步曉（1989—），男，山東臨沂人，山東科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院碩士研究生在讀，主要研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化，智能電網(wǎng)，新能源發(fā)電并網(wǎng)等。