太陽(yáng)能-鋰電純電動(dòng)車設(shè)想與運(yùn)行模式計(jì)算

黃宇翔

（中山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 511436）

人類社會(huì)的運(yùn)行與發(fā)展必然離不開資源的消耗，如今人們主要依托的資源仍是化石能源，2019 年，世界能源消耗統(tǒng)計(jì)年鑒表明，世界化石能源消耗占總能源消耗的81%；大量的化石能源消耗會(huì)給地球生態(tài)圈帶來(lái)諸多負(fù)面效果，2018 年IPCC 數(shù)據(jù)預(yù)估，如果碳排放依舊以這個(gè)形式進(jìn)行，近100 年內(nèi)全球氣溫最高可上升6℃；2019 年11 月，Nature 一篇報(bào)告指出：世界超一半氣候臨界點(diǎn)已經(jīng)被激活，或?qū)a(chǎn)生多米諾效應(yīng)。在眾多解決解決世界能源與環(huán)境問(wèn)題的措施中，新能源汽車的研發(fā)成了歐盟、日本、美國(guó)、中國(guó)等國(guó)家與地區(qū)的一大熱點(diǎn)，而新能源汽車中最為熱門的研究對(duì)象便是以鋰離子電池為能源核心的純電動(dòng)汽車。純電動(dòng)汽車相比傳統(tǒng)能源汽車，最大的優(yōu)勢(shì)便是其動(dòng)力能源為電能，而電能的來(lái)源可以由清潔能源（諸如太陽(yáng)能、風(fēng)能）轉(zhuǎn)化而來(lái)。也因此，其成了最有可能取代傳統(tǒng)化石能源的汽車而得到世界各國(guó)的重視；據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2018 年1 月，全球汽車制造商投資電動(dòng)車的總額已達(dá)900 億美元。可見，電動(dòng)車的發(fā)展逐步成為當(dāng)今時(shí)代的主流。

1 鋰電汽車的里程焦慮

1.1 里程焦慮

鋰電汽車雖然有著諸多優(yōu)勢(shì)，但由于其現(xiàn)階段發(fā)展依舊不夠成熟，也有較多局限，其中較大的問(wèn)題便是續(xù)航限制。盡管現(xiàn)在鋰電汽車在出場(chǎng)前測(cè)試的續(xù)航里程可達(dá)500 公里，但是，出于實(shí)際環(huán)境與電池壽命衰減等不穩(wěn)定性因素，其真實(shí)的續(xù)航里程往往沒有那么準(zhǔn)確，也因此導(dǎo)致了人們駕駛電動(dòng)汽車時(shí)會(huì)擔(dān)心突然沒電而產(chǎn)生精神痛苦或憂慮的情緒，即里程焦慮。

1.2 里程焦慮解決方案

針對(duì)里程焦慮這一問(wèn)題，目前主要有以下三種解決方案：一是設(shè)置與加油站類似的充電樁。但該項(xiàng)目成本很高，建設(shè)周期長(zhǎng)，線路耗材巨大，且不適合在偏遠(yuǎn)地區(qū)建設(shè)。二是發(fā)展插電式混合動(dòng)力汽車。其利用燃料輔助可達(dá)到更長(zhǎng)的續(xù)航里程。但是，插電式混合動(dòng)力汽車仍需要燃料的支持，且其成本偏高，就長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，其終究不是解決能源問(wèn)題的最好辦法。三是提升鋰電池比能量。以《中國(guó)制造2025》為例，目標(biāo)在2020 年將鋰離子動(dòng)力電池比能量提高至300Wh/kg，2025 年達(dá)到了400Wh/kg。但隨著比能量的提升，鋰離子電池的穩(wěn)定性隨之會(huì)下降，因此，在技術(shù)上有很多有待突破的瓶頸。

1.3 太陽(yáng)能-鋰電數(shù)控式混合動(dòng)力

出于種種技術(shù)與成本的限制，本文著眼于現(xiàn)在發(fā)展更為成熟且清潔的光伏技術(shù)，并設(shè)想一款以光伏板輔助發(fā)電，車載逆變器轉(zhuǎn)化，311 分配雙電池儲(chǔ)蓄，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)控制的太陽(yáng)能-鋰電純電動(dòng)動(dòng)力汽車。該電動(dòng)車從理論分析來(lái)看，除了有著與純電動(dòng)汽車同樣的優(yōu)勢(shì)，還可以通過(guò)邊行駛邊發(fā)電來(lái)為其充電，通過(guò)合理的分配與智能檢測(cè)，延長(zhǎng)電動(dòng)車的極限續(xù)航里程，解決缺乏充電樁等問(wèn)題。

2 太陽(yáng)能-鋰電與傳統(tǒng)鋰電相異處

2.1 光伏板

2.1.1 太陽(yáng)能光伏板效率

我們以當(dāng)今最為理想的太陽(yáng)能電池為參考，選取以市場(chǎng)上常見的晶硅太陽(yáng)能電池、銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽(yáng)能電池以及世界最高效率太陽(yáng)能電池的數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)比，其中晶硅太陽(yáng)能電池為26.1%，CIGS 太陽(yáng)能電池為23.4%，多結(jié)（最高效率）太陽(yáng)能電池為47.1%。

2.1.2 太陽(yáng)能光伏板質(zhì)量

其中，單晶硅太陽(yáng)能電池與CIGS 薄膜太陽(yáng)能電池已經(jīng)普遍工業(yè)化了，在現(xiàn)代工業(yè)中，晶硅的太陽(yáng)能電池可以做到2.3 磅每平方英尺，即11.2kg/m2；薄膜太陽(yáng)能電池可以做到7 盎司每平方英尺，即2.1kg/m2。而多結(jié)太陽(yáng)能電池制備是由多層薄膜制備而成，而最高效率的多結(jié)太陽(yáng)能電池有六結(jié)，粗略估算出其質(zhì)量為12.6kg/m2。

2.1.3 車載光伏板有效照射面積

該文我們以Tesla Model S 2019 款長(zhǎng)程續(xù)航版為模型基礎(chǔ)（下文同），來(lái)估算其有效照射面積（如表1）?？紤]車窗以及側(cè)門在俯視圖所占據(jù)的面積，通過(guò)估算可以得知其實(shí)際可用面積占56%～60%。倘若將車子重新設(shè)計(jì)改裝，則其光伏面積可更大，因此，可增設(shè)另一理想?yún)⒖贾?0%。

表1 特斯拉Model S 長(zhǎng)程續(xù)航款長(zhǎng)度參數(shù)

2.2 逆變器

由于太陽(yáng)能電池直接發(fā)出的電并不穩(wěn)定，需要額外的儀器將發(fā)出的直流低壓電轉(zhuǎn)化為可用的交流高壓電，即逆變器。一般純電動(dòng)汽車會(huì)安裝逆變器，出于性能匹配，可能無(wú)法讓太陽(yáng)能電池與鋰離子電池共用一個(gè)逆變器。但可以考慮將兩者合并組成太陽(yáng)能-鋰電雙路逆變器。將直流低壓通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)化成交流高壓過(guò)程中會(huì)有能量損耗，因此，需將該部分能量損耗考慮在內(nèi)，對(duì)于高質(zhì)量波，逆變器能量轉(zhuǎn)化效率在90%～95%。

2.3 新充電模式

若要合理調(diào)配太陽(yáng)能與電能，則需要對(duì)其充電與放電方式進(jìn)行改進(jìn)，因此，本文針對(duì)這個(gè)問(wèn)題提出311 分配電池與對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。311 分配電池即為在傳統(tǒng)的鋰電池上進(jìn)行3 比1 比1 容量分配；而該鋰電池總?cè)萘颗c傳統(tǒng)容量相同（如圖1）。

311 電池對(duì)應(yīng)簡(jiǎn)單數(shù)字控制系統(tǒng)則是調(diào)配電池充放電的系統(tǒng)（如圖2），其系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖如下圖。運(yùn)行方式如下：當(dāng)全部電池滿電時(shí)發(fā)動(dòng)電動(dòng)車，O3 開關(guān)閉合，C3 電池先運(yùn)行；當(dāng)檢測(cè)器檢測(cè)到C3 電池?zé)o電時(shí)，斷 開O3，閉 合O2、S3，C2 電池供電，C3 電池接受光伏發(fā)電系統(tǒng)充電。當(dāng)檢測(cè)器檢測(cè)到C2 電池?zé)o電時(shí)，斷開O2，閉合O1，S2 與S3 閉合情況取決于C3 電池電量情況。當(dāng)檢測(cè)器檢測(cè)到C1 電池?zé)o電時(shí)，斷開O1，閉 合O3，S2，斷 開S3。S2 繼續(xù)充電。接下來(lái)的充放電均由C2 與C3 電池以及S2 和S3、O2 和O3 斷通路來(lái)完成。

圖1 311 電池

圖2 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)

3 太陽(yáng)能-鋰電車?yán)碚摌O限計(jì)算

3.1 太陽(yáng)光光照數(shù)據(jù)補(bǔ)充

在計(jì)算太陽(yáng)能-鋰電車極限續(xù)航之前，我們計(jì)算太陽(yáng)照射功率，以中國(guó)為例，按太陽(yáng)能年輻射量、年有效日照時(shí)間、年有效日照天數(shù)分為Ⅰ到Ⅴ類[14]。根據(jù)太陽(yáng)能資源Ⅰ到Ⅴ類數(shù)據(jù)，我們計(jì)算我國(guó)各個(gè)分級(jí)地區(qū)的光照輻射功率，其中，含區(qū)間數(shù)據(jù)取其中間值作為計(jì)算參考值（6200-6800 取6500）得到結(jié)果如下（表2）。

表2 中國(guó)太陽(yáng)能能量輻射密度

3.2 鋰離子電池充電電能轉(zhuǎn)化率數(shù)據(jù)補(bǔ)充

鋰離子電池相比諸多電池，其一大特點(diǎn)便是極低的能量損失，質(zhì)量?jī)?yōu)異的鋰離子電池充電電能轉(zhuǎn)化率可接近100%，即使是電動(dòng)汽車快充，以比亞迪為例，其轉(zhuǎn)化率也可高達(dá)80%。

3.3 太陽(yáng)能-鋰電車參數(shù)模型建立

此處，依舊以Tesla Model S 為實(shí)際參數(shù)，綜合前文給出的實(shí)際值，建立太陽(yáng)能-鋰電車的計(jì)算模型。假設(shè)鋰電車運(yùn)動(dòng)全程為勻速直線運(yùn)動(dòng)，路面為瀝青路面，其滾動(dòng)摩擦系數(shù)為0.010，動(dòng)力電池能量全部轉(zhuǎn)化成熱損耗與牽引做功，則有：

查得Tesla Model S 參數(shù)如下表（表3）

令g 取9.8N/kg，代入得到其Eheat值為2.2×108J，則熱損失率ηheat為61%。

當(dāng)為太陽(yáng)能-鋰電車時(shí)，其對(duì)應(yīng)的計(jì)算模式為:

表3 特斯拉Model S 長(zhǎng)程續(xù)航款參數(shù)

該模式下有兩個(gè)待討論參量msolar和Esolar。

msolar可由前文所給出的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。太陽(yáng)能電池質(zhì)量會(huì)因其種類以及占用車頂面積而將會(huì)有所不同,計(jì)算得到的數(shù)據(jù)如下（表4）：

表4 太陽(yáng)能電池對(duì)應(yīng)質(zhì)量

而其Esolar的計(jì)算較為復(fù)雜，其不但要考慮各種理論損耗，還需考慮行駛時(shí)間對(duì)其充電的影響。理論轉(zhuǎn)化功率為太陽(yáng)能光照功率與照射面積、光電轉(zhuǎn)化效率、逆變器損耗、充電損耗的乘積（以上數(shù)據(jù)皆在前文列出）。

通過(guò)以上公式，我們可用計(jì)算得到選用不同參數(shù)下太陽(yáng)能光伏板的理論轉(zhuǎn)化功率（表5）。

表5 不同太陽(yáng)能電池理論功率

對(duì)于行駛時(shí)間，我們可以考慮兩種情況，一是市區(qū)常規(guī)行駛速度，為60km/h（也是一般汽車出場(chǎng)前測(cè)試速率）；以及高速路常規(guī)行駛速度100km/h。此時(shí)，按照311 電池調(diào)控模式，就要有如下的計(jì)算方式。在前1/5 路程，無(wú)法進(jìn)行光伏充電，在1/5-2/5 路程中，光伏充電系統(tǒng)會(huì)開始運(yùn)行，光伏充電系統(tǒng)會(huì)對(duì)耗盡電量電池充電，在后3/5 路程中，光伏充電系統(tǒng)會(huì)一直給小容量電池充電，最后，兩個(gè)小容量電池循環(huán)充放電工作。此處采用各種太陽(yáng)能電池的最大轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行計(jì)算,其60km/h 與100km/h 能量產(chǎn)生過(guò)程如下表計(jì)算得到（如表6、表7）。

可以得知在兩種速度運(yùn)行下，其到了過(guò)程5 的時(shí)候，其太陽(yáng)能所發(fā)電轉(zhuǎn)化為電池的電量均小于1kwh，以此為終點(diǎn)。其過(guò)程獲得的最大電量均在sum 欄加合。將計(jì)算所得的電量與質(zhì)量代入原來(lái)的公式進(jìn)行計(jì)算：

表6 60km/h 下產(chǎn)能

表7 100km/h 下產(chǎn)能

可以得到其續(xù)航里程與提升率如下（表8；原續(xù)航里程為660km）

表8 不同速率下續(xù)航里程

3.4 太陽(yáng)能-鋰電車計(jì)算結(jié)果總結(jié)與討論

就本次理論計(jì)算來(lái)看，在相同電池容量下，太陽(yáng)能-鋰電的續(xù)航里程比純鋰電電動(dòng)車的續(xù)航里程有了至少6%的提高，最高可達(dá)23%，我們可以初步判斷，太陽(yáng)能輔助發(fā)電系統(tǒng)有助于提高續(xù)航里程。且比較重要的一點(diǎn)是：本次引入的計(jì)算參數(shù)與計(jì)算模型均取自現(xiàn)實(shí)，有一定的參考意義。其次，本理論還提出“311 電池”與其控制系統(tǒng)，為更長(zhǎng)的續(xù)航提供了支持，與直接用電池儲(chǔ)蓄太陽(yáng)能相比可以延長(zhǎng)里程。再者，太陽(yáng)能-鋰電車可以解決缺乏充電樁的情況。以中國(guó)春運(yùn)為例：當(dāng)汽車駛至偏遠(yuǎn)地區(qū)沒電時(shí)，駕駛者可以將其停在陽(yáng)光充足的地方充電，以供其回程。當(dāng)然，本理論也存在一定的問(wèn)題。比如，本文中的計(jì)算里程方式與實(shí)際運(yùn)行時(shí)仍有一定差別。

4 發(fā)展展望

盡管從本次計(jì)算結(jié)果來(lái)看，該設(shè)想的直接效果并沒有突破性飛躍，但其擁有解決充電樁缺乏等潛力。畢竟新能源汽車還處于發(fā)展階段，有著不少突破空間，想必在不久的將來(lái)，隨著鋰電純電動(dòng)車各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，加之已走向成熟的太陽(yáng)能技術(shù)，太陽(yáng)能-鋰電純電動(dòng)車也將成為未來(lái)市場(chǎng)的一大亮點(diǎn)。