新能源車(chē)光伏應(yīng)用的發(fā)展研究

摘要：對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用在新能源車(chē)的可行性進(jìn)行分析，根據(jù)新能源電動(dòng)車(chē)以及光伏發(fā)電系統(tǒng)，提出了兩種將光伏發(fā)電和新能源車(chē)相結(jié)合的方案，并展示出了相應(yīng)的能量傳遞、能量轉(zhuǎn)化圖，總結(jié)出兩種可行性較高的在當(dāng)下技術(shù)背景下能夠?qū)⒐夥l(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用在新能源電動(dòng)車(chē)上的方案。

關(guān)鍵詞：光伏汽車(chē);太陽(yáng)能;能量轉(zhuǎn)化

1引言

隨著全球氣候問(wèn)題的日趨嚴(yán)重，能源革命節(jié)能減排勢(shì)在必行，2021年兩會(huì)，我國(guó)提出分別在2030年和2060年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”的目標(biāo)。在此背景下，新能源車(chē)毫無(wú)疑問(wèn)成了全球各大汽車(chē)廠(chǎng)商的發(fā)展方向。由于新能源車(chē)的動(dòng)力來(lái)源于可再生能源，因此在節(jié)能減排上新能源車(chē)有著傳統(tǒng)燃油車(chē)無(wú)法比擬的排放優(yōu)勢(shì)和用車(chē)成本優(yōu)勢(shì)。而光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠?qū)⑻?yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，太陽(yáng)能是安全取之不盡的清潔能源，如果能利用光伏發(fā)電系統(tǒng)成功運(yùn)用在純電動(dòng)車(chē)上，將會(huì)大大加速新能源車(chē)的發(fā)展。

本文研究了新能源車(chē)中的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)將光伏發(fā)電技術(shù)運(yùn)用在電動(dòng)汽車(chē)上進(jìn)行了可行性分析。

2 國(guó)內(nèi)外新能源車(chē)光伏發(fā)展現(xiàn)狀

很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，人們都期望著有一天能夠利用太陽(yáng)能發(fā)電來(lái)給電動(dòng)車(chē)提供電能來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)的驅(qū)動(dòng)，以徹底解決能源問(wèn)題。事實(shí)上各大汽車(chē)廠(chǎng)商也在不斷這個(gè)方向努力，例如早在2010年，日本豐田汽車(chē)就曾推出“普銳斯”太陽(yáng)能電動(dòng)車(chē)，只不過(guò)當(dāng)時(shí)的“太陽(yáng)能車(chē)頂”功率僅能達(dá)到180瓦，太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率為22.5%，而且不能在行駛的時(shí)候?yàn)殡姵爻潆?，只能給汽車(chē)導(dǎo)航系統(tǒng)的輔助電池供電。而在2019年，豐田汽車(chē)再次在該領(lǐng)域取得突破，豐田與日本新能源及工業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)組織和夏普公司合作研發(fā)出了一款厚度僅為0.03毫米新型太陽(yáng)能電芯，可安裝在車(chē)頂、引擎蓋、后備箱蓋等部位上，太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率高達(dá)34%，功率高達(dá)860瓦。根據(jù)推算，這種“太陽(yáng)能車(chē)頂”一天可以其太陽(yáng)能電動(dòng)車(chē)增加44.5公里的續(xù)航里程。同樣在2019年美國(guó)創(chuàng)業(yè)公司Lightyear推出了全球第一輛長(zhǎng)續(xù)航光伏太陽(yáng)能電動(dòng)車(chē)Lightyear One，該公司稱(chēng)，在太陽(yáng)充足的地方，該車(chē)可以?xún)H依靠太陽(yáng)能充電一年行駛超過(guò)15000公里，不過(guò)由于高昂的車(chē)本，該車(chē)離量產(chǎn)還有很長(zhǎng)的一段距離，其實(shí)際效果也有待檢驗(yàn)。

國(guó)內(nèi)汽車(chē)廠(chǎng)商們?cè)谶@方面也不甘示弱，同時(shí)發(fā)展策略也務(wù)實(shí)的多，廣汽集團(tuán)在2019年發(fā)布的Aion S第一次將光伏充電系統(tǒng)配備在了量產(chǎn)車(chē)上，該車(chē)載光伏電池板能夠產(chǎn)生最大60W電能，在條件允許的情況下可以給音響以及鼓風(fēng)機(jī)供電。而另一家電動(dòng)車(chē)廠(chǎng)商小鵬汽車(chē)也其即將上市的新車(chē)小鵬P5中配備車(chē)頂光伏充電系統(tǒng)。

3 光伏充電后能量用途分析

3.1 光伏充電系統(tǒng)組成及工作原理

光伏充電系統(tǒng)主要由車(chē)頂光伏電池模組和太陽(yáng)能控制器組成;光伏電池模組將光能通過(guò)光電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定的電能，然后控制器進(jìn)行DC-DC電壓轉(zhuǎn)化成可以供給用電設(shè)備的穩(wěn)定電能。

3.2 給動(dòng)力電池充電

大多數(shù)人認(rèn)為利用太陽(yáng)能可以直接在汽車(chē)行駛或停車(chē)過(guò)程中給動(dòng)力電池充電提高續(xù)航里程，實(shí)際上這個(gè)想法的可行性并不高，因?yàn)檐?chē)頂能鋪設(shè)的光伏太陽(yáng)能板面積有限，這直接導(dǎo)致了其發(fā)電功率非常有限，例如前面提到過(guò)的廣汽Aion S，它天窗的電池板最大都只能60W電能，而要想給動(dòng)力電池組充電，BMS和VCU就必須要工作，高壓監(jiān)控和熱管理部件需要處于喚醒狀態(tài)，同時(shí)還要進(jìn)行DC-DC電壓轉(zhuǎn)化，這個(gè)狀態(tài)下，整車(chē)的低壓電器所消耗的功率就已經(jīng)接近甚至超過(guò)60W了，絕大多數(shù)情況下不僅不能給動(dòng)力電池組充電，反而會(huì)消耗電池組電量，得不償失。

而要想實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能直接給動(dòng)力電池充電，不僅僅需要增加電池板的鋪設(shè)，還需要提高光伏光電效應(yīng)的轉(zhuǎn)化效率，前面提高的豐田公司太陽(yáng)能電動(dòng)車(chē)為了實(shí)現(xiàn)充電，最大限度了鋪設(shè)了光伏電池板，即使這樣其最大充電功率也才860W，滿(mǎn)足不了當(dāng)下電動(dòng)車(chē)慢充功率的要求。因此，對(duì)于當(dāng)下技術(shù)而言，直接利用光伏充電系統(tǒng)給動(dòng)力電池組供電可行性不高。

3.3 給蓄電池充電

當(dāng)下盡管電動(dòng)車(chē)都有一個(gè)電池容量較大熱點(diǎn)動(dòng)力電池組，但是當(dāng)下電動(dòng)車(chē)蓄電池仍然不可或缺。無(wú)論是純電動(dòng)車(chē)還是混合動(dòng)力汽車(chē)，都會(huì)有高壓和低壓兩套電氣系統(tǒng)，其中高壓電氣系統(tǒng)主要用來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)機(jī)，以及電動(dòng)壓縮機(jī)這樣的大功率子系統(tǒng)供電，而低壓系統(tǒng)就是我們常見(jiàn)的12V蓄電池，它通常同于汽車(chē)的低功率子系統(tǒng)，比如汽車(chē)車(chē)燈、儀表顯示等。對(duì)于傳統(tǒng)燃油車(chē)，汽車(chē)發(fā)電機(jī)在汽車(chē)啟動(dòng)后會(huì)被驅(qū)動(dòng)，這樣就可以給蓄電池充電，而對(duì)于純電動(dòng)車(chē)，沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)，蓄電池就只能依靠動(dòng)力電池組的電能在經(jīng)DC-DC轉(zhuǎn)化為低壓電后來(lái)進(jìn)行充電。

不同于傳統(tǒng)燃油車(chē)，當(dāng)下純電動(dòng)車(chē)在停車(chē)狀態(tài)下或者在ECU在休眠狀態(tài)下，ECU仍需要保持低功耗工作，比如TBOX檢查網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、中央大屏主機(jī)為了追求開(kāi)機(jī)速度讓電源芯片維持、BMS定時(shí)檢查電池組溫度等。這些帶來(lái)了與傳統(tǒng)燃油車(chē)相比高出了數(shù)倍的休眠狀態(tài)的能耗，對(duì)蓄電池來(lái)說(shuō)是個(gè)不小的負(fù)擔(dān)。而為了能夠保證車(chē)輛長(zhǎng)時(shí)間停放后能正常啟動(dòng)，純電動(dòng)車(chē)都會(huì)帶有補(bǔ)電功能，由于在補(bǔ)電時(shí)需要同時(shí)喚醒高壓和低壓電系統(tǒng)，產(chǎn)生大量的額外損耗，所以補(bǔ)電效率實(shí)際上是很低的。

如果汽車(chē)可以通過(guò)光伏充電系統(tǒng)在ECU休眠時(shí)給蓄電池補(bǔ)電，這將降低整車(chē)補(bǔ)電的頻次，讓動(dòng)力電池組電能更多的用于它本身的驅(qū)動(dòng)或者大功率系統(tǒng)，而且整個(gè)光伏給蓄電池補(bǔ)電過(guò)程中除了太陽(yáng)能控制器外，幾乎沒(méi)有額外的損耗，太陽(yáng)能模塊發(fā)電可以高效的充電到蓄電池中。整個(gè)過(guò)程如圖1所示。因此，通過(guò)光伏太陽(yáng)能電池板給蓄電池充電可行性是很高的。

3.3 驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)散熱

利用光伏太陽(yáng)能發(fā)電必然需要將車(chē)置于陽(yáng)光下，一般夏天陽(yáng)光充足，很適合利用光伏系統(tǒng)發(fā)電，但是這也會(huì)導(dǎo)致車(chē)內(nèi)溫度高，在夏天暴曬中，整車(chē)儀表臺(tái)表面溫度可高達(dá)105℃，車(chē)內(nèi)空氣溫度也可達(dá)到60℃，這樣的高溫對(duì)于純電動(dòng)車(chē)來(lái)說(shuō)是有安全隱患的，如果可以利用光伏太陽(yáng)能發(fā)電來(lái)驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)給車(chē)內(nèi)通風(fēng)降溫，將會(huì)很好的解決這個(gè)問(wèn)題。前面提到的廣汽Aion S就有這個(gè)功能，需要注意的是這里并不會(huì)啟動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)，前面提到過(guò)，空調(diào)壓縮機(jī)是高壓電氣系統(tǒng)里面的用電設(shè)備，顯然沒(méi)法直接由光伏發(fā)電來(lái)驅(qū)動(dòng)，整個(gè)過(guò)程如圖2所示。

因此，對(duì)于在高溫時(shí)驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)散熱，這個(gè)方案是可行的，理論上來(lái)說(shuō)，不僅僅是鼓風(fēng)機(jī)，對(duì)于停車(chē)狀態(tài)光伏太陽(yáng)能又可以發(fā)電的情況下，光伏充電系統(tǒng)也是可以給其它低壓低功率用電設(shè)備供電的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要探究了光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)于新能源電動(dòng)車(chē)的意義，以及將光伏系統(tǒng)應(yīng)用在新能源電動(dòng)車(chē)上的幾種方案進(jìn)行可行性分析，得出如下結(jié)論：

（1）可以利用光伏太陽(yáng)能模組給蓄電池充電，讓整車(chē)更加節(jié)能。

（2）可以當(dāng)車(chē)輛暴露在陽(yáng)光下時(shí)利用光伏太陽(yáng)能模組驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)散熱。

將光伏技術(shù)運(yùn)用帶新能源車(chē)上不僅可以給新能源電動(dòng)車(chē)節(jié)能，對(duì)于進(jìn)一步促進(jìn)新能源車(chē)的發(fā)展也具有重要意義。

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作者簡(jiǎn)介：唐山，1994年2月出生，男，湖北人，碩士研究生學(xué)歷，研究方向，新能源汽車(chē)。