太陽能增程式電動輕卡開發(fā)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

摘要：本文針對純電動輕卡續(xù)航里程不足問題，開展太陽能增程式電動輕卡設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究。在某品牌電動輕卡上設(shè)計(jì)加裝四塊A 級單晶硅光伏板，通過MPPT 技術(shù)和能量管理合理分配給整車?yán)m(xù)航充電，最終通過整車路試試驗(yàn)分析太陽能光伏板發(fā)電量有效利用率，以及整車?yán)m(xù)航里程隨光照強(qiáng)度和溫度變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，太陽能光伏板發(fā)電量最大有效利用率達(dá)到96.6%，每天續(xù)航里程增幅最低10%，最高達(dá)19%；相同條件下，整車?yán)m(xù)航里程隨光照強(qiáng)度和溫度呈近線性遞增關(guān)系。

關(guān)鍵詞：太陽能增程式；續(xù)航里程；電動輕卡；光照強(qiáng)度；溫度

中圖分類號： U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

隨著“雙碳”政策的推進(jìn)實(shí)施和疫情后中短途城配物流的需求增大，電動輕卡在商用車市場迎來了發(fā)展的春天。電動輕卡產(chǎn)品技術(shù)日趨成熟，但續(xù)航里程不足仍然是其快速發(fā)展的最大瓶頸[1-2]。電動輕卡行駛至放電末端，車輛因電量不足無法正常行駛而求助于拖車，或司機(jī)對充電樁焦慮恐慌現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[3]。

市場上通常使用更大容量的電池包來增加續(xù)航里程，此技術(shù)不僅需要重新布置電池包的位置，還造成整車質(zhì)量超重，直接帶來成本增加[4-5]。采用發(fā)動機(jī)- 發(fā)電機(jī)組作為汽車增程器輔助系統(tǒng)，在電池電量耗盡前采用電力輔助裝置發(fā)出電能來提高整車?yán)m(xù)駛里程，可以解決純電動汽車?yán)m(xù)航問題[6-8]。

美國通用汽車雪佛蘭Volt 采用邏輯門限值整車能量控制策略，通過設(shè)定不同的動力切換模式，車輛行駛初始階段采用純電動模式，當(dāng)電池電量 SOC 消耗至初始狀態(tài)的30% 時(shí)，輔助發(fā)電機(jī)組發(fā)電給動力電池充電，續(xù)航里程達(dá)到 570 km[9]。理想ONE采用大電池小發(fā)動機(jī)技術(shù)路線，搭載40.5000 kW · h 的三元鋰電池組，匹配1.2T 三缸發(fā)動機(jī)和容量為45 L 的油箱，續(xù)航里程超過800 km。除此之外，國內(nèi)市場還有傳祺GA5、比亞迪秦、榮威550plug-in 以及北汽E150EV 等增程式汽車品牌，續(xù)航里程均能達(dá)到比較理想的目標(biāo)[10]。

這種發(fā)動機(jī)- 發(fā)電機(jī)串聯(lián)增程式技術(shù)在一定程度上可以解決續(xù)航里程問題，但因?yàn)檫€需消耗化石能源，能耗上未能真正達(dá)到零排放。因此，清潔能源增程式技術(shù)開始得到關(guān)注和研究。豐田汽車在其首款純電動 SUV 上配置可選裝的太陽能充電穹頂，直接給車載動力電池充電，每年可以增加1 750 km 的行駛里程[11]。

荷蘭Lightyear 公司最新發(fā)布的太陽能電動汽車Lightyear0，通過配置5 m2 太陽能電池板，每天在不充電的情況下可行駛約70 km，在天晴情況下可連續(xù)行駛7 個(gè)月無需額外充電[12]。太陽能電動車增程式技術(shù)基于電動車能源系統(tǒng)的復(fù)合拓展，通過太陽能光伏板轉(zhuǎn)化為電能，可直接給動力電池充電或?yàn)橄到y(tǒng)負(fù)載提供電源。這種增加續(xù)航里程的方式在技術(shù)上可行，并且在短途物流配送的商用車輕卡市場上具有較大的推廣意義[13-14]。本文基于某電動輕卡，設(shè)計(jì)加裝4 塊A 級單晶硅太陽能發(fā)電板給動力電池包進(jìn)行充電，通過整車路試試驗(yàn)研究太陽能光伏板發(fā)電量有效利用率及整車?yán)m(xù)航里程變化規(guī)律。

1 太陽能增程式電動輕卡設(shè)計(jì)

1.1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

將4 塊漢能集團(tuán)A 級單晶硅太陽能光伏電池板并聯(lián)安裝在某商用純電輕卡L2EV 車頂上，通過光伏電池板吸收太陽光照轉(zhuǎn)換成電能向控制器輸入，在控制器儀表上可以查看光伏電池板的實(shí)時(shí)發(fā)電量，并調(diào)節(jié)輸出電壓與電池包電壓保持一致，從而穩(wěn)定給動力電池包充電，實(shí)現(xiàn)增加續(xù)航里程（圖1）。整車主要參數(shù)如表1 所示。

太陽能增程式電動輕卡工作原理如圖2所示。整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏發(fā)電板、DC/DC 轉(zhuǎn)換器、太陽能控制器以及動力電池包4 大部分組成。因?yàn)樘柲芄夥姵剌敵鲭妷簽閱蜗蚍蔷€性，配置單向DC/DC 轉(zhuǎn)換器模塊，通過調(diào)節(jié)DC/DC 模塊配合的占空比和MPPT 控制技術(shù)，確保得到持續(xù)穩(wěn)定的輸出電壓[15]。

式（1）和式（2）中：Ppv （t ） 為t 時(shí)刻單位面積光伏電源的輸出功率數(shù)值，單位kW ；PSTC 為單位面積光伏電源在標(biāo)準(zhǔn)測試條件（ 太陽輻射度為1 000 W/m2，環(huán)境溫度為25℃ ） 下的輸出功率數(shù)值，單位kW ；GC （t ） 為t 時(shí)刻的太陽輻射度數(shù)值，單位W/m2 ；GSTC 為標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的太陽輻射度數(shù)值，單位W/m2 ；k 為功率溫度系數(shù)；TC （t ） 為t 時(shí)刻光伏組件表面溫度數(shù)值，單位℃ ；TSTC 為標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的環(huán)境溫度數(shù)值，單位℃；Ta （t ） 為t 時(shí)刻環(huán)境溫度數(shù)值，單位℃ ；TNOC 為光伏組件額定電壓工作溫度數(shù)值，單位℃。

按標(biāo)準(zhǔn)的太陽光照強(qiáng)度和溫度條件輸入公式（1），得到單塊太陽能光伏電池板的發(fā)電功率為1.5 kW，電壓為150 V。將此發(fā)電量向太陽能控制器輸入，使電流流向太陽能控制器?？刂破魍ㄟ^CAN 總線與電池管理系統(tǒng)（BMS）調(diào)節(jié)電壓電流，將150 V 的電壓升高至動力電池包的充電電壓給動力電池充電。動力電池通過電機(jī)控制器（MCU）的IGBT 功率模塊向電動機(jī)提供電能。

1.2 整車能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整車能量管理系統(tǒng)原理如圖3 所示。能量控制邏輯為：當(dāng)電池電量處于滿電狀態(tài)，整車為純電動行駛模式，能量動力模型為“電池—電動機(jī)（減速機(jī)構(gòu)）—車輪”；饋電狀態(tài)時(shí)（≤ 95%），整車進(jìn)入太陽能增程模式工作。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)啟動，通過算法產(chǎn)生控制開關(guān)管理的 PWM 脈沖信號來調(diào)節(jié)電路的占空比，控制單向DC/DC 變換器的MOSFET 晶體管。再使用MPPT 技術(shù)捕捉最高功率點(diǎn)，使光伏電池與系統(tǒng)的電壓等級相匹配，得到持續(xù)穩(wěn)定的最高輸出功率[17]。在這種情況下，增程式電動汽車可以看成是一種串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的工作模式，即：太陽能光伏電板—發(fā)電機(jī)—電池—電動機(jī)（減速機(jī)構(gòu)）—車輪。

1.2.1 行駛工況

（1）低壓蓄電池提供12 V 電壓喚醒BMS，BMS 實(shí)時(shí)檢測太陽能系統(tǒng)報(bào)文。若無相關(guān)通訊，BMS 報(bào)故障異常，禁止充電；太陽能系統(tǒng)同時(shí)也實(shí)時(shí)檢測BMS 報(bào)文，若無相關(guān)通訊，太陽能系統(tǒng)報(bào)故障異常。

（2）兩者通訊交互正常，車輛行駛過程，BMS 周期發(fā)送電池SOC、可允許充電電壓、允許充電電流、溫度和故障等報(bào)文信息，并向太陽能控制器發(fā)送指令：0x00 禁止充電。

（3）此時(shí)太陽能繼電器K3/K4 斷開，主負(fù)繼電器K1 和主正繼電器K2 閉合。車輛通過動力電池提供電能向驅(qū)動電機(jī)供電，驅(qū)動車輛行駛。

1.2.2 充電工況

（1）太陽能控制器喚醒無異常且交互正常，BMS 周期檢測并發(fā)送電池SOC、可允許充電電壓、允許充電電流、溫度和故障等報(bào)文信息。太陽能控制器接受BMS 發(fā)送報(bào)文信息后，如電池SOC ≥ 95% 或有故障，則發(fā)送BMS-CMD 指令：0x00 禁止充電。

（2）當(dāng)車輛SOC ＜ 95%，車速為0 km/h，電機(jī)轉(zhuǎn)速為0 r/min，驅(qū)動擋位處于P 擋，電池系統(tǒng)無輸出功率請求，整車處于OFF 擋時(shí)，太陽能控制器接收到BMS 發(fā)出的報(bào)文信息并判斷無故障條件后，太陽能控制器向BMS 發(fā)送指令：0x01 請求充電。

（3）BMS 檢測自身參教及故障狀態(tài)，閉合主負(fù)繼電器K1，主正繼電器K2 保持?jǐn)嚅_，開始向太陽能控制器發(fā)送BMS 指令：0x01 允許充電。

（4）太陽能控制器持續(xù)檢測BMS 報(bào)文，接收到允許充電，開始閉合太陽能系統(tǒng)K3/K4 繼電器，并發(fā)送充電電流和充電電壓值。太陽能控制器檢測溫度和光照強(qiáng)度等信息，計(jì)算分析后按控制器充電Map 補(bǔ)能充電。

（5）當(dāng)電池SOC 達(dá)到100% 或檢測到故障（含硬件斷開）等異常，太陽能控制器發(fā)送請求停止充電指令： 0x02 進(jìn)入下電狀態(tài)。太陽能繼電器K3/K4 斷開，主負(fù)繼電器K1 斷開，充電結(jié)束。如有異常則發(fā)送相關(guān)故障代碼至BMS。

（6）如太陽能控制器持續(xù)發(fā)送5 s 內(nèi)BMS 未接收到停止充電請求，可在5 s 后自動斷開K3/K4 繼電器結(jié)束充電，并發(fā)送故障異常，充電結(jié)束。

2 整車測試與試驗(yàn)驗(yàn)證

選擇日光照時(shí)間較長的夏天連續(xù)開展7 天實(shí)車路試，每天測試時(shí)間從8：00 ～ 20：00。整車滿載以 60 ～ 80 km/h 的車速行駛，SOC 從100% 直至10%，其他條件均保持一致，測試太陽能光伏電池板發(fā)電量有效利用率和續(xù)航里程變化情況，同時(shí)記錄天氣溫度范圍、光照強(qiáng)度和發(fā)電數(shù)據(jù)等（表2）。其中，太陽能光伏電池板發(fā)電量有效利用率等于有效使用發(fā)電量（功率分析儀讀?。┏詫?shí)際發(fā)電量（控制器表盤讀取）。

從表2 的試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)， 可以計(jì)算得到太陽能光伏電池板發(fā)電量有效利用率達(dá)到96.6%，說明太陽能發(fā)電除了少量的自身耗損之外，基本全部用于整車驅(qū)動。同等試驗(yàn)條件下，與沒有安裝太陽能光伏發(fā)電的續(xù)航里程198 km 相比，安裝太陽能光伏發(fā)電板實(shí)現(xiàn)了19 ～ 37 km/ 天的里程增程，續(xù)航增幅最低10%，最高能達(dá)到19%。

由式（1）可以看出，最大光照強(qiáng)度和溫度是影響光伏發(fā)電的兩個(gè)最主要因素。保持同等試驗(yàn)條件下，研究最大光照強(qiáng)度和溫度對發(fā)電量的影響規(guī)律。圖4 為發(fā)電量隨最大光照強(qiáng)度變化規(guī)律，圖5 為發(fā)電量隨溫度變化規(guī)律，由圖4 和圖5 可以看出，太陽能光伏系統(tǒng)發(fā)電量隨光照強(qiáng)度和溫度增大呈近似線性遞增關(guān)系。同理，本文設(shè)計(jì)的太陽能增程式電動輕卡續(xù)航里程隨光照強(qiáng)度和溫度增大呈近似線性遞增關(guān)系。

3 結(jié)束語

本文采用的太陽能增程式電動輕卡設(shè)計(jì)開發(fā)路線技術(shù)可行。同等試驗(yàn)條件下，與沒有安裝太陽能光伏發(fā)電的續(xù)航里程相比，安裝太陽能光伏發(fā)電板實(shí)現(xiàn)了19 ～ 37 km/ 天的里程增程，續(xù)航增幅最低10%，最高能達(dá)到19%。本文采用的太陽能光伏電池板發(fā)電量有效利用率達(dá)到96.6%，太陽能增程式電動輕卡續(xù)航里程隨光照強(qiáng)度和溫度增大呈近似線性遞增關(guān)系。

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作者簡介：

賓仕博， 博士， 高級工程師，研究方向?yàn)樾履茉雌噭恿ο到y(tǒng)設(shè)計(jì)、智能網(wǎng)聯(lián)汽車。