一 引言

　　隨著社會經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，近年來能源短缺與環(huán)境污染已成為一個不容忽視的問題，而燃油汽車的普及令這一問題更加突出。與日俱增的能源與環(huán)境壓力迫使人們以前所未有的精力開展對現(xiàn)有燃油車的改造以及對混合動力汽車和純電動汽車的研究與開發(fā)。

　　太陽能是為清潔環(huán)保的能源之一，將太陽能應(yīng)用在汽車上將以零污染的形式獲得能量，具有巨大的社會意義。現(xiàn)階段鑒于太陽電池的轉(zhuǎn)換效率較低，一般車載太陽電池板的輸出功率不起過1kW，達不到作為動力能源的要求，但是卻可以應(yīng)用于燃油汽車的啟動型蓄電池充電及行車狀態(tài)時的12V母線供電。太陽電池對蓄電池的充電可以充分保證車輛不會因為長時間停車而耗干電池，從而避免車輛因蓄電池沒電而出現(xiàn)啟動困難的狀況。太陽電池參與車身12V母線供電時，可以減小發(fā)動機的負載，達到節(jié)油的目的。對于混合動力車輛與純電動車輛，車輛的行駛以及車載空調(diào)、影音等設(shè)備的供電完全依賴于動力電池存儲的電能，引入太陽電池后，在行車過程中太陽電池可以參與車身12V蓄電池的充電以及對12V母線供電，減小動力電池的消耗，停車后其現(xiàn)有的輸出功率在電池管理器與開關(guān)板的配合下，可以完成對汽車動力電池的均衡充電，使電池具有較好的一致性，達到延長電動車輛行駛里程與電池壽命的效果，具有巨大的實用效益。

　　二太陽能在燃油車上的應(yīng)用設(shè)計

　　燃油車上安裝太陽電池板的位置是車頂，可以地獲得太陽能。燃油車在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增加太陽能板塊較容易實施。其需要增加的部件主要是一個太陽電池板與一個DC/DC變換器。燃油車太陽能系統(tǒng)工作示意圖如圖1所示。DC/DC模塊由太陽電池板供電，采用開關(guān)電源形式設(shè)計，具有寬電壓輸入、變換效率高以及輸出穩(wěn)定的特征。由于太陽電池的輸出電壓不高，可以設(shè)計成為非隔離式，而DC/DC模塊可以設(shè)計得很小，效率也較隔離式高很多。

　　當(dāng)太陽光線充足時，DC/DC變換器將參與供電；而太陽光線不足時，由于DC/DC變換器由太陽電池板供電，其在太陽電池板輸出不足時會自己停止工作，因此整個太陽能模塊不會消耗汽車的任何電能。

　　三太陽能在電動汽車上的應(yīng)用設(shè)計

　　純電動汽車是未來汽車發(fā)展的一個主要方向，也是混合動力汽車的發(fā)展目標(biāo)，因此，研究太陽能在純電動汽車上的應(yīng)用具有前瞻性與實用價值，這也是本文研究的主要內(nèi)容。

　　1太陽能系統(tǒng)的應(yīng)用前提

　　純電動汽車使用車載動力電池供電，通過電機控制器獲得合適的電壓和電流，從而驅(qū)動電動機使整車獲得合適的動力。動力電池一般由多組電池串聯(lián)組成，目前基本上是由鋰電池組成，每個鋰電池的電壓約為3.7V，整個動力電池組由100節(jié)左右的鋰電池串聯(lián)組成。為了保證停車后車載防盜報警器、無線鑰匙感應(yīng)系統(tǒng)等設(shè)備的運行，以及行車后整車12V低壓母線的供電，電動汽車除了動力電池外，與燃油車一樣也配有一個12V的電池組。由于動力電池是由很多個單節(jié)電池組合而成，而且采用的是串聯(lián)的模式，因此對電池的一致性提出了很高的要求。

　　電動汽車必須具有動力電池管理器，以便對動力電池的狀態(tài)實施實時監(jiān)測，對每個電池的電壓、工作電流、剩余容量、是否漏電、是否過溫等信號實現(xiàn)監(jiān)控。

　　2太陽能系統(tǒng)方案選擇

　　電動汽車的動力由電動機提供，在行駛過程中，由于電動機的輸出功率時刻在變化，而且還伴隨著一些剎車與下坡時的能量回饋等因素，必然會造成動力電池組的電壓波動，而且由于電動機是感性元器件，因此電壓的波動較大。根據(jù)此特征，太陽能模塊的輸出有兩種方案可供選擇。

　　種方案：采用升壓DC/DC，將太陽電池板輸出的電壓經(jīng)DC/DC變成330V的高壓直流，直接給整個動力電池組充電。

　　第二種方案：采用降壓型DC/DC，將太陽電池板輸出的電壓變成12V的低壓，通過使用電池管理器監(jiān)控電池的狀態(tài)，控制開關(guān)板的開關(guān)狀態(tài)，完成對某些電壓、剩余電量較低的電池的充電，以達到增加續(xù)航里程的目的。系統(tǒng)中開關(guān)板使用集成光電開關(guān)（光MOS管），成本較低，原理如圖2所示。在開關(guān)板內(nèi)有12V轉(zhuǎn)4.2V的小模塊，以提供合適的電壓給單節(jié)電池充電。

　　種方案由于采用升壓，而且是330V的高壓，因此DC/DC的設(shè)計必須考慮到安全性的問題，應(yīng)采用隔離式設(shè)計。第二種方案由于使用的是低壓，因此DC/DC可以采用非隔離的形式。相比種，非隔離式具有更高的效率，而且省卻了隔離變壓器，制作成本更低。由于種方案是對整個電池組充電，基本上不能提高電池特性的一致性；第二種方案由于采用開關(guān)板對單個電池進行單獨充電，因此可以較好地提高電池的一致性。

　　綜合各方面優(yōu)劣比較，設(shè)計的整個系統(tǒng)采用第二種方案。盡管相比種方案增加了一個開關(guān)板，但是由于工作更加安全可靠，效率更高，而且DC/DC的設(shè)計更加簡單經(jīng)濟，相比之下，其實際效果無論是從經(jīng)濟上還是從實用上都要大大優(yōu)于種方案。

　　3太陽能系統(tǒng)工作狀態(tài)

　　鑒于電動汽車在行駛與停止?fàn)顟B(tài)時電池組的電壓變化并不相同，因此，太陽電池在電動汽車中的工作狀態(tài)也分為兩種情況：停車狀態(tài)與行車狀態(tài)。

　　在行車狀態(tài)時，由于動力電池兩端的電壓變化較大，無法準(zhǔn)確判斷電池的特性，也就無法確定為哪一節(jié)電池充電，此時整車的12V母線電壓是相對穩(wěn)定的，因此，在行車狀態(tài)中電動車的太陽能模塊的工作模式與燃油車類似，其能量主要是提供給整車12V母線。但是在電機停止運轉(zhuǎn)時，動力電池的電壓變化很小，此時，太陽能模塊的輸出主要是給動力電池組中容量較低、特性較差的電池充電。太陽能模塊在電動車中的工作示意圖如圖3所示。

　　值得注意的是，電池管理器在行車時是從整車12V母線獲得電能而工作，從而確保行車的安全。而在停車狀態(tài)下，為了保證充電的有效性，電池管理器的電能由太陽能模塊提供，當(dāng)太陽能模塊提供的能量不足時，會自動停止工作，如果使用12V蓄電池供電，會造成蓄電池電能的浪費，甚至?xí)母尚铍姵氐碾娏慷鴮?dǎo)致一些故障出現(xiàn)，如無法啟動等（電動車在啟動前，一些如電機控制器里面的IC需要提前有電能供應(yīng)）。

　　在電動汽車的設(shè)備中，不管是否使用太陽能模塊，電池管理器都是不可或缺的部件之一，因此，加裝太陽能模塊后，為了使電池管理器與太陽能模塊協(xié)同工作，僅需要對電池管理器的軟件做一些調(diào)整即可，基本上沒有硬件成本的增加。對于開關(guān)板，由于工作在低壓范圍，并且只在停車狀態(tài)下才會使用太陽能模塊對電池進行充電，不會有很高的電壓尖峰出現(xiàn)，因此對于開關(guān)板的集成光電開關(guān)IC的選型要求并不是很高，成本也不高。

　　在電動車上增加太陽能模塊，并以開關(guān)板類似于選通的工作方式來均衡電池的特性，具有非常實用的價值。對于電池的特性，由于工藝問題不可能做到完全一致，電池的一致性將直接影響到整車的使用年限與續(xù)航路程。使用太陽電池對少數(shù)一致性不好的電池進行單獨充電維護，不僅實施起來簡單，而且具有不錯的效果。

　　四 結(jié)論

　　本文設(shè)計的太陽電池模塊的應(yīng)用涉及到電力電子中的開關(guān)電源技術(shù)、汽車控制技術(shù)、單片機技術(shù)和鋰電池充放電特性等多個方面，重點對太陽能模塊在電動汽車上的應(yīng)用及其相應(yīng)的控制策略做了研究，對于將來太陽能在汽車上的應(yīng)用具有一定的理論和工程參考價值。