基于太阳能发电的纯电动公交车系统研究
太阳能是可再生、可持续性发展的战略能源。当前，各先进技术国家无不在新能源领域下赌注、投资本，特别是以汽车产业为经济支柱的国家，在新能源汽车动力上力图有所创新和发展，在太阳能汽车领域更是探索不止。其中，电动公交车因车顶面积较大，为太阳能板的安放提供便利，可利用太阳能发电直接驱动汽车，有效避免蓄电池充放电的能量损耗，延长了电动汽车蓄电池的使用寿命而成为发展的主流。同时，太阳能发电控制系统和电动车控制系统相结合的电-电混合控制系统使太阳能公交车成为可能。
【摘要】公交车在现代交通系统中占据着重要的角色。纯电动公交车具有低噪声、无污染、能量来源多样化、能量效率高的特点，是解决城市化中的公交车问题的重要途径。但是目前纯电动公交车还存在着续航里程较短、电池价格较高等缺点。而太阳能则是一种高效、清洁、取之不尽用之不竭的能源，将两者的结合可以在一定程度上缓解一下纯电动公交车的这些缺点。本文就这一问题进行了利用太阳能发电驱动汽车或补充蓄电池电力的研究和针对电源、太阳能发电的整车混合控制系统的设计，从而达到对公交车电源优化增加公交车续驶里程的目的。
【关键词】太阳能发电,纯电动公交车,太阳能电-电控制系统
1.引言
低压电气系统（照明、仪表和信号等用电）、车身附件（刮水器、电动车门）、空调器等，还需要一套辅助电池系统来供给电能，由于电动汽车上没有发动机来进行充电，因此这部分电能的消耗量也很大，正好可以利用太阳能发电系统进行补充。
2.太阳能发电系统的原理
太阳能发电系统是指能够把光伏电池产生的电能直接提供给负载或储能装置的系统。它主要是由太阳能电池阵列、控制电路、蓄电池组和负载组成。它既可以提供直流电也可以提供交流电，两种供电方式最主要的差别是系统在提供交流电时需要在负载和蓄电池组之间加入逆变器。
2.1工作过程
公交车太阳能发电系统的工作过程是：有光照的时候，光伏电池组件受到太阳光照产生电能产生的能量通过控制器以及逆变器的处理之后供给驱动系统。如果光照强烈且有富余的能量，则给蓄电池组充电。本设计优先为供给用电设备的辅助蓄电池充电，将驱动电力和辅助电力区分开有助于电池的充放电保护和延长使用寿命。如果在夜晚或是阴雨天的时候，太阳能电池组件产生的能量不能满足驱动系统工作，这时储存在蓄电池组的能量就可以供电机驱动汽车。如图1所示。
2.2独立光伏发电系统的构成
本设计的太阳能发电系统为独立的光伏发电系统，其构成为：
1）太阳能电池板。
2）控制器：控制器的功能包括充放电控制和最大功率点跟踪控制两项功能。其中，最大功率点追踪控制对整个电系统的高效工作起着至关重要的作用。
3）储能装置：电动车的动力电池和辅助电池。
4）逆变器：逆变器是在发电系统对交流负载供电时所必须的设备，因为太阳能电池所提供的是直流电，而公交车上所用负载皆需要用交流电方可工作，所以只有通过逆变器DC/AC的转换。
2.3太阳能电池板选型
本设计选择的太阳能电池板是由天合光能有限公司生产的天合Trina多晶系列太阳能组件，其主要功能为：组件可以承受雪压达5400Pa，承受风压达2400Pa；保证输出功率（0～+3%）；在弱光照条件下（多云天气和清晨、傍晚）具备高性能；采用4.0mm钢化玻璃，增加了组件耐用性；平均输出功率大约0.17kw/㎡。
2.4蓄电池的选择
为了最大限度地降低整个电动公交的重量，方便电动公交的运行，太阳能纯电动公交车的最佳选择是大容量高倍率蓄能的锂离子蓄电池。
本设计选择的是有比亚迪汽车公司生产的的磷酸铁锂电池（320/180*2），它的单位体积能量很大，高达400Wh/L，比能量可达130Wh/kg，而且磷酸铁锂电池的反复充电寿命长，单体电池的循环次数可达1500次以上。作为电池组如果有好的监控管理系统，在充放电时达到均衡程度，仍然可达1000次以上。因为太阳能蓄电池在使用时常常可以浮充或浅放，其电池组寿命不会像纯电动汽车那样短。磷酸铁锂电池的另一个优点是自放电率低，这在连续阴天和在夜间蓄存电能都有相当大的好处，可以提高电动车的性能。在磷酸铁锂电池的荷电容量保持60%～80%计算，使用年限应不低于3～5年，寿命相当于铅酸电池的三倍左右。磷酸铁锂电池充放电效率相对高一些，在85%-90%之间，除此之外磷酸铁锂电池工作温度范围宽广（-20C～+75C），有耐高温特性，电热峰值可达350℃～500℃；而且电池容量大，重量轻，无记忆效应，电池无论处于什么状态，可随充随用，无须先放完再充电，由于磷酸铁锂电池不含铅和镉等重金属，被业内称为绿色环保电池。
综合上述这些优点，磷酸铁锂电池是太阳能公交车动力电池的最佳选择。
3.太阳能发电系统发电效率及对公交车电源优化效率分析
3.1整车规格设计
整车规格设计要求如表1所示：
3.2车顶面积计算
由表1知车顶面积为：
12.00*2.50=30㎡
顶部太阳能电池板采取边缘倾斜安放，故面积可增加15%，此时车顶面积为：
30*1.15=34.50㎡
由于有效光照面积约为70%，则有效光照的车顶面积为：
34.50*0.7=24.15㎡
此时每小时的输出功率为：
24.15*0.17=4.10kW·h
若一天有效光照时间为6h，每天可发电：
4.10*6=24.64kW·h
可见太阳能发电系统可以有效延长公交车的续驶里程，而且在光照条件较好，太阳能发电系统可在直接供给汽车驱动系统状态下，有效避免了蓄电池充放电的能量损耗，对延长蓄电池的使用寿命起到一定作用。4.整车控制系统设计
整车控制系统设计如图2所示。
太阳能电动汽车上其控制系统不仅仅控制电动源（电池），还要增加太阳能光伏电池阵列的控制功能。太阳能光伏电池所供应的电压与蓄电池组饱和电压基本相同，可直接耦合，在太阳能功率充足时，多余的能量进入储能的蓄电池，在太阳能光电功率不足时由蓄电池完成电力驱动的任务。所以控制系统的作用就是对充电和放电的过程进行控制和保护，保证对整个电动源系统的正常充电、放电以及对电动汽车的驱动。
4.1太阳能电-电混合控制系统
太阳能电-电混合控制系统是控制太阳能光伏电池阵列板对蓄电池的充电以及蓄电池和太阳能电池对负载的放电过程，实现对太阳能光伏电池和蓄电池的科学管理，指示蓄电池过压、欠压等运行状态，控制电能量达到高电压、高功率的程度，实现太阳能驱动和蓄电池驱动的混合驱动模式和模式的智能控制转换功能，具有两路负载输出的管理，或两路负载可以随意设置为同时工作、分时工作或单独工作等模式，同时具有负载过流、短路保护功能，具有较高的自动化和智能化水平，同时实现对驱动系统和车载电气系统的智能控制。其硬件结构主要由电压采集电路、负载输出控制与检测电路、指示或显示电路及键盘电路等部分组成。电压采集电路包括太阳能光伏电池板和蓄电池电压采集，用于太阳光线强弱的识别以及蓄电池电压的获取等，太阳能电动公交车控制系统的软件设计与硬件电路是相对应的，包括有主程序、定时中断程序、A/D转换子程序、外部转换子程序及键盘处理子程序、充放电管理子程序、负载管理子程序等。
太阳能电-电混合控制系统是太阳能电池充电控制系统、电源管理系统的和电机控制系统的综合控制系统，区别于一般控制系统的主要特点有：
1）采用分级管理控制，内核控制外围电路和大功率电路先后上电，避免电源波动引起上电失效。
2）能够对太阳能电池板进行实时监控。
3）行使/停放都能够给蓄电池组进行充电，增加行驶里程。
4）可以对每个电池的荷电状态进行管理，并具有主动电荷平衡能力，避免充/放电保护，从而最大化电池组的整体容量。
5）使用相控调压技术，实现无级调速。
6）通过实时检测电机的电压和电流的相位差和波形，进行对发动机的输入功率的控制，实现所供即所需。
4.2电源管理系统
电源管理控制系统利用子系统的控制功能对蓄电池进行充电管理时，若太阳能光伏电池正常充电蓄电池时，控制器将关断负载，以保证负载不被损伤，当充电电压高于保护电压时自动关断对蓄电池的充电；此后若电池电压掉至维护电压时，蓄电池进入浮充状态，当蓄电池低于维护电压时，启动的应当是均充状态。当蓄电池荷电电压低于保护电压时，控制系统应当自动关闭负载开关，以保护蓄电池不受损坏。在蓄电池负载关闭后，有两路充电电路可选择使用，在太阳光照较强时自动启动太阳能光伏电池板充电电路，使其发挥更大功效，或使用外充电源进行快速充电。本设计利用基于Peukert方程法和神经网络法的SOC（电池荷电状态）预测算法建立针对磷酸铁锂特性的电池管理系统，其硬件设计包括电压检测电路、太阳能充电和外部充电控制电路、热敏电阻的温度检测电路、CAN通信模块等，软件设计包括系统整体软件设计、电压和温度采集程序、CAN总线通信的信息接收和发送，以及与整车管理系统通讯的通信规约等。
4.3电机驱动系统
电机驱动系统主要由交流同步电机、电力电子变流器（IGBT集成模块）、数字控制器和智能化传感器等几个核心部分组成。
a.太阳能公交车电机采用的是稀土交流永磁同步电机（150KW），这种交流无刷电机是轻质材料制造，非常适合于太阳能电动公交车“轻”的要求，在额定的RPM（每秒转速）达到99%的使用效率。这比以前使用直接引导式驱动传送动力装置要先进。这种传送动力的装置也称其为机械驱动。这种机械驱动系统还有选用传统汽车的变速器、传动轴、后桥和半轴等部件的。而电动机通过链条和履带同一个单一的齿轮传动装置，与车轮链接的引导式装置要比机械驱动装置先进了一步。双线圈电动机成为电动车常用的传动装置。在双线圈之间转换改变了电动机的速度，低速线圈能为太阳能汽车的启动和减速提供高的转力矩，而高速线圈则为汽车运行提供高效率和最佳的运行效果。工作时，电机峰值功率可达300KW，最大扭矩1400N.m。电机结构设计紧凑，重量轻、体积小、能量密度高。无需匹配变数箱，实现无级变速。
b.电机控制器特点：1）基于磁场定向的电流矢量控制，采用SVPWM调制方法、死区补偿等技术，使得力矩控制精度高、脉动小，提高了控制系统的性能。2）具有完善的故障检测与保护功能，包括：过流、过压、欠压、过载、超速、过温等保护功能，提高了控制系统的可靠性。3）具有自动调谐和无速度传感器矢量控制功能，便于用户快速应用，提高生产效率，降低成本。
综上可知，该电机驱动系统很能满足基于太阳能的纯电动公交的需求。
4.4其它系统
本设计的其他系统主要有采用分层级式控制的智能化能量管理系统（如图3所示）、具有制动能量的回收的再生制动控制系统、采用可靠性高、低成本、高效率以及高功率的直流无刷电机为助力电机的电动助力转向系统。
5.总结
太阳能公交车的太阳能发电系统在光照较好的条件下，能够为驱动系统提供充足的动力支持。太阳能电-电混合控制系统的设计保证了太阳能发电系统和电源管理系统、驱动系统的相互通信协调，使太阳能电动公交车安全平稳的运行，并能实现对公交车电源的优化目的，从而达到增加续驶里程和节能减排的目的。
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