CN102570579B - 用于汽车空调装置的太阳能供电系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可再生能源技术，特别涉及一种利用太阳能向汽车空调装置供电的系统和方法。按照本发明的用于汽车空调装置的太阳能供电系统包括：太阳能电池单元；蓄电池，适于存储太阳能电池单元输出的电能；以及电源管理单元，其与太阳能电池单元、蓄电池以及汽车空调装置连接，其中，当汽车发电机无电能输出或者输出小于一个预设的阈值时，电源管理单元使汽车空调装置由太阳能电池单元和/或蓄电池供电，其中，如果太阳能电池单元和蓄电池能够满足汽车空调装置在一个预先估计的时段内的用电量，则使太阳能电池单元和蓄电池同时向汽车空调装置供电，否则，则使蓄电池向汽车空调装置供电并且同时使太阳能电池单元向蓄电池充电。

Description

用于汽车空调装置的太阳能供电系统和方法

技术领域

本发明涉及可再生能源技术，特别涉及一种利用太阳能向汽车空调装置供电的系统和方法。

背景技术

汽车空调装置的基本功能是用认为的办法在车厢中形成一定的气候环境，例如在夏天使车内降温，在冬天使车内升温。用于汽车的冷暖合一式空调装置一般包括空调压缩机、蒸发器、加热器、鼓风机和控制面板，其中空调压缩机由汽车的发动机主机带动，而加热器和鼓风机等可由汽车的发电机和车载蓄电池提供电力。在汽车中，汽车空调装置的耗电量明显超过其它电器(例如照明装置和音响)，因此如何有效管理汽车空调装置的供电就显得尤为重要。

太阳能是一种重要的可再生能源，其具有永不枯竭、对环境无污染以及使用不受地域资源限制等优点，正得到迅速的推广应用。根据光生伏特效应原理，利用太阳电池可以将太阳光能直接转化为电能。目前业界已经开发出将太阳能作为汽车能量来源的技术，但是在太阳能使用效率方面却乏善可陈。显然，如果能够大幅度提高太阳能使用效率，则将极大地改善目前人类因为依赖化石燃料而面临的一系列的困境。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于汽车空调装置的太阳能供电装置，其可以提高太阳能的利用效率并增强汽车空调装置的性能。

上述目的可以由下述技术方案实现。

一种用于汽车空调装置的太阳能供电系统，包括：

太阳能电池单元；

蓄电池，适于存储所述太阳能电池单元输出的电能；以及电源管理单元，其与所述太阳能电池单元、所述蓄电池以及汽车空调装置连接，

其中，当汽车发电机的输出功率小于一个预设的阈值时，所述电源管理单元使所述汽车空调装置由所述太阳能电池单元和/或所述蓄电池供电。

优选地，在上述太阳能供电系统中，所述电源管理单元按照下列方式使所述汽车空调装置由所述太阳能电池单元和/或所述蓄电池供电：

如果所述太阳能电池单元和所述蓄电池能够满足所述汽车空调装置在一个预先估计的时段内的用电量，则使所述太阳能电池单元和所述蓄电池同时向所述汽车空调装置供电，否则，则使所述蓄电池向所述汽车空调装置供电并且同时使所述太阳能电池单元向所述蓄电池充电。

优选地，在上述太阳能供电系统中，所述电源管理单元根据下式判断所述太阳能电池单元和所述蓄电池是否能够满足所述汽车空调装置在所述预先估计的时段内的用电量，：

$\frac{\mathrm{SOC}\×C\×V}{\mathrm{\τ}}+P_s+d\%\≥P_c$

其中，τ为所述预先估计的时段，P_c为所述汽车空调装置的功率负荷的典型值，P_s为所述太阳能电池单元的输出功率的估计值，d％为所述太阳能电池单元的输出功率的平均功率系数，SOC、C和V分别所述蓄电池当前的SOC值、容量和输出电压。

优选地，在上述太阳能供电系统中，所述电源管理单元包括：

与所述蓄电池相连的充电适配电路，用于将输入的电压转换为适于所述蓄电池的充电电压；

与所述汽车空调装置相连的电压转换电路，用于将输入的电压转换为适于所述汽车空调装置的工作电压；

控制器；

切换电路，与所述太阳能电池单元、所述充电适配电路、所述电压转换电路以及所述控制器相连，用于在控制器的控制下使所述太阳能电池单元和所述蓄电池同时向所述汽车空调装置供电，或者使所述蓄电池向所述汽车空调装置供电而与此同时使所述太阳能电池向所述蓄电池充电。

优选地，在上述太阳能供电系统中，所述控制器包括：

计算装置，用于计算所述蓄电池的荷电状态；

与所述计算装置相连的通信装置，用于获取所述蓄电池的状态参数并将这些状态参数送往所述计算装置；以及

与所述计算装置相连的控制策略生成装置，用于完成下列操作：

如果所述太阳能电池单元和所述蓄电池的供电能力与在一个预先估计的时段内的所述汽车空调装置的用电量满足下式，则指示所述切换电路使所述太阳能电池单元和所述蓄电池向所述汽车空调装置同时供电：

$\frac{\mathrm{SOC}\×C\×V}{\mathrm{\τ}}+P_s+d\%\≥P_c$

其中，τ为所述预先估计的时段，P_c为所述汽车空调装置的功率负荷的典型值，P_s为所述太阳能电池单元的输出功率的估计值，d％为所述太阳能电池单元的输出功率的平均功率系数，SOC、C和V分别所述蓄电池当前的SOC值、容量和输出电压；

否则，则指示所述切换电路使所述蓄电池向所述汽车空调装置供电而与此同时使所述太阳能电池向所述蓄电池充电。

优选地，在上述太阳能供电系统中，所述预先估计的时段τ按照下式确定：

$\mathrm{\τ}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\τ}}_i}{N}$

且τ_i≤T

其中，T为预设的常数，N为一段时间内发生下列事件的次数：所述汽车的发电机停止运行后经历一定的时间再重新开始运行并且该经历的时间不大于常数T，τ_i为第i次所述事件中所述汽车的发电机停止运行至重新开始运行所经历的时间。

在上述太阳能供电系统中，所述预先估计的时段τ按照下式确定：

τ＝median(τ₁，τ₂，...，τ_N)

且τ_i≤T

其中，T为预设的常数，N为一段时间内发生下列事件的次数：所述汽车的发电机停止运行后经历一定的时间再重新开始运行并且该经历的时间不大于常数T，τ_i为第i次所述事件中所述汽车的发电机停止运行至重新开始运行所经历的时间，median(τ₁，τ₂，...，τ_N)为τ₁，τ₂，...，τ_N的中位数。

本发明的另一个目的是提供一种用于汽车空调装置的太阳能供电控制方法，其可以提高太阳能的利用效率并增强汽车空调装置的性能。

上述目的可以由下述技术方案实现。

一种用于汽车空调装置的太阳能供电控制方法，所述汽车包括太阳能电池单元和能够存储所述太阳能电池单元输出的电能的蓄电池，当汽车发电机的输出功率小于一个预设的阈值时，按照下列步骤向所述汽车空调装置供电：

获取所述太阳能电池单元和所述蓄电池的状态参数；

如果汽车发电机处于非运行状态，则根据所述状态参数使所述汽车空调装置由所述太阳能电池单元和/或所述蓄电池供电。

优选地，在上述太阳能供电控制方法中，按照下列方式使所述汽车空调装置由所述太阳能电池单元和/或所述蓄电池供电：

如果所述太阳能电池单元和所述蓄电池的供电能力能够满足在一个预先估计的时段内的所述汽车空调装置的用电量，则使所述太阳能电池单元和所述蓄电池同时向所述汽车空调装置供电，否则，则使所述蓄电池向所述汽车空调装置供电并且同时使所述太阳能电池单元向所述蓄电池充电。

优选地，在上述太阳能供电方法中，根据下式判断所述太阳能电池单元和所述蓄电池的供电能力是否能够满足所述汽车空调装置在所述预先估计的时段内的用电量：

$\frac{\mathrm{SOC}\×C\×V}{\mathrm{\τ}}+P_s+d\%\≥P_c$

其中，τ为所述预先估计的时段，P_c为所述汽车空调装置的功率负荷的典型值，P_s为所述太阳能电池单元的输出功率的估计值，d％为所述太阳能电池单元的输出功率的平均功率系数，SOC、C和V分别为所述蓄电池当前的SOC值、容量和输出电压。

优选地，在上述太阳能供电方法中，所述预先估计的时段τ按照下式确定：

$\mathrm{\τ}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\τ}}_i}{N}$

且τ_i≤T

其中，T为预设的常数，N为一段时间内发生下列事件的次数：所述汽车的发电机停止运行后经历一定的时间再重新开始运行并且该经历的时间不大于常数T，τ_i为第i次所述事件中所述汽车的发电机停止运行至重新开始运行所经历的时间。

优选地，在上述太阳能供电方法中，所述预先估计的时段τ按照下式确定：

τ＝median(τ₁，τ₂，...，τ_N)

且τ_i≤T

其中，T为预设的常数，N为一段时间内发生下列事件的次数：所述汽车的发电机停止运行后经历一定的时间再重新开始运行并且该经历的时间不大于常数T，τ_i为第i次所述事件中所述汽车的发电机停止运行至重新开始运行所经历的时间，median(τ₁，τ₂，...，τ_N)为τ₁，τ₂，...，τ_N的中位数。

按照本发明的实施例，在汽车发电机不工作时汽车空调装置可以由太阳能供电系统供电，从而放宽了空调使用的限制条件。另外，在本发明的实施例中，可以比较准确地预先估计太阳能供电系统的供电能力与汽车空调装置的用电量是否匹配，为合理、高效率地使用太阳能提供了决策依据。又，在供电能力与用电量不匹配时，通过使蓄电池供电而太阳能电池单元对蓄电池充电的方式，既可以部分满足汽车空调装置的负荷需求，又能够有效延缓蓄电池的SOC下降过大和过快。

从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其它目的及优点更加完全清楚。

附图说明

图1为按照本发明一个实施例的太阳能供电系统的结构框图。

图2为图1所示的太阳能供电系统中的电源管理单元的内部结构示意图。

图3为图2所示的电源管理单元中的控制器的内部结构示意图。

图4为蓄电池的一个物理模型的示意图。

图5为按照本发明一个实施例的SOC计算方法的流程图。

图6、7和8分别为图5所示实施例中的蓄电池工作电压修正值、工作温度和SOC状态的隶属函数示意图。

图9为图1所示的太阳能供电系统中的太阳能电池单元的内部结构示意图。

图10为图9所示的太阳能电池单元中的输出功率优化电路对太阳能电池的工作点进行实时控制调整的策略示意图。

图11为按照本发明另一个实施例的太阳能供电控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将根据表示本发明实施方式的附图具体说明本发明。

在本说明书中，“连接”一词应当理解为在两个单元之间直接传送能量或信号，或者经一个或多个第三单元间接传送能量或信号，而且这里所称的信号包括但不限于以电、光和磁的形式存在的信号。

图1为按照本发明一个实施例的太阳能供电系统的结构框图。

参见图1，本实施例的太阳能供电系统10包括太阳能电池单元100、蓄电池200和电源管理单元300。太阳能电池100经电源管理单元300分别与蓄电池200连接，此外，电源管理单元300与汽车空调装置20相连以将来自太阳能电池单元100和蓄电池200的电能输送给汽车空调装置20。在图1中，电源管理单元300可以根据太阳能电池单元100和蓄电池200的状态(例如包括但不限于太阳能电池单元的输出功率和蓄电池200的荷电状态等)确定太阳能供电系统10的供电能力，从而按照一定的供电策略在太阳能电池单元100、蓄电池200和汽车空调装置20之间分配能量。具体的供电分配策略将在后面作详细描述。

由太阳能供电系统10供电的汽车空调装置20的用电部件例如包括但不限于空调压缩机、鼓风机以及空调的电气控制设备等。

图2为图1所示的太阳能供电系统中的电源管理单元的内部结构示意图。

参见图2，电源管理单元300包括充电适配电路310、电压转换电路320、控制器330和切换电路340，其中，切换电路340的两个输入端T1、T2分别与图1中的太阳能电池单元100和充电适配电路310相连，两个输出端T3、T4分别连接至充电适配电路310和电压转换电路320，另外，切换电路340的控制端T5被连接至控制器330。应该理解的是，端子T1-T5中的每一个都可以包含一个或多个输入-输出通道，例如T4端可以是一个包含两个输入-输出通道的端口，其中一个通道用于太阳能电池单元100对汽车空调装置20的供电，另一个用于蓄电池200对汽车空调装置20的供电。

充电适配电路310与图1中的蓄电池200相连，以将切换电路340提供的电压转换为适于蓄电池200的充电电压。电压转换电路320与图1中的汽车空调装置20相连，可以将切换电路340提供的电压转换为适于汽车空调装置20的工作电压。

在控制器330的控制下，切换电路340可以实现下列任一操作状态：

a)使T1端与T3端之间接通，从而使得太阳能电池单元100经充电适配电路310向蓄电池200充电。

b)使T1端与T4端之间接通，从而使得太阳能电池单元100经电压转换电路320向汽车空调装置20供电。

c)使T2端与T4端接通，从而使得蓄电池200经充电适配电路310和电压转换电路320向汽车空调装置20供电。

值得指出的是，上述操作状态可以是兼容的，也即有些操作状态是可以共存的。例如，操作状态b)和c)可以共存从而实现太阳能电池单元100和蓄电池200向汽车空调装置20的共同供电，又如，操作状态a)和c)可以共存从而实现太阳能电池单元100向蓄电池200充电而蓄电池200向汽车空调装置20供电。

图3为图2所示的电源管理单元中的控制器的内部结构示意图。

参见图3，控制器330包括计算装置331、通信装置332和控制策略生成装置333，其中计算装置331与通信装置332和控制策略生成装置333相连，控制策略生成装置333还与图2中的切换电路340的控制端T5相连。

在图3中，通信装置332例如从连接到总线上的传感器获取蓄电池200的状态参数(例如包括但不限于蓄电池200的温度、电流和电压等)并将获得的状态参数送往计算装置331。计算装置331根据上述状态参数计算蓄电池200的荷电状态并将计算得到的结果送至控制策略生成装置333。有关计算装置331计算荷电状态的方式将在下面作进一步的描述。

控制策略生成装置333是控制器330的核心，用于根据蓄电池200的荷电状态生成相应的命令并输出至切换电路340的控制端T5，以使图2中的切换电路340实现上面所述的连接状态a)-c)中的一种或多种。

当汽车发动机运行时，发电机将发动机产生的部分机械能转换为电能提供给汽车电器，而当发动机停转时，发电机将无法提供电能。在本发明的实施例中，发电机停止发电或者输出功率很小时，汽车空调装置20由太阳能供电系统负责供电，此时控制策略生成装置333将按照下列方式生成命令。

首先估算太阳能供电系统10的供电能力。在本实施例中，本发明的发明人提出下列参数来表征供电能力：

$P_a=\frac{\mathrm{SOC}\×C\×V}{\mathrm{\τ}}+P_s\×d\%---\left(1\right)$

其中，P_a为供电能力，τ为汽车空调装置20需要由太阳能供电系统10供电的持续时间或时段的估计值，有关该数值的确定方式将在下面作进一步的描述，P_s为太阳能电池单元100的输出功率的估计值，d％为太阳能电池单元100的输出功率的平均功率系数，SOC、C和V分别蓄电池200当前的荷电状态的取值、电池容量和输出电压。

虽然太阳能电池单元100的输出功率随着时间或日照条件会发生变化，但是发明人经过研究发现，由于在由太阳能供电系统10供电的持续时间内(其例如一般不超过30分钟)输出功率的变化不会很大，因此在公式(1)中采用当前的输出功率作为持续时间内的输出功率一般并不会带来较大的误差。此外，太阳能电池单元100当前的输出功率既可以通过测量输出电压和电流得到，也可以通过利用经验公式，根据测量得到的光照强度计算出来。

上述预先估计的时段τ可以利用多种方式确定。例如，可以由用户自行设定。另外，也可以采用基于用户使用汽车的习惯或历史记录的统计值作为预先估计的时段τ。

下列公式(2)给出了一种可用作预先估计的时段τ的统计值的计算方式：

$\mathrm{\τ}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\τ}}_i}{N}---\left(2\right)$

且τ_i≤T

其中，T为预设的常数，可以视为是汽车空调装置20需要由太阳能供电系统10供电的最长的持续时间(例如可以设置为30分钟或60分钟)。该最长时间T的设置是有用的，其可以将下列两类情形有效地区分开来：汽车因为某些原因(例如接人、去超市购物马上返回等)临时停驶并将在不久重新发动汽车；用户将在很长时间内不再发动汽车(例如回家停车后可能需要在第二天才用车)。应该理解，在后一种情形下的停驶-再发动期间，汽车空调装置20一般是无需工作的。N为一段时间(例如1个月、1年或者汽车使用以来)内发生前一种情形下的停驶-再发动的事件的次数。τ_i为在第i次这样的事件中，汽车发电机停止运行至重新开始运行所经历的时间。

下列公式(3)给出了另一种可用作预先估计的时段τ的统计值的计算方式：

τ＝median(τ₁，τ₂，...，τ_N)          (3)

且τ_i≤T

其中，T、N和τ_i的含义同上，median(τ₁，τ₂，...，τ_N)表示τ₁，τ₂，...，τ_N的中位数。

在估算出太阳能供电系统10的供电能力之后，控制策略生成装置333即可考察供电能力是否能满足汽车空调装置在时段τ内的用电量。例如可以根据下列不等式(4)是否得到满足来进行判断：

$\frac{\mathrm{SOC}\×C\×V}{\mathrm{\τ}}+P_s+d\%\≥P_c---\left(4\right)$

其中，τ、P_s、d％、SOC、C和V的含义同上，P_c为汽车空调装置的功率负荷的典型值。

上述功率负荷的典型值P_c可以利用多种方式确定。例如，对于一定的车型和使用地理区域，相同温差(用户希望达到的汽车内部空间的温度与环境温度之差)下汽车空调装置20的耗电量基本上一致，因此可以将汽车空调装置20在各种温差下的平均功率负荷设定为在相应温差下的功率负荷的典型值。再如，为了提高供电的可靠性，可以将汽车空调装置20的瞬间最大功率负荷与一个小于1的常数系数的乘积设定为功率负荷的典型值，此时可以通过调整该常数系数来方便地调整功率负荷的典型值的取值。

如果上述不等式(4)得到满足，则表明太阳能供电系统100的供电能力与汽车空调装置20的用电需求匹配，此时控制策略生成装置333将生成使切换电路340实现操作状态b)和c)的命令并输出至切换电路340的T5端，从而使太阳能电池单元100和蓄电池200同时向汽车空调装置20联合供电。

如果上述不等式(4)未得到满足，则表明太阳能供电系统100的供电能力与汽车空调装置20的用电需求不匹配，此时控制策略生成装置333将生成使切换电路340实现操作状态a)和c)的命令并输出至切换电路340的T5端，从而使太阳能电池单元100向蓄电池200充电，与此同时使蓄电池200向汽车空调装置20供电。之所以采用该策略的原因是既然汽车空调装置20的用电需求肯定无法得到满足，则应该使蓄电池200的SOC维持在一定水平上，从而在延长蓄电池200的使用寿命与向汽车空调装置20供电之间取得平衡。

以下描述计算装置331计算荷电状态的方式。

该方式的基本思想由发明人提出，要点是首先将蓄电池分为两个状态，即蓄电池内部结构稳定并且流经的电流较小的状态(以下又称为状态1)和蓄电池内部结构不稳定或者流经的电流较大的状态(以下又称为状态2)，然后针对不同的状态采用不同的算法。

发明人经过研究发现，当汽车处于静止状态超过一段时间之后，蓄电池的内部结构一般比较稳定；发明人还发现，在汽车处于静止状态超过一段时间之后并且蓄电池的电流小于一定的电流值(该值可以根据实验确定并且对于一块蓄电池来说在蓄电池工作寿命期间基本上保持固定)时，用下式(5)计算得到的蓄电池的SOC的准确度较高：

SOC＝η1×[Es+I×(R0+Rr)]+η2    (5)

其中Es为蓄电池的电压，I为蓄电池的电流，R0为蓄电池的欧姆内阻，Rr为蓄电池的极化内阻，η1和η2为常数(可以通过实验确定)。

另一方面，当汽车处于运行状态或蓄电池的电流大于或等于上述电流值时，发明人发现由式(5)计算得到的结果的精度不能令人满足，此时应采用电流积分法计算蓄电池的SOC。

由于温度将对蓄电池的SOC产生影响，因此为了获得精确的结果，应该将温度因素考虑进去。发明人经过研究发现，下式(6)可以较好地反映温度对按照电流积分法计算得到的SOC的影响：

$\mathrm{SOC}=[1+a(\mathrm{\Δt}+b)]-c\underset{0}{\overset{t}{\∫}}i\left(x\right)\mathrm{dx}---\left(\text{6}\right)$

其中Δt为蓄电池的温度增大值，i(x)为蓄电池在时刻x的电流，t为从初始时刻到当前所经历的时间，a、b和c为实验确定的常数。

总之，按照上述计算方式，首先判断蓄电池是处于状态1还是状态2，如果处于前者，则利用式(5)计算蓄电池的SOC，否则利用式(6)计算蓄电池的SOC。

还可以采用下述基于模糊数学的SOC计算方法。

就电量的角度而言，蓄电池的荷电状态SOC可以定义如下：

$\mathrm{SOC}=\frac{Q}{Q_N-Q_a}=\frac{Q}{{\mathrm{\ϵQ}}_N}---\left(7\right)$

其中，Q为电池当前的剩余容量，Q_N为蓄电池出厂时的额定容量，Q_a为电池衰减容量，ε为衰减因子，是一个小于1的变量，εQ_N表示表示蓄电池实际最多能放出的电量。由上可见SOC是一个取值范围在0-1范围内的变量。

研究表明，影响电池剩余容量的因素包括充放电倍率(即充放电电流)、自放电和温度等因素，其中，电流越大则能放出的电量越少。电池的自放电指的是是电池在存储过程中剩余容量下降的现象，导致自放电的因素有电极的腐蚀、活性物质的溶解、电极的歧化等。温度对电池剩余容量产生的影响则是因为电极材料的活性和电解液的电迁移率与温度密切相关，一般情况下，电池高温放电明显大于低温放电时的放电容量。

本发明的发明人经过深入研究之后发现，衰减因子ε随时间和/或充放电次数而发生的变化将在蓄电池的外特性方面充分体现出来，因此可以将SOC简化为由一个蓄电池的工作电压、工作电流和温度决定的状态量。

另外，本发明的发明人认识到难以在蓄电池的SOC与工作电压、工作电流和温度之间建立精确的数学模型，而且虽然衰减因子ε随时间的变化非常复杂并且变化量可能较大，但是这种变化却是一个大滞后的过程。基于上述认识，本发明的发明人引入模糊逻辑来刻画SOC与工作电压、工作电流和温度之间的关系。

在基于模糊逻辑的模型中，模糊推理建立在表示为模糊规则的知识库上，模糊规则的多少取决于输入和输出物理量的个数以及所需的控制精度。例如对于常用的二输入、一输出的模型，若每个输入量划分为5个等级，则需要25条规则覆盖全部情况。随着输入和输出变量的个数的增加，推理规则将非线性地增加，这将耗费大量的计算资源，降低计算速度。本发明的发明人提出通过利用工作电流对工作电压进行修正，将SOC的数学模型简化为电压和温度两个变量，由此减少了计算复杂性。以下对此作进一步的描述。

一般情况下，对于车载蓄电池来说存在一个平均负载电流，它可以视为蓄电池的典型的工作电流或标准的工作电流。该标准的工作电流例如可以是：1)各种工作状况下的工作电流的算术平均值；或2)工作电流按照其对应的工作状态出现概率进行加权的平均值；或3)实际测量得到的一段时间内的工作电流的平均值。在本发明的一个实施例中，依据测量得到的工作电流，将测量得到的工作电压换算为标准工作电量下的工作电压(以下也称为工作电压的修正值)。

图4为蓄电池的一个物理模型的示意图。根据图4可以得到下列方程(8)：

U_I＝E-I×(R+R₁)         (8)

其中，E为蓄电池的电动势，I为测量得到的工作电流，U_I为工作电流I下测量得到的工作电压，R和R₁分别为蓄电池以工作电流I放电时的欧姆内阻和极化内阻。

上述工作电压U_I的修正值根据下列公式(9)计算得到：

U_1，m＝U_I+(I-I₀)×λ(I)          (9)

其中，U_I为工作电流I下测量得到的工作电压，U_I，m为工作电压U_I的修正值，I为测量得到的工作电流，I₀为标准工作电流，λ(I)为随工作电流变化的数值，其可以通过实验确定。

例如可以通过恒流放电实验测得的蓄电池在相同温度下不同工作电流的放电曲线(也即蓄电池工作电压与SOC的变化曲线或恒流放电曲线)，由下列公式(10)得到各种工作电流下相应的λ(I)：

$\mathrm{\λ}\left(I\right)=\frac{U_{I0}^{\mathrm{SOC}}-U_I^{\mathrm{SOC}}}{I-I_0}---\left(10\right)$

其中，I₀为标准工作电流，I为取其它值的工作电流，U^SOC _I为SOC取某一值时的工作电流I下的工作电压，U^SOC _I0为SOC取同一值时的标准工作电流I₀下的工作电压。

值得指出的是，发明人发现，对于恒流放电曲线中的任意两条曲线，在0-100％的SOC范围内，它们的垂直距离(也即不同工作电流下的同一SOC时的工作电压之差)基本保持不变，可以认为λ(I)与SOC不相关，因此在上式(10)中，可以选择任一个SOC下的U^SOC _I和U^SOC _I0来计算λ(I)。此外，由于λ(I)对于温度的变化不敏感，因此在上面计算工作电压的修正值时未考虑温度因素。

各种工作电流下的λ(I)可以以表格的方式存储在存储器内，以在计算工作电压的修正值时被调用。另一方面，也可以利用拟合算法，从多条恒流放电曲线获得λ(I)与工作电流之间的经验公式，这样，在计算修正值时可以利用经验公式得到λ(I)。

图5为基于上述思想的SOC计算方法的流程图。

参见图5，在步骤511中，输入蓄电池的工作电流I和在该工作电流下的工作电压U_I以及和工作温度T。工作电流I和工作电压U_I可以由测量电路获得，工作温度T可以由安装在蓄电池附近或之上的温度传感器获得。测量电路和传感器可以连接入CAN总线，这样用于计算SOC的装置可以经总线获取上述工作状态的测量值。

接着进入步骤512，判断工作电流是否等于标准的工作电流，或者判断与标准的工作电流的差值是否在一个预设的范围内，如果判断结果为正，则进入步骤513，否则，进入步骤514。

在步骤514中，例如通过查表的方式获得当前工作电路I下的λ(I)。

接着进入步骤515中，例如利用上式(10)计算工作电压U_I在标准工作电流下的工作电压修正值U_I，m。在完成步骤515之后进入步骤513。

在步骤513中，判断工作电压修正值U_I，m和工作温度T是否超出各自的预先确定的取值范围，如果它们都位于各自的预先确定的取值范围内，则进入步骤517，否则，则表明有异常情况出现，并因此进入步骤516。

在步骤516中，将生成警告消息，向用户提示蓄电池可能出现异常工作状况或者测量电路和传感器可能出现故障。

在步骤517中，利用工作电压修正值U_I，m和工作温度T各自的隶属函数确定它们的模糊值。

图6、7和8分别为图5所示实施例中的工作电压修正值U_I，m、工作温度T和蓄电池SOC状态的隶属函数示意图。如图6-8所示，工作电压修正值、工作温度和SOC分别被划分为3个、3个和3个模糊子集，并且隶属函数都采用三角形隶属函数的形式。但是应该理解的是，所示的情形仅仅是示意性质的，实际上还可以采用更多或更少数量的模糊子集，并且隶属函数也可以采用其它的形式，例如包括但不限于梯形隶属函数和高斯型隶属函数。

接着进入步骤518中，利用模糊推理规则，根据上面步骤517中得到的工作电压修正值U_I，m和工作温度T的模糊值确定SOC的模糊值。

模糊推理的规则可以根据不同工作电流下SOC与电压的关系以及温度对放电曲线的影响制定，并且可以通过仿真实验反复进行修改。例如可以采用下列推理规则：

(1)如果工作电压的修正值的模糊值为L，则SOC的模糊值为L；

(2)如果工作电压的修正值的模糊值为M并且工作温度的模糊值为Cold，则SOC的模糊值为L；

(3)如果工作电压的修正值的模糊值为M并且工作温度的模糊值为Warm，则SOC的模糊值为M；

(4)如果工作电压的修正值的模糊值为M并且工作温度的模糊值为Hot，则SOC的模糊值为M；

(5)如果工作电压的修正值的模糊值为H并且工作温度的模糊值为Cold，则SOC的模糊值为M；

(6)如果工作电压的修正值的模糊值为H并且工作温度的模糊值为Warm，则SOC的模糊值为H；

(7)如果工作电压的修正值的模糊值为H并且工作温度的模糊值为Hot，则SOC的模糊值为H。

值得指出的是，上述推理规则仅仅是示意性质的，为了获得较好的SOC估算结果，需要根据仿真实验或实际实验进行优化。

随后进入步骤519，利用反模糊算法，根据上述步骤518中获得的SOC的模糊值计算蓄电池的SOC的精确数值。

接着进入步骤520，输出利用反模糊化算法计算得到的SOC值。

反模糊化算法有多种，包括但不限于最小最大法、最大最大法、重心法、二等分法和中间最大值法等。可以根据计算资源的可用程度以及要求的计算精度选择合适的反模糊算法。

需要指出的是，计算装置331和控制策略生成装置333可以主要以软件的方式实现(例如运行在通用计算机系统上的计算机程序)，也可以硬件或固件的方式实现，这些变化方式都属于本发明后面所附权利要求的保护范围。

图9为图1所示的太阳能供电系统中的太阳能电池单元的内部结构示意图。

如图9所示，太阳能电池单元100包括太阳能电池110和与太阳能电池的输出端相连的输出功率优化电路120。在本实施例中，输出功率优化电路120的输出功率将被送往图2所示中的切换电路340。

在图9中，输出功率优化电路120通过对太阳能电池110的最大功率点的跟踪来实现太阳能电池110的输出功率的优化。

图10为图9所示的太阳能电池单元100中的输出功率优化电路120对太阳能电池110的工作点进行实时控制调整的策略示意图。在图10中，横轴代表太阳能电池110的输出电压U，纵轴代表太阳能电池110的输出功率P。如图5所示，输出功率优化电路120通过持续地向太阳能电池110的输出电压施加扰动(图10中以向上和向下的箭头标示)并比较当前太阳能电池输出功率与前一周期的输出功率的大小(在图10中也即A-E点中成对的相邻点(A，B)、(B，C)、(C，D)和(D，E))，对太阳能电池110的工作点进行实时控制调整，由此可实现对最大功率点的跟踪(在图10所示的情形下，最大功率点为C，其对应的功率和电压分别为Pm和Um)。与未采用功率优化电路120的情形相比，按照本实施例的太阳能电池单元100的输出功率至少能够提高30％，在光照不足的情况下，甚至能够提高130％。

图11为按照本发明另一个实施例的太阳能供电控制方法的流程图。

为描述方便，假设本实施例被应用于图1所示的太阳能供电系统。

参见图11，在步骤1101中，判断发电机的输出功率是否小于一个预设的阈值TH，如果结果为否，则进入步骤1102，否则，则不启用太阳能供电系统，并由此退出太阳能供电控制过程。

在步骤1102中，获取光照强度、蓄电池200的状态参数(例如蓄电池的工作电压、工作电流和工作温度等)。在该步骤中，可以借助安装在蓄电池附近的传感器获取。

接着在步骤1103中，根据获取的状态参数计算蓄电池单元200的荷电状态。虽然上面已经给出了荷电状态的计算方式，但是应该理解的是也可以采用其它的方法来计算荷电状态。

随后进入步骤1104，利用经验公式，根据光照强度计算太阳能电池单元的当前的输出功率。如上所述，太阳能电池单元的当前的输出功率也可以通过测量其输出电压和电流得到。

接着进入步骤1105，确定汽车空调装置在当前温差下的功率负荷的典型值。该典型值将在步骤1106中被用来估算汽车空调装置在一个预先估计的时段内的用电量。

随后进入步骤1106，判断太阳能供电系统的供电能力是否能满足汽车空调装置在预先估计的时段内的用电量。可以采用上面的公式(1)-(3)来计算太阳能供电系统的供电能力并且以不等式(4)作为供电能力与用电量是否匹配的判断基准。如果判断结果为不等式(4)被满足，则进入步骤1107，否则，进入进入步骤1108。

在步骤1107中，使太阳能电池单元和蓄电池向汽车空调装置联合供电。

在步骤1108中，使太阳能电池单元向蓄电池充电，与此同时，使蓄电池向汽车空调装置供电。

由于可以在不背离本发明基本特征的精神下，以各种形式实施本发明，因此本实施方式是说明性的而不是限制性的，由于本发明的范围由所附权利要求定义，而不是由说明书定义，因此落入权利要求的边界和界限内的所有变化，或这种权利要求边界和界限的等同物因而被权利要求包涵。

Claims (10)

1.一种用于汽车空调装置的太阳能供电系统，其特征在于，包括：

太阳能电池单元；

蓄电池，适于存储所述太阳能电池单元输出的电能；以及

电源管理单元，其与所述太阳能电池单元、所述蓄电池以及汽车空调装置连接，

其中，当汽车发电机无电能输出或者输出小于一个预设的阈值时，所述电源管理单元使所述汽车空调装置由所述太阳能电池单元和/或所述蓄电池供电，

其中，所述电源管理单元按照下列方式使所述汽车空调装置由所述太阳能电池单元和/或所述蓄电池供电：

如果所述太阳能电池单元和所述蓄电池能够满足所述汽车空调装置在一个预先估计的时段内的用电量，则使所述太阳能电池单元和所述蓄电池同时向所述汽车空调装置供电，否则，则使所述蓄电池向所述汽车空调装置供电并且同时使所述太阳能电池单元向所述蓄电池充电。

2.如权利要求1所述的太阳能供电系统，其中，所述电源管理单元根据下式判断所述太阳能电池单元和所述蓄电池是否能够满足所述汽车空调装置在所述预先估计的时段内的用电量：

$\frac{\mathrm{SOC}\×C\×V}{\mathrm{\τ}}+P_s\×d\%\≥P_c$

其中，τ为所述预先估计的时段，P_c为所述汽车空调装置的功率负荷的典型值，P_s为所述太阳能电池单元的输出功率的估计值，d％为所述太阳能电池单元的输出功率的平均功率系数，SOC、C和V分别所述蓄电池当前的SOC值、容量和输出电压。

3.如权利要求1所述的太阳能供电系统，其中，所述电源管理单元包括：

与所述蓄电池相连的充电适配电路，用于将输入的电压转换为适于所述蓄电池的充电电压；

与所述汽车空调装置相连的电压转换电路，用于将输入的电压转换为适于所述汽车空调装置的工作电压；

控制器；

切换电路，与所述太阳能电池单元、所述充电适配电路、所述电压转换电路以及所述控制器相连，用于在控制器的控制下使所述太阳能电池单元和所述蓄电池同时向所述汽车空调装置供电，或者使所述蓄电池向所述汽车空调装置供电而与此同时使所述太阳能电池向所述蓄电池充电。

4.如权利要求3所述的太阳能供电系统，其中，所述控制器包括：

计算装置，用于计算所述蓄电池的荷电状态；

与所述计算装置相连的通信装置，用于获取所述蓄电池的状态参数并将这些状态参数送往所述计算装置；以及

与所述计算装置相连的控制策略生成装置，用于完成下列操作：

如果所述太阳能电池单元和所述蓄电池的供电能力与在一个预先估计的时段内的所述汽车空调装置的用电量满足下式，则指示所述切换电路使所述太阳能电池单元和所述蓄电池向所述汽车空调装置同时供电：

$\frac{\mathrm{SOC}\×C\×V}{\mathrm{\τ}}+P_s\×d\%\≥P_c$

其中，τ为所述预先估计的时段，P_c为所述汽车空调装置的功率负荷的典型值，P_s为所述太阳能电池单元的输出功率的估计值，d％为所述太阳能电池单元的输出功率的平均功率系数，SOC、C和V分别所述蓄电池当前的SOC值、容量和输出电压；

否则，则指示所述切换电路使所述蓄电池向所述汽车空调装置供电而与此同时使所述太阳能电池向所述蓄电池充电。

5.如权利要求2或4所述的太阳能供电系统，其中，所述预先估计的时段τ按照下式确定：

$\mathrm{\τ}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\τ}}_i}{N}$

且τ_i≤T

其中，T为预设的常数，N为一段时间内发生下列事件的次数：所述汽车的发电机停止运行后经历一定的时间再重新开始运行并且该经历的时间不大于常数T，τ_i为第i次所述事件中所述汽车的发电机停止运行至重新开始运行所经历的时间。

6.如权利要求2或4所述的太阳能供电系统，其中，所述预先估计的时段τ按照下式确定：

τ＝median(τ₁，τ₂，...，τ_N)

且τ_i≤T

其中，T为预设的常数，N为一段时间内发生下列事件的次数：所述汽车的发电机停止运行后经历一定的时间再重新开始运行并且该经历的时间不大于常数T，τ_i为第i次所述事件中所述汽车的发电机停止运行至重新开始运行所经历的时间，median(τ₁，τ₂，...，τ_N)为τ₁，τ₂，...，τ_N的中位数。

7.一种用于汽车空调装置的太阳能供电控制方法，其特征在于，所述汽车包括太阳能电池单元和能够存储所述太阳能电池单元输出的电能的蓄电池，当汽车发电机的输出功率小于一个预设的阈值时，按照下列步骤向所述汽车空调装置供电：

获取所述太阳能电池单元和所述蓄电池的状态参数；

如果汽车发电机处于非运行状态，则根据所述状态参数使所述汽车空调装置由所述太阳能电池单元和/或所述蓄电池供电，

其中，按照下列方式使所述汽车空调装置由所述太阳能电池单元和/或所述蓄电池供电：

如果所述太阳能电池单元和所述蓄电池的供电能力能够满足在一个预先估计的时段内的所述汽车空调装置的用电量，则使所述太阳能电池单元和所述蓄电池同时向所述汽车空调装置供电，否则，则使所述蓄电池向所述汽车空调装置供电并且同时使所述太阳能电池单元向所述蓄电池充电。

8.如权利要求7所述的太阳能供电控制方法，其中，根据下式判断所述太阳能电池单元和所述蓄电池的供电能力是否能够满足所述汽车空调装置在所述预先估计的时段内的用电量：

$\frac{\mathrm{SOC}\×C\×V}{\mathrm{\τ}}+P_s\×d\%\≥P_c$

其中，τ为所述预先估计的时段，P_c为所述汽车空调装置的功率负荷的典型值，P_s为所述太阳能电池单元的输出功率的估计值，d％为所述太阳能电池单元的输出功率的平均功率系数，SOC、C和V分别所述蓄电池当前的SOC值、容量和输出电压。

9.如权利要求8所述的太阳能供电控制方法，其中，所述预先估计的时段τ按照下式确定：

$\mathrm{\τ}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\τ}}_i}{N}$

且τ_i≤T

其中，T为预设的常数，N为一段时间内发生下列事件的次数：所述汽车的发电机停止运行后经历一定的时间再重新开始运行并且该经历的时间不大于常数T，τ_i为第i次所述事件中所述汽车的发电机停止运行至重新开始运行所经历的时间。

10.如权利要求8所述的太阳能供电控制方法，其中，所述预先估计的时段τ按照下式确定：

τ＝median(τ₁，τ₂，...，τ_N)

且τ_i≤T

其中，T为预设的常数，N为一段时间内发生下列事件的次数：所述汽车的发电机停止运行后经历一定的时间再重新开始运行并且该经历的时间不大于常数T，τ_i为第i次所述事件中所述汽车的发电机停止运行至重新开始运行所经历的时间，median(τ₁，τ₂，...，τ_N)为τ₁，τ₂，...，τ_N的中位数。