CN105034826B - 一种光伏电动车能源系统及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏电动车能源系统及其设计方法。所述能源系统包括光伏阵列、峰值功率跟踪器、继电器、蓄电池组、电机控制器、电机，所述光伏阵列包括两组或两组以上子光伏阵列，每组所述子光伏阵列连接一个所述峰值功率跟踪器，所述峰值功率跟踪器以串联和/或并联的方式连接，并通过所述继电器分别与所述蓄电池组以及所述电机控制器电连接，所述电机控制器控制所述电机。本发明考虑驾驶舱阴影对光伏阵列的影响，将光伏阵列分为多组子光伏阵列，使阵列中未受阴影遮挡的电池组件不受被遮挡电池组件的影响，仍然能以最大功率输出，大大减少了传统集中式MPPT系统中由于阴影遮挡造成的功率损失。

Description

一种光伏电动车能源系统及其设计方法

技术领域

本发明涉及电动车能源技术领域，尤其涉及一种光伏电动车能源系统。

背景技术

随着社会的飞速发展，汽车在整个社会进步和经济发展中扮演着非常重要的角色。目前，社会上广泛使用的汽车仍为燃油汽车。然而，燃油汽车不但消耗大量的石油资源，同时也是城市空气污染的源头之一，严重影响人们的身体健康。在此背景下，环保节能的电动汽车日益受到人们的重视。电动汽车不仅具有无排放污染、噪声低、易于操纵、维修以及运行成本低等优点，而且在环保和节能上具有不可比拟的优势，它是解决当今社会巨大能源消耗和环境压力的有效途径，因此，电动汽车是21世纪汽车的发展方向。

随着太阳能发电技术的进步，光伏组件效率逐步增长，同时成本逐渐降低，以太阳能为能量来源的电动汽车(即太阳能汽车)也日益受到人们的重视和青睐。太阳能作为太阳能汽车的主要能量来源，光伏组件的性能、光伏阵列的铺设面积、光照和阴影遮挡等都将影响太阳能汽车的平均发电功率、峰值发电功率和综合性能。

由于地球自转和公转的影响，太阳高度角会随着时间和纬度的变化而变化，而对于某地某天的太阳高度角，其也会随着当天时间变化而变化。由于太阳高度角不可能总是90°，在太阳能汽车驾驶舱的周围势必会产生阴影，并且阴影面积随太阳高度角减小而增大。当有阴影遮挡时，被遮挡的光伏组件由于光电流过低呈现反向截止状态，从而使与之串联的光伏组件也受到影响而降低输出电流，此时，采用集中式的峰值功率跟踪器(MPPT)对光伏阵列进行功率追踪，达不到最佳效果。

发明内容

为了降低驾驶舱阴影对整个光伏阵列性能的影响，本发明提供了一种光伏电动车能源系统，包括光伏阵列、峰值功率跟踪器、继电器、蓄电池组、电机控制器、电机，所述光伏阵列包括两组或两组以上子光伏阵列，每组所述子光伏阵列连接一个所述峰值功率跟踪器，所述峰值功率跟踪器以串联和/或并联的方式连接，并通过所述继电器分别与所述蓄电池组以及所述电机控制器电连接，所述电机控制器控制所述电机。

优选地，所述峰值功率跟踪器具有CAN通信功能，可实时发送各组所述子光伏阵列的性能参数，包括输入电压、输入电流、输出电压、输出电流、温度等。

优选地，每组所述子光伏阵列连接一个防反二极管。

优选地，所述子光伏阵列包括晶硅光伏组件、硅基薄膜光伏组件、半导体化合物薄膜光伏组件中的一种或多种。

本发明还提供了一种光伏电动车能源系统的设计方法，其中包括对所述光伏电动车上铺设的光伏阵列进行分组的步骤：

S1.根据当地平均最小太阳高度角及所述光伏电动车的驾驶舱的尺寸，计算所述驾驶舱在所述光伏电动车的车顶产生的阴影面积；

S2.根据所述车顶的总面积、所述阴影面积、以及峰值功率跟踪器的输入输出参数及高效率区，对所述光伏阵列进行分组，分为两组或两组以上子光伏阵列。

每组子光伏阵列连接一个峰值功率跟踪器。

优选地，所述步骤s1中所述平均最小太阳高度角的获得包括以下步骤：

S1-1.根据当地经纬度及每天日出日落时间，计算每天每时刻的太阳高度角；

S1-2.选择合适的期望接收辐射量占全天总辐射量的比例值；

S1-3.根据步骤S1-2所确定的所述比例值，计算每天所需的最小太阳高度角；

S1-4.根据步骤S1-3获得的所述每天所需的最小太阳高度角计算全年平均最小高度角。

与现有技术相比，本发明提供了一种用于光伏电动车的能源系统及其设计方法，具有以下优点：1)考虑驾驶舱阴影对光伏阵列的影响，将光伏阵列分为多组子光伏阵列，使阵列中未受阴影遮挡的电池组件不受被遮挡电池组件的影响，仍然能以最大功率输出，大大减少了传统集中式MPPT系统中由于阴影遮挡造成的功率损失；2)各MPPT均带有CAN通信功能，实时向外发送与太阳能电池板有关的参数，如输入电压、输入电流、输出电压、输出电流、温度等，建立人性化的人机交互平台；3)各子光伏阵列连接有防反二极管，减小对与其串联的光伏阵列的影响。本发明在光伏电动车光伏阵列铺设面积有限的情况下，大幅提高光伏阵列发电效率；而且，其结构简单、成本低廉、能量利用率高、稳定性和可靠性高，具有很强的实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中光伏电动车能源系统结构示意图。

图2是本发明实施例中10月6日一天达尔文每时刻太阳高度角变化图。

图3是本发明实施例中10月6日一天达尔文太阳光照射在地面上的太阳辐射强度随时间变化的曲线图。

图4是本发明实施例中达尔文当地每天太阳能辐射总量达到75％所需最小太阳高度角的全年变化曲线。

图5是本发明实施例中光伏电动车驾驶舱阴影示意图。

图中附图标记表示为：1～4-子光伏阵列；5～8-峰值功率跟踪器；9-蓄电池组；10-电机控制器；11-电机；12～14-继电器；15-CAN总线；16～19-阴影区域。

具体实施方式

现在结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的内容之后，本领域技术人员可以对本发明做各种修改，这些等效的变化和修饰同样落入本发明所限定的保护范围。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种光伏电动车能源系统，包括光伏阵列、峰值功率跟踪器5～8、继电器12～14、蓄电池组9、电机控制器10、电机11，所述光伏阵列包括四组子光伏阵列1～4，每组子光伏阵列连接一个峰值功率跟踪器，峰值功率跟踪器5～8并联连接到总线，并通过继电器12～14分别与蓄电池组9以及电机控制器10电连接，电机控制器10控制电机11。

其中，峰值功率跟踪器5～8均具有CAN通信功能，并分别连接到CAN总线15，可实时发送子光伏阵列1～4的性能参数，包括输入电压、输入电流、输出电压、输出电流、温度等。

根据实际需要，子光伏阵列可以是晶硅光伏组件、硅基薄膜光伏组件、半导体化合物薄膜光伏组件中的一种或多种。子光伏阵列的串并联模式也可根据实际需要进行组合。而为了降低串联子光伏阵列相互之间的影响，每个子光伏阵列可连接一个防反二极管。

本实施例中，子光伏阵列1～4由单晶硅C60光伏组件组成，且子光伏阵列1～4并联连接。

子光伏阵列在光伏电动车车顶的铺设方式有两种：直接粘贴或导轨安装。本实施例中，所述光伏电动车车顶前后两侧粘贴有固定导轨，单晶硅C60光伏组件组成的子光伏阵列封装成刚性组件，两侧开长条槽，与导轨配合，并在车顶左右两侧做限位固定。

实施例2

本实施例提供了一种光伏电动车能源系统的设计方法。相比现有技术，本实施例的设计方法包括对所述光伏电动车上铺设的光伏阵列进行分组的步骤：

S1.根据当地平均最小太阳高度角及所述光伏电动车的驾驶舱的尺寸，计算所述驾驶舱在所述光伏电动车的车顶产生的阴影面积；

所述平均最小太阳高度角的获得包括以下步骤：

S1-1.根据当地经纬度及每天日出日落时间，计算每天每时刻的太阳高度角；

S1-2.选择合适的期望接收辐射量占全天总辐射量的比例值；

S1-3.根据步骤S1-2所确定的所述比例值，计算每天所需的最小太阳高度角；

S1-4.根据步骤S1-3获得的所述每天所需的最小太阳高度角计算全年平均最小高度角；

S2.根据所述车顶的总面积、所述阴影面积、以及峰值功率跟踪器的输入输出参数及高效率区，对所述光伏阵列进行分组，分为两组或两组以上子光伏阵列。

具体来说，光伏组件输出功率受太阳光入射角度影响很大。阳光直射时，光伏组件接受的入射功率最大。当光伏组件法线与阳光的角度为θ时，入射功率P_Array与垂直射入光伏组件的功率P_n有如下关系：

P_Array＝P_max[cos(φ)]^0.3cos(θ)

而太阳光的方向并不总是垂直地面，众所周知，太阳光直射地球的位置会在一年中在南北回归线之间交替运动。阳光直射时的光强与实际的光强有如下关系：

P_Array＝P_n cos(θ)

其中，φ为实际太阳光入射方向与地面法线的夹角，称为入射角，即太阳高度角α的余角，P_max为阳光直射地面时的光强。当大气质量AM0，太阳的平均辐射强度，即太阳常数为1366W/m²，P_max总会小于此值，与当地大气密度等因素有关，取观测值1100W/m²。因此，有

P_n＝P_max[cos(φ)]^0.3

通过查询当地日出日落时间和经纬度，可根据如下方法计算每天每时刻的太阳高度角。

入射角φ与时间在一天中的位置有关，从日出到日落，φ随时都在变化。φ的计算可参考下式：

φ＝90°-α

其中，α_N为当地一天日照中间时的太阳高度角，φ_N为一天日照中间时(从日出到日落时段的中间)阳光与地面法线的夹角，可由当前太阳直射位置Lat_d的纬度与当前地点的纬度Lat计算相减的绝对值得到；T为当前时间；SR为日出时间(可换算成小数形式，例5:23即5+23/60＝5.3833)；DL为白天时长，即日落时间减去日出时间。

当前太阳直射位置Lat_d和一天中间时入射角φ计算采用下式：

φ_N＝|Lat_d-Lat|

D为当前时间在一年中的天数，1月1日为第一天，12月31日为第365天。

随机选取澳大利亚北部城市达尔文为例，10月6日这一天每时刻太阳高度角变化如图2所示，照射在地面上的太阳辐射强度随时间变化的曲线如图3所示。

通过图2中的曲线可以计算得到，当取太阳高度角为大于40°时，对应时间为7:47～16:22，这段时间的太阳能辐射总量占一天的87％(即图3中7:47～16:22对应的面积占整个曲线与时间轴围成面积的比例)。反推之，当一天中一段时间内的辐射总量达到全天的一定比例时，对应地，有一最小太阳高度角。

根据图2和图3，10月6日，达尔文，当希望接受到的太阳能辐射总量达到一天总量的90％时，最小太阳高度角为36.1°，对应时间段为7:35～16:35；当希望接受到的太阳能辐射总量达到一天总量的80％时，最小太阳高度角为48.5°，对应时间为8:18～15:52；当希望接受到的太阳能辐射总量达到一天总量的70％时，最小太阳高度角为57.3°，对应时间为8:52～15:18。

上述计算方法可以推广到任意地点和时间，对于不同时间和地点，上面的结果会有所不同。太阳高度角越小，对应的时间范围就越大，该段时间对应的辐射量占比也越大。但另一方面，太阳高度角越小，阴影面积也越大，为降低阴影对光伏阵列的影响，势必造成铺设成本的上升和总体功率输出性能的下降。

通过分析，以期望接收到的太阳能辐射总量占全天辐射总量的75％为准设计光伏电动车能源系统，可以较好地平衡铺设成本的上升和总体功率输出特性的下降。

采用以上分析方法计算分析达尔文地区全年每天的辐射情况。计算每天希望接收到的太阳能辐射总量达到75％以上所需的最小太阳高度角，进而绘制一年365天每天均满足太阳能辐射总量达到75％的最小太阳高度角变化曲线，如图4所示。图4中，每年最小太阳高度角有三个极值，其中，最小值为夏至左右(太阳直射点在北回归线)，极大值为阳光直射该地的两个日期，极小值点为冬至左右(太阳直射点在南回归线)。

对图4中365天全年最小太阳高度角的平均值为47.7°，因此对于不考虑特定行驶环境和工况的场合，选择47.7°的太阳高度角进行阴影面积计算，此范围内的辐射总量可以达到全年的75％。阴影面积不太大的同时又能覆盖较大的辐射能量。设计者可通过综合考虑铺设面积、驾驶舱形状、阴影遮挡的辐射总能量占比、成本等因素来获得所需的最小太阳高度角数值。

对于光伏电动车而言，其驾驶舱的形状可根据实际需求进行设计，例如椭圆形、方形、其他复杂的流线型等。本实施例以椭圆形为例，从不同角度做47.7°的切线可以得到该方向的阴影包络线，当选择剖面增多时，包络线会越来越趋近于真实的阴影区域，如图5所示。

本实施例中，驾驶舱前后由于形状关系几乎没有阴影，取高度角47.7°计算驾驶舱左右两侧的阴影区域不同，如图中阴影区域16～19所示，左右两侧宽约为80mm。左右两侧的面积各为231830.7mm²。

本实施例中，光伏电动车车顶铺设由单晶硅C60光伏电池组成的光伏阵列，总铺设面积约6m²，按照上述方法计算的阴影面积共约0.6m²，根据所用的峰值功率跟踪器(MPPT)的输入输出参数及高效率区，确定各子光伏阵列的功率应在350～420W之间，同时子光伏阵列的开路电压应在24～144V之间。由此确定，将铺设的光伏阵列分为四组子光伏阵列。阴影区域设为一组子光伏阵列，另外三组子光伏阵列功率在320～420W之间，同时每组的开路电压在24～144V之内。

按照设计，每组子光伏阵列分别连接一个MPPT，构成如图1所示的能源系统的主要部分。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种光伏电动车能源系统，其特征在于，包括光伏阵列、峰值功率跟踪器、继电器、蓄电池组、电机控制器、电机，所述光伏阵列包括两组或两组以上子光伏阵列，每组所述子光伏阵列连接一个所述峰值功率跟踪器，所述峰值功率跟踪器以串联和/或并联的方式连接，并通过所述继电器分别与所述蓄电池组以及所述电机控制器电连接，所述电机控制器控制所述电机，所述峰值功率跟踪器具有CAN通信功能，可实时发送各组所述子光伏阵列的性能参数，所述光伏阵列根据所述光伏电动车车顶的总面积、所述光伏电动车驾驶舱在所述光伏电动车车顶产生的阴影面积、以及所述峰值功率跟踪器的输入输出参数及高效率区进行分组。

2.根据权利要求1所述的一种光伏电动车能源系统，其特征在于，每组所述子光伏阵列连接一个防反二极管。

3.根据权利要求1所述的一种光伏电动车能源系统，其特征在于：所述子光伏阵列包括晶硅光伏组件、硅基薄膜光伏组件、半导体化合物薄膜光伏组件中的一种或多种。

4.一种如权利要求1所述的光伏电动车能源系统的设计方法，其特征在于，对所述光伏阵列分组的步骤包括：

S1.根据当地平均最小太阳高度角及所述光伏电动车的驾驶舱的尺寸，计算所述驾驶舱在所述光伏电动车的车顶产生的阴影面积；

5.根据权利要求4所述的光伏电动车能源系统的设计方法，其特征在于，所述步骤S1中所述平均最小太阳高度角的获得包括以下步骤：

S1-1.根据当地经纬度及每天日出日落时间，计算每天每时刻的太阳高度角；

S1-2.选择合适的期望接收辐射量占全天总辐射量的比例值；

S1-3.根据步骤S1-2所确定的所述比例值，计算每天所需的最小太阳高度角；

S1-4.根据步骤S1-3获得的所述每天所需的最小太阳高度角计算全年平均最小高度角。