CN105915160B - 一种基于光伏模块组的车辆供电系统 - Google Patents

一种基于光伏模块组的车辆供电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光伏模块组的车辆供电系统,包括光伏模块组、多绕组高频变压器和功率控制单元；光伏模块组具有N个输出端；多绕组高频变压器包括至少N个输入端；多绕组高频变压器的N个输入端与光伏模块组的N个输出端一一对应连接；功率控制单元的第一输入端与多绕组高频变压器的输出端连接，第二输入端用于接收车辆信息；功率控制单元的第一输出端用于连接车辆动力电池，第二输出端用于连接车辆空调系统；光伏模块组用于将太阳能转换为电能；多绕组高频变压器用于汇集光伏模块组产生的电能，并将其转换为适用于电动汽车的稳定电能；功率控制单元根据车辆信息对动力电池充电，并控制车辆空调系统；本发明具有结构简单、控制简单且供电效率高的特点。

Description

一种基于光伏模块组的车辆供电系统
技术领域
本发明属于电气工程技术领域，更具体地，涉及一种基于光伏模块组的车辆供电系统。
背景技术
人们对汽车节能减排的关注度越来越高，纯电动汽车成为未来汽车发展方向之一。电动汽车的电气系统主要包括高压和低压电气部分，高压电气部分包括动力电池、电机等，为汽车提供动力；低压电气部分包括空调系统及其他辅助子系统，为汽车正常行驶和舒适度提供保障。传统电动汽车无论高压或低压电气部分的电能供给均依靠动力电池，而其容量很有限。辅助子系统尤其是空调系统消耗过多电能将导致汽车续航里程下降；因而，增加辅助能源为动力电池充电并在其功率有余为子系统尤其是空调系统提供电能是非常必要的。
将光伏电池布置于电动汽车外表面可解决上述问题；光照情况下，在电动汽车处于停车状态时，利用太阳能光伏发电对电池充电，同时也可利用多余电能启动空调系统进行车内温度调节，使得汽车启动时就具有良好舒适度；在电动汽车行驶过程中可利用太阳能光伏发电辅助供电。然而问题在于：第一，布置于电动汽车各表面的光伏电池接受光照强度不同，若将各光伏电池的输出进行简单的串联或并联供电必然导致总体输出功率下降甚至烧毁部分光伏电池。为避免上述情况，实际中电动汽车仅车顶布置光伏电池，输出功率极为有限，对动力电池的充电或对空调系统的供电效果差；第二，因光伏电池输出功率或电压并不稳定，需增加额外的控制和储能电池；先将光伏电能通过变换器储存于储能电池中，再由储能电池通过变换器为动力电池充电或为空调系统供电。该结构使光伏电能经过两个变换器和储能电池中间环节，不仅充、供电效率较低，当进一步考虑车外表面光伏电池与车内功率结构必须的电气隔离时，其功率联接和功率控制将更为复杂。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于光伏模块组的车辆供电系统，其目的在于解决现有技术中将光伏用于车辆供电时供电效率低的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于光伏模块组的车辆供电系统，包括光伏模块组、多绕组高频变压器及功率控制单元；
其中，光伏模块组设于车辆外表面，具有N个输出端；多绕组高频变压器包括至少N个输入端；N不小于1；
多绕组高频变压器的N个输入端与光伏模块组的N个输出端一一对应连接；功率控制单元的第一输入端与多绕组高频变压器的输出端连接，第二输入端用于接收车辆信息；功率控制单元的第一输出端用于连接车辆动力电池，第二输出端用于连接车辆空调系统；
其中，光伏模块组用于将太阳能转换为电能；多绕组高频变压器用于汇集光伏模块组产生的电能，并将汇集得的电能转换为适用于车辆的稳定电能；所述功率控制单元用于根据车辆信息对车辆动力电池充电，并控制车辆空调系统。
优选地，上述基于光伏模块组的车辆供电系统，其光伏模块组包括N个光伏模块，各光伏模块置于汽车引擎盖表面、侧面或车顶等可接受光照的位置；N个光伏模块的输出端作为光伏模块组的N个输出端；
其中，光伏模块包括依次串联的光伏电池、光伏控制电路和光伏逆变电路；光伏逆变电路的输出端作为光伏模块的输出端；
光伏控制电路用于控制各光伏电池使其以最大功率输出，光伏逆变电路用于将光伏控制电路输出的直流电压逆变为高频交流电压，并将电能送入光伏绕组。
优选地，上述基于光伏模块组的车辆供电系统，其多绕组高频变压器包括N个光伏绕组，以及一个充电绕组；
其中，N个光伏绕组的一端作为所述多绕组高频变压器的输入端；N个光伏绕组的另一端与所述充电绕组的一端耦合，所述充电绕组的另一端作为所述多绕组高频变压器的输出端；
各光伏绕组与各光伏模块一一对应连接；各光伏绕组用于收集各光伏模块输出的电能；充电绕组用于汇集N个光伏绕组输出的电能，并将汇集获得的总电能转换为适用于车辆的稳定电能。
优选地，上述基于光伏模块组的车辆供电系统，其功率控制单元包括充电控制器、空调控制器和处理器；
其中，充电控制器的输入端作为功率控制单元的输入端，所述处理器的输入端作为功率控制单元的第二输入端；充电控制器的控制端连接处理器的第一输出端；空调控制器的输入端与充电控制器的输出端连接，空调控制器的控制端连接处理器的第二输出端；空调控制器的输出端作为功率控制单元的第二输出端，用于连接车辆的空调系统；
充电控制器的输出端还作为功率控制单元的第一输出端，用于通过高压母线连接车辆动力电池；
其中，处理器用于根据车辆信息生成充电控制信号和空调控制信号；其中，车辆信息包括光伏模块组输出总功率、动力电池荷电状态及车内外温度；
充电控制器用于根据充电控制信号开启或停止对车辆动力电池充电；空调控制器则用于根据空调控制信号，开启或停止对车辆空调系统的供电；
车辆处于停止状态时，当处理器检测到电池荷电未满，则生成充电控制信号作用于充电控制器，使其为动力电池充电；
当光伏模块组的输出总功率在为动力电池充电之外还有结余，处理器则生成空调控制信号作用于空调控制器，使其为空调系统供电；
当车辆处于行驶状态时，充电控制器在充电控制信号作用下停止对车辆动力电池充电，而与动力电池一起通过高压母线为车辆行驶供电；空调控制器根据空调控制信号停止对车辆空调系统供电。
优选的，上述基于光伏模块组的车辆供电系统，其充电控制器的输出端与车辆动力电池之间通过高压母线连接，空调控制器的输出端与车辆的空调系统通过低压母线连接。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的基于光伏模块组的车辆供电系统，其光伏模组包括多个光伏模块；将多个光伏模块设于车辆表面，通过其光伏控制电路对各光伏电池施以独立控制，使各光伏模块均以最大功率输出，提高了光伏模块组的总输出功率；
而现有技术中，由于车辆各部位接受光照强度不同，为避免设于车辆多部位的光伏电池的输出串联或并联供电导致的总体输出功率下降甚至烧毁部分光伏电池；实际中电动汽车仅车顶布置光伏电池，输出功率极为有限，对动力电池的充电或对空调系统的供电效果差；
相比较而言，本发明提供的车辆供电系统，可以在最大程度上利用车辆外表面布设光伏模块，而达到最大程度上利用车载光伏实现对车辆供电的目的；
(2)本发明提供的基于光伏模块组的车辆供电系统，采用多绕组高频变压器对多个光伏模块产生的光伏电能进行高效汇集，避免了将各光伏电池的输出串联或并联而导致总体输出功率下降或烧毁部分光伏电池的问题；另一方面，多绕组高频变压器也实现了车外表面的光伏模块组与车内功率控制单元的电气隔离；
(3)本发明提供的基于光伏模块组的车辆供电系统，设于车外表面的光伏模块组输出的光伏电能通过多绕组高频变压器，经充电控制器、空调控制器直接为车辆动力电池充电或为车辆空调系统供电；现有技术中，为避免光伏电池输出功率或电压不稳定，采用光伏电池-变换器-储能电池-变换器的结构；相较而言，本发明采用光伏模组-多绕组高频变压器-功率控制单元结构的供电系统，不需要储能电池，即可提供适用于车辆的稳定电能；提高了对车辆高压、低压电气系统的供电和对动力电池的充电效率并且电路结构简更简单，控制简单，可在很大程度上减小供电系统的体量；
综上所述，本发明提供的基于光伏模块组的车辆供电系统简化了光伏模块组、动力电池、空调系统之间的功率联接、功率控制和电气隔离结构；并且无需储能，提高了供电效率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于光伏模块组的车辆供电系统功能示意图；
图2是本发明实施例中的光伏模块在车辆车身上的分布示意图；
图3是光伏模块的功能示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-光伏模块组、2-多绕组高频变压器、3-功率控制单元。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，实施例提供的一种基于光伏模块组的车辆供电系统，包括光伏模块组1、多绕组高频变压器2及功率控制单元3；
光伏模块组的4个输出端与多绕组高频变压器的4个光伏绕组一一对应地并联；功率控制单元的第一输入端与多绕组高频变压器的充电绕组的输出端连接，第二输入端用于接收车辆信息；而功率控制单元的两个输出端分别用于连接车辆动力电池与车辆空调系统。
本实施例中，光伏模块组包括4个光伏模块，分别分布于车辆前端、车辆第一侧面、车辆第二侧面和车辆顶部；图2所示，是实施例中光伏模块在车身上的分布侧面视图的示意图。
本实施例中采用的光伏模块的系统结构如图3所示，包括依次串联的光伏电池、光伏控制电路、光伏逆变电路，光伏逆变电路的输出端作为光伏模块的输出端。
本实施例中，光伏控制电路由Boost升压电路构成；光伏逆变电路由MOSFET组成的H桥构成。
光伏模块组以多光伏模块的结构形式布置于电动汽车各表面，各光伏模块的光伏控制电路独立控制光伏模块的光伏电池，使其以最大功率输出；光伏逆变电路将各光伏控制电路输出的直流电压逆变为高频交流电压，将光伏电能输送到多绕组高频变压器。
本实施例中，多绕组高频变压器包括4个光伏绕组和1个充电绕组；多绕组高频变压器一方面汇集来自4个光伏模块的电能，并通过充电绕组将光伏电能输出给功率控制单元；另一方面，多绕组高频变压器实现了设于车辆外表面的光伏模块组与车内功率控制单元的电气隔离。
本实施例中，功率控制单元包括充电控制器、空调控制器和处理器；其中，充电控制器的输入端作为功率控制单元的第一输入端，处理器的输入端作为功率控制单元的第二输入端；充电控制器的控制端连接处理器的第一输出端；空调控制器的输入端与充电控制器的输出端之间通过高压母线连接，空调控制器的控制端连接处理器的第二输出端；空调控制器的输出端作为功率控制单元的第二输出端，用于通过低压母线连接车辆的空调系统；充电控制器的输出端还作为功率控制单元的第一输出端，用于通过高压母线连接车辆动力电池。
本实施例中，充电控制器采用MOSFET组成的H桥实现；空调控制器采用带隔离结构的DC/DC电路实现；处理器采用DSP实现。
处理器根据车光伏模块组输出总功率、动力电池荷电状态及车内外温度等车辆信息生成充电控制信号和空调控制信号。
当车辆处于停止状态，处理器检测电池荷电未满，则生成充电信号作用于充电控制器，使其为动力电池充电；若光伏模块组输出总功率除充电外还有结余，处理器则产生空调启动信号作用于空调控制器，使其为空调系统供电；
当车辆处于行驶状态时，充电控制器根据充电控制信号停止对车辆动力电池充电，而与动力电池一并通过高压母线为车辆行驶供电；空调控制器根据空调控制信号停止对车辆空调系统供电。
以下，结合实施例具体说明本发明提供的基于光伏模块组的车辆供电系统的工作原理及功能：
实施例中，4个光伏模块中的光伏控制电路采用最大功率跟踪(MPPT)算法，使各光伏电池以最大功率输出，4个光伏逆变电路将4个光伏控制电路输出的在一定范围内变化的直流电压逆变为高频方波电压，并以合适的占空比控制4路电压稳定输出，将4个光伏模块输出功率汇入多绕组高频变压器的光伏绕组；
多绕组高频变压器一方面汇集来自4个光伏模块的光伏电能，并通过充电绕组将光伏电能输出到功率控制单元；另一方面，实现对光伏模块组与车内功率控制单元的电气隔离；实施例中，多绕组高频变压器始终工作在10kHz的高频状态下，减小了变压器体积和重量，利于其在电动汽车上安装实现。
对充电控制器的具体控制，可通过对其移相角(充电控制器相对于光伏逆变电路发出的方波电压初相角的角度)的控制，来控制动力电池的充电行为，并为车辆空调系统供电或在车辆行驶时提供辅助供电。
对空调控制器的具体控制，可通过对其占空比(带隔离结构的DC/DC电路的逆变环节发出的方波占空比)的控制，来控制其对车辆空调系统供电的供电行为，并实现车内高压电气部分与低压电气部分的电气隔离。
总体而言，该实施例将4个光伏模块布置于车辆引擎盖表面，车辆双侧面及车辆顶部，并对各光伏模块施以独立控制，提高了车外表面的光伏模块组的总输出功率；以多绕组高频变压器联系车外表面的光伏模块组与车辆动力电池和空调系统，并由处理器通过充电控制器、空调控制器分别控制动力电池充电和车内温度调节，并在车辆行驶时提供辅助供电。本发明简化了光伏模块组与车辆动力电池和车辆空调系统之间的功率联接、功率控制、电气隔离，提高了对车辆高压电气系统、低压电气系统的供电效率以及对动力电池的充电效率。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于光伏模块组的车辆供电系统，其特征在于，包括光伏模块组(1)、多绕组高频变压器(2)及功率控制单元(3)；所述多绕组高频变压器包括N个光伏绕组，以及一个充电绕组；
所述多绕组高频变压器包括至少N个输入端和一个输出端；N个光伏绕组的一端作为所述多绕组高频变压器(2)的输入端；N个光伏绕组的另一端与所述充电绕组的一端耦合，所述充电绕组的另一端作为所述多绕组高频变压器(2)的输出端；所述多绕组高频变压器的N个输入端与光伏模块组的N个输出端一一对应连接；所述功率控制单元的第一输入端与多绕组高频变压器的输出端连接，第二输入端用于接收车辆信息；所述功率控制单元的第一输出端用于连接车辆动力电池，第二输出端用于连接车辆空调系统；
所述光伏模块组用于将太阳能转换为电能；所述光伏绕组用于收集光伏模块输出的电能；所述充电绕组用于汇集N个光伏绕组输出的电能，并将汇集获得的总电能转换为适用于电动汽车的稳定电能；所述功率控制单元用于根据车辆信息，采用所述稳定电能对车辆动力电池充电，并对车辆空调系统的供电；其中，N为不小于1的整数。
2.如权利要求1所述的供电系统，其特征在于，所述光伏模块组包括N个光伏模块；每个所述光伏模块置于车辆表面可接受光照的位置；N个光伏模块的输出端作为光伏模块组的N个输出端。
3.如权利要求1或2所述的供电系统，其特征在于，所述功率控制单元(3)包括充电控制器、空调控制器和处理器；
所述充电控制器的输入端作为功率控制单元的第一输入端，所述处理器的输入端作为功率控制单元的第二输入端；充电控制器的控制端连接处理器的第一输出端；所述空调控制器的输入端与充电控制器的输出端连接，空调控制器的控制端连接处理器的第二输出端；空调控制器的输出端作为功率控制单元的第二输出端，用于连接车辆的空调系统；
所述充电控制器的输出端还作为功率控制单元的第一输出端，用于连接车辆动力电池；
所述处理器用于根据车辆信息生成充电控制信号和空调控制信号；所述充电控制器用于根据充电控制信号开启或停止对车辆动力电池充电；所述空调控制器用于根据空调控制信号，开启或停止对车辆空调系统供电。
4.如权利要求3所述的供电系统，其特征在于，所述充电控制器的输出端与车辆动力电池之间通过高压母线连接，空调控制器的输出端与车辆的空调系统通过低压母线连接。
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