CN106476633A - 用于电动汽车的太阳能窗口 - Google Patents

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M·宏
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Abstract

本申请提供了一种用于电动汽车的光伏电源，包括：包括透明光伏电池的至少一个窗口；与至少一个窗口的透明光伏电池电通信的直流‑直流变换器；与直流‑直流变换器保持电通信的蓄电池。

Description

用于电动汽车的太阳能窗口
相关申请的交叉引用
本申请要求基于2015年9月1日提交的美国临时专利申请NO.62/212,736的优先权，其全部公开内容通过引用被结合到本文。
技术领域
本发明一般地涉及光伏电池电力系统，并且更具体地涉及被结合于汽车窗口中的光伏电池电力系统。
背景技术
全部电动汽车由于以下因素受到距离限制：汽车在需要重新充电之前能够在其蓄电池中保存的电量；汽车消耗电荷的速度。储量受到蓄电池的尺寸和容量的限制。虽然更大容量的蓄电池负载更多电荷，但是通常增加汽车的重量，并且由于额外的质量，反过来要求汽车发动机使用更多能量以移动汽车。因此，已经考虑不增加蓄电池容量而是利用蓄电池连续充电以补充电动汽车的范围，并且有助于避免蓄电池过度放电。
长距离的实验模型，以太阳能为动力的电动汽车通常为实质上具有覆盖有太阳能电池的汽车全部有效表面的单人车辆。为了在单次充电情形下行驶最远的距离(最长实验距离)，以太阳能为动力的汽车被设计用于单个乘客以节省重量，并且具有被配置成减小汽车移动时其上的阻力的极限空气动力外形。这些汽车尽管在技术上令人关注，但其对于日常使用是不可接受的。
现在电动汽车在从电网获取电力的充电站对蓄电池进行充电。因为对蓄电池再次充电需要不可忽视的时间量，所以无论如何应当考虑节省蓄电池中的电荷。
本发明公开的用于电动汽车的太阳能窗口直接减轻或克服了上述问题中的一个或多个和/或现有技术中的其他问题。
发明内容
本公开的一个方面为用于电动车的光伏电源。电源可以包括至少一个窗口，所述窗口包括透明的光伏电池；直流-直流变换器，所述直流-直流变换器与所述至少一个窗口透明的光伏电池电通信；以及蓄电池，所述蓄电池与所述直流-直流变换器电通信。
本公开的另一个方面为电动汽车。电动汽车可以包括：车身；位于车身中的至少一个窗口，所述至少一个窗口包括透明光伏电池；直流-直流变换器，所述直流-直流变换器安装于车身中并且与所述至少一个窗口的透明光伏电池电通信；以及蓄电池，所述蓄电池安装于车身中并且与所述直流-直流变换器电通信。
而本公开的另一个方面为用于对电动汽车中的蓄电池进行充电的方法。方法可以包括如下步骤：通过在所述电动汽车的至少一个窗口中包括的透明光伏电池发电；利用与所述至少一个窗口的透明光伏电池电通信的直流-直流变换器对所产生的电力进行控制；以及对蓄电池进行充电，所述蓄电池安装于车辆中并且与所述直流-直流变换器电通信。
附图说明
公开的实施例的结构和功能可以通过本文中说明书与附图的结合被最好地理解。附图不必比例精确，而是重点示出原理。附图被认为在所有方面为说明性的，并且不意在限制公开的实施例，其范围仅由权利要求限定。
图1是以光电透明窗口作为天窗和后窗的电动汽车的实施例的透视图；
图2是与图1所示的光电透明窗口一起使用的直流-直流变换器的实施例的电路原理图；以及
图3是示出了如图2所示的变换器的实施例中晶体管和二极管的状态的图表。
具体实施方式
参考图1，电动汽车10的实施例包括被连接在一起以形成光电或太阳能板14的透明光伏电池(贯穿本申请，术语“光伏电池”与术语“太阳能电池”可交换地被使用)，电压调节电路18(也称为“直流-直流功率变换器18”)以及组成安装于汽车10的车身内的车辆蓄电池24的多个电池组(battery strings)23、23，(通常为23)(也称为“电池组串(batterypack strings)”)。
代替汽车天窗和后窗的太阳能板14将产生50伏最高约200瓦的功率。天窗和后窗由于其在汽车中的位置被选择。这些窗口暴露于显著的阳光，并且正如将是这样的情况，从板通过的光的减少将不影响汽车的安全，例如，将透明太阳能板设置于挡风板的位置。但是，取决于透明程度，透明太阳能光电板可以被用于全部窗口。需要指出的是，当光伏电池的透明度增加时，产生的功率量减少。例如透明度为10％时，产生的功率为约47W/m2。当透明度增加到30％时，产生的功率减少至35W/m2。
参考图2，太阳能板14的光伏电池通过直流-直流功率变换器18连接至蓄电池24。在一个实施例中，变换器18被提供作为最大功率点跟踪(MPPT)直流-直流变换器，并且来自太阳能板14的、50V直流电和200W最大功率的电力通过MPPT直流-直流变换器传送。MPPT直流-直流变换器利用MPPT功率变换器控制器28以控制供应至蓄电池24的电力。实际上，MPPT28将由太阳能板14的光伏电池供应的电力与蓄电池24的要求进行匹配以减少功率损失。直流-直流功率变换器安装于汽车10的车身中。
MPPT功率变换器控制器28被编程以监测以下情形：电流32以及供应至电池组23、23，的电压36、输入电压44、以及来自太阳能板14的输入电流48。因为太阳能板14的功率输出随温度而变化，太阳能板14包括温度传感器52。板温度传感器52针对MPPT功率变换器控制器28的温度输入56提供输入信号。
来自于太阳能板14的功率通过场效应晶体管Q1 64被输入至变压器60的初级线圈58的第一侧57。第二场效应晶体管Q2 68被连接于初级线圈58的第二侧62和地之间。二极管D1被连接于初级线圈58的第二侧62和光电板14的输出端之间。第二二极管D2被连接于初级线圈58的第一侧57和地之间。
变压器60的次级线圈76的第一侧75通过场效应晶体管Q3 80被连接至蓄电池24的第一侧78。变压器60的次级线圈76的第二侧77被连接至蓄电池24的第二侧82。场效应晶体管Q4 84被连接于次级线圈76的第一和第二侧75、77。由电感96和电容100构成的滤波器95被设置于场效应晶体管Q4 84和蓄电池24之间。电感96被连接于场效应晶体管Q3 80和蓄电池24的第一侧78之间，并且电容被连接于蓄电池24的第一侧78和第二侧82之间。
场效应晶体管Q1 64的栅极被MPPT功率变换器控制器28的输出端口72控制，并且场效应晶体管Q2 68的栅极被MPPT功率变换器控制器28的输出端口73控制。相似地，场效应晶体管Q3 80的栅极和场效应晶体管Q4 84的栅极分别被在MPPT功率变换器控制器28的两个输出端口控制之下的隔离的高边驱动器(isolated high side driver)88和隔离的低边驱动器(isolated low side driver)92控制。隔离电流反馈监测器102(在一个实施例中为霍尔效应(Hall effect)电流传感器)和隔离电压反馈监测器104分别提供关于被提供至蓄电池24的电流和电压的信息至MPPT功率变换器控制器28输入端口32和36。
电池组23、23，中的每一个通过各自单独的开关110、110，被连接至蓄电池24的第一侧和第二侧。开关110、110，被外部车辆电子控制单元(ECU)120所控制。
MPPT功率变换器控制器28通过CAN(控制器局域网络)总线接口124与车辆电子控制单元120进行通信以交换例如最大电压、最大充电电流、温度、系统状态、系统错误和估计的有效功率等数据。
参考图3，在运行中，MPPT变换器控制器28首先接通(ON)场效应晶体管Q1 64、场效应晶体管Q2 68和场效应晶体管Q3 80并且断开(OFF)场效应晶体管Q4 84。在此情形下，二极管D1和D2反向偏置(reverse-biased)，并且断开。这允许电流通过变压器60的初级线圈58并且在次级线圈76中产生感应电流。此电流被允许通过场效应晶体管Q380至滤波器95。
MPPT功率变换器控制器28接下来断开场效应晶体管Q1 64、场效应晶体管Q2 68和场效应晶体管Q3 80并且接通场效应晶体管Q4 84。这阻止电流通过初级线圈58，瓦解变压器60的场并且将次级线圈76中的电流减小至零。场效应晶体管Q1 64的接通和断开有效地将来自光电板的直流电压变换为方波直流，使得振荡磁场被初级线圈58产生。
MPPT功率变换器控制器也接通场效应晶体管Q4 84，允许次级线圈重新分配电荷和重置。在这种情形下，二极管D1和D2为正向偏置并且接通。一旦变压器60重置，二极管D1和D2再次为反向偏置并且断开，并且只有场效应晶体管Q484接通以允许电流从场效应晶体管Q164传送至蓄电池24.
MPPT功率变换器控制器28控制充电系统的其他功能。例如，如果光伏电池阵列14的温度超过特定值，MPPT功率变换器控制器监测太阳能板14的温度、电流和电压，从而其可以根据参数值采取适当的措施。如果这些数值中的任何一个超出范围，则变换器将关闭。变换器使用被监测的输入值以估计有效输出功率，以及在入射光变化和未减弱光伏电池电压的情况下保持最大功率输出，从而保持最高效率。
在另一个实施例中，车辆针对任何非必要的车辆电子器件关闭或减小功率以减小电路消耗，这带来更有效的从阳光到蓄电池的能量传递。
除非相反指出，所有表示长度、宽度、深度或其他维度等的用于说明书和权利要求中的数字在所有例子中被理解为既指所示的确切值，也指被术语“约”修改的值。相应地，除非被相反指出，说明书和所附权利要求中说明的数字参数为依据试图得到的期望特征变化的近似值。并且至少，不试图将遵从等同原则的本申请限制至权利要求的范围，每一个数字参数应当至少根据所报告的有效数字并且通过应用通常的舍入技术构成。任何具体数值可以变化20％的幅度。
术语“一”、“一个”、“该”以及文中使用的描述被公开的实施例(尤其是在以下权利要求的文本中)的类似指示词被构成以全部覆盖单数和复数，除非在本文中相反指出或与上下文明显矛盾。本文描述的所有方法能够被以适合的方式执行，除非在本文中相反指出或与上下文明显矛盾。本文中任何以及全部例子或示例性语言(例如，“比如”)的使用仅意在更好的说明本公开，并且不限制任何权利要求的范围。本说明书中没有语言应当被构成以指出任何没有被要求的、为实践被公开的实施例所必要的元素。
本文公开的大量可选择的元素或实施例不构成限制。每一个组成员可以独自或与组中其他成员或与本文中的其他元素结合从而被参考和被要求保护。可以设想，组中的一个或更多的成员可以由于方便和/或专利性被包括进入组，或被从组中删除。当任何这种包括或删除发生时，说明书被认为包括被修改的组，因此完成所附权利要求使用的全部马库什(Markush)组的书面说明。
特定实施例(包括发明者知晓的最佳模式)在本文中被描述用于尝试得出本发明的主旨。当然，对于本领域技术人员而言，在阅读以上说明书的基础上所述实施例的变化是明显的。发明者希望技术人员适当运用这些变化，并且发明者意在公开的实施例除了本文的具体描述之外被实践。相应地，权利要求包括申请法律所允许的权利要求引用的主题的所有修改和等同。进一步，可以设想上述元素以其所有可能变化的方式的任何结合，除非在本文中相反指出或与上下文明显矛盾。
对于本领域技术人员而言，对公开的遥控系统和相关方法的各种修改和变更是明显的。对于本领域技术人员而言，考虑说明书和公开的遥控系统和相关方法的实践的其他实施例是明显的。说明书和例子仅被认为示例性的，真实范围由以下说明书和其等同所确定。

Claims (15)

1.一种用于电动汽车的光伏电源，包括:
至少一个窗口，所述窗口包括透明光伏电池；
直流-直流变换器，所述直流-直流变换器与至少一个窗口的透明光伏电池电通信；以及
蓄电池，所述蓄电池与所述直流-直流变换器电通信。
2.根据权利要求1所述的光伏电源，其中，所述直流-直流变换器包括：
最大功率点跟踪变换器功率控制器；以及
场效应晶体管，所述场效应晶体管与所述透明光伏电池电通信并且与变压器的初级电通信，
其中，所述场效应晶体管包括栅极，所述栅极与所述最大功率点跟踪变换器功率控制器电通信并且被所述最大功率点跟踪变换器功率控制器控制。
3.根据权利要求2所述的光伏电源，其中，所述直流-直流变换器进一步包括：
滤波器，所述滤波器具有输出端以及与所述变压器的次级电通信的输入端；以及
所述滤波器的输出端与所述蓄电池电通信。
4.根据权利要求2所述的光伏电源，其中，所述直流-直流变换器进一步包括：
第一二级管，所述第一二级管被连接于所述变压器的初级与所述透明光伏电池的输出端之间；以及
第二二级管，所述第二二极管被连接于所述变压器的初级与地之间。
5.根据权利要求1所述的光伏电源，其中，所述直流-直流变换器与蓄电池之间的电通信由外部电子控制单元控制。
6.一种电动汽车，包括：
车身；
位于车身中的至少一个窗口，所述至少一个窗口包括透明光伏电池；
直流-直流变换器，所述直流-直流变换器安装于车身中并且与所述至少一个窗口的透明光伏电池电通信；以及
蓄电池，所述蓄电池安装于车身中并且与所述直流-直流变换器电通信。
7.根据权利要求6所述的电动汽车，其中，所述直流-直流变换器包括：
最大功率点跟踪变换器功率控制器；以及
场效应晶体管，所述场效应晶体管与所述透明光伏电池电通信并且与变压器的初级电通信，
其中，所述场效应晶体管包括栅极，所述栅极与所述最大功率点跟踪变换器功率控制器电通信并且由所述最大功率点跟踪变换器功率控制器控制。
8.根据权利要求7所述的电动汽车，其中，所述直流-直流变换器进一步包括：
滤波器，所述滤波器具有输出端以及与所述变压器的次级电通信的输入端；以及
所述滤波器的输出端与所述蓄电池电通信。
9.根据权利要求7所述的电动汽车，其中，所述直流-直流变换器进一步包括：
第一二级管，所述第一二级管被连接于所述变压器的初级与所述透明光伏电池的输出端之间；以及
第二二级管，所述第二二极管被连接于所述变压器的初级与地之间。
10.根据权利要求7所述的电动汽车，其中，所述直流-直流变换器与蓄电池之间的电通信由外部电子控制单元控制。
11.一种用于对电动汽车中的蓄电池进行充电的方法，包括如下步骤：
通过在所述电动汽车的至少一个窗口中包括的透明光伏电池发电；
利用与所述至少一个窗口透明的光伏电池电通信的直流-直流变换器对所产生的电力进行控制；以及
对蓄电池进行充电，所述蓄电池安装于车辆中并且与所述直流-直流变换器电通信。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述直流-直流变换器包括：
最大功率点跟踪变换器功率控制器；以及
场效应晶体管，所述场效应晶体管与所述透明光伏电池电通信并且与变压器的初级电通信；
所述方法进一步包括通过所述最大功率点跟踪变换器功率控制器控制所述场效应晶体管的栅极。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述直流-直流变换器进一步包括：
滤波器，所述滤波器具有输出端以及与所述变压器的次级电通信的输入端；以及
所述滤波器的输出端与所述蓄电池电通信。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述直流-直流变换器进一步包括：
第一二级管，所述第一二级管被连接于所述变压器的初级与所述透明光伏电池的输出端之间；以及
第二二级管，所述第二二极管被连接于所述变压器的初级与地之间。
15.根据权利要求12所述的方法，进一步包括通过外部电子控制单元控制所述直流-直流变换器与所述蓄电池之间的电通信。
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