CN117183939A - 用于具有太阳能光伏表面的车辆的可适应取向优化 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了“用于具有太阳能光伏表面的车辆的可适应取向优化”。添加在运输车辆上的太阳能发电电池板具有一种布局，其中所述电池板的电力输出根据所述车辆的方位取向而变化。控制器包括校准曲线数据库，所述校准曲线数据库根据不同的太阳高度角使预期电力输出与所述方位取向的相应范围相关。执行自学习序列，所述序列：(a)在所述车辆在穿越所述方位取向的所述相应范围时收集电力输出的量值；(b)识别当前太阳高度角；以及(c)存储所得校准曲线。一种停放序列包括：(a)根据太阳高度角选择校准曲线；(b)基于所述校准曲线和太阳方位而确定优化累积电力输出的目标车辆方位角；以及(c)发起所述车辆的移动以将其定向在所述目标车辆方位角。

Description

用于具有太阳能光伏表面的车辆的可适应取向优化
技术领域
本发明总体上涉及运输车辆上的太阳能发电，并且更具体地，涉及通过将太阳能电池板定向成接收最佳照明来在车辆停放事件期间最大化发电量。
背景技术
使用太阳能电池板(例如，光伏阵列)的太阳能发电系统由于其现在可用的价格下降和提高的效率水平而在汽车工业中受到越来越多的关注。例如，太阳能电池板可附接到车辆车顶(例如，作为天窗或遮阳板的替换)，附接到其他车身表面，或者用作皮卡车的货厢上方的后厢盖。由电池板生成的电力可用于对车载电池(诸如，辅助电池、电动车辆的高压电池或汽油动力车辆或混合动力车辆的主12V电池)充电或直接为各种电气负载(诸如，暖通空调(HVAC)系统)提供动力。太阳能系统可包括在太阳能电池板与负载之间的充电控制器，以确保传递最大的电力量(例如，传递到正在充电的电池)。
当车辆在白天状况期间停在外面时，由车辆上的太阳能电池板收获的电力量通常可能受到许多不同因素的影响，所述因素包括电池板朝向太阳的取向和/或太阳能电池板表面可能被其他车辆结构遮蔽(例如，位于后厢盖上的太阳能电池板被乘客舱的车顶遮蔽)。当太阳能发电设备是基本车辆设计的一部分(例如，根据特定车辆的标准预定布局安装)时，则用于确定车辆的期望取向以使太阳能电池板的太阳照射最大化的控制系统可被预编程以根据该布局评估太阳的位置的几何形状以及车辆几何形状和太阳能电池板位置。然而，一些太阳能电池板布局在安装之后可能是可调整的，太阳能电池板的性能可能会随时间变化，并且太阳能发电系统可在原始制造之后(即，作为售后装备)根据定制或专设布局添加到车辆。因此，可能存在以下情形：车辆控制器检测到存在太阳能发电设备，但缺乏关于太阳能电池板配置的足够细节，这将使其能够执行几何分析，所述几何分析确定停放期间的最佳车辆取向。
发明内容
本发明优化了太阳能发电设备的电力输出，而无需关于车辆上的太阳能电池板布局或可能阻挡来自太阳能电池板的太阳辐射的车辆表面形状的几何细节。自学习程序基于当车辆以对应的方位角重新定位时的实际测量的电力输出，以便编译在不依赖于电池板布局的知识或车辆表面或障碍物的几何分析的情况下导出的校准曲线的数据库。
在本发明的一个方面，一种太阳能发电设备安装在运输车辆上，所述运输车辆具有一种布局，以使得在任何特定的太阳高度角下，所述太阳能发电设备的电力输出根据车辆的方位取向而变化。耦接到所述太阳能发电设备的控制器包括校准曲线数据库，所述校准曲线数据库使预期电力输出与所述方位取向的相应范围相关，每个范围对应于相应的太阳高度角。所述控制器被配置成针对停放事件执行自学习序列和停放序列。所述自学习序列包括：(a)在所述车辆在穿越所述方位取向的所述相应范围的路径中行驶时收集所述电力输出的量值；(b)识别当前太阳高度角；以及(c)将所得校准曲线存储在数据库中。所述停放序列包括：(a)根据所述当前太阳高度角从所述数据库中选择所述校准曲线中的一个；(b)基于所述选定的校准曲线和当前太阳方位而确定优化累积电力输出的目标车辆方位角；以及(c)根据所述目标车辆方位角发起所述车辆的移动。
附图说明
图1是承载太阳能发电设备的轻型卡车的俯视图，其中太阳能电池板处于第一配置。
图2是承载太阳能发电设备的轿车的透视图，其中太阳能电池板处于第二配置。
图3是示出太阳方位角和高度角以及车辆方位角与车辆要穿越的校准路径的示意图。
图4和图5是在相应的太阳高度角下收集的校准曲线。
图6是示出根据一个优选实施例的车辆的框图。
图7是示出本发明的包括用于适应太阳能电池板的定制布局的自学习程序的方法的流程图。
图8是示出本发明的包括停放程序的方法的流程图。
具体实施方式
一般而言，本发明允许太阳能电池板表面以任何任意布局/配置部署在车辆上。每当日光云覆盖范围足够低时(例如，存在导致阴影投射水平高于预定水平的直接太阳照明)，就可进行自学习程序。换句话说，当对象没有投射可检测到的阴影时，则自学习程序将是不可靠的，并且因此不被执行。如果阳光阴影状况大于阈值，则可将车辆带到无阴影区域(例如，停放区域的一部分)并绕圈操纵车辆。如果区域太小而无法绕圈行驶，则进行3点转弯等也是可接受的，前提是包括足够的方位取向范围。可使用磁罗盘、GPS、相机和/或惯性传感器来确定车辆方位角(即，航向)。在用于执行无阴影太阳能扫描的操纵期间，记录瞬时太阳能电力输出以及车辆的对应方位角(即，航向)，优选地包括360°方位旋转。通过准时执行一个完整的360°旋转，可获得稳健的校准曲线，因为可在非常稳定的太阳流入量下收集有关单个曲线的所有数据。所述数据揭示了当前太阳高度(仰角)角的最佳方位角数据，其中可使用来自GPS装置的全球位置坐标和本地时间或使用来自相机或其他太阳能传感器的数据(例如，从星历表)查出所述高度角。
随后，可在停放事件期间使用所得的校准曲线数据，以每当太阳处于或接近同一高度角时将车辆定位在最佳取向中。当太阳处于不同的高度角时，可在不同的时间/日期获得额外的校准曲线，以便建立校准曲线的库数据库。另外，对于尚未测量数据的其他太阳高度角，可使用一个或多个校准曲线来估计或内插校准曲线。在许多情形下，仅使用基于一次测量试验的一个校准曲线来定义停放事件的目标方位取向可达成高达最佳取向的90％的电力输出。基于车辆的目标方位角(入射太阳辐射应指向所述目标方位角)，可组合当前太阳方位角和目标方位角以确定将太阳能电池板朝向当前太阳位置定向以最大化太阳能发电量的车辆航向(即，根据实际太阳位置对目标车辆方位角进行归一化)。
为了进一步最大化电力收获，可将车辆将停放的预期持续时间考虑到确定最佳方位取向中。因此，可针对一系列方位取向计算在完全停放事件中聚集的累积电力输出，并且选择最佳方位取向(或者可在停放事件期间自主地移动车辆)。
参看图1，车辆10被示出为具有太阳能发电设备的轻型皮卡车，所述太阳能发电设备包括被配置为货物区上方的后厢盖的太阳能电池板11和一体地形成到车辆发动机罩中的太阳能电池板12。车辆10具有航向H。在车辆10处于太阳照明下的任何特定时间，电池板11和12朝向太阳的取向以及电池板11或12被车辆10的其他部分潜在遮蔽将随着航向H的改变而改变。
图2示出了呈轿车形式的具有车顶安装式太阳能电池板16和侧面安装式太阳能电池板17的另一车辆15。图1和图2中的太阳能电池板是可在任何时间并且以任何期望的布局改装到车辆的任意放置的示例。来自电池板16和17的太阳能发电同样根据车辆15相对于太阳20的当前位置的航向而变化。更具体地，太阳20位于相对于车辆15所在的水平地平面21的高度角(即，仰角)α处。取决于太阳20的位置的方位方向和车辆15的航向，直接太阳照明来自朝向车辆15的方位方向(如箭头22中的任何一个所示)。由于高度角α改变非常缓慢，因此在任何特定时间太阳能电力输出的优化取决于车辆15相对于太阳20的方位取向。在常规的控制系统中，已经利用太阳能电池板的几何布局来计算落在不同取向的电池板上的阳光的浓度，以确定车辆的期望停放位置。然而，本发明使用新颖的太阳校准分析，所述太阳校准分析是在不知道太阳能电池板的几何布局的情况下完成的。
图3示出了接收来自太阳20的阳光的车辆23，所述太阳处于由太阳高度角α和太阳方位角γ限定的位置。太阳方位角γ是相对于固定方向(诸如地理北向)限定的。为了在车辆23处于当前高度角α时根据朝向太阳20的变化的方位方向来评估所述车辆上的太阳能电池板的特定布局的电力输出，执行自学习序列，其中使车辆23在路径24中行驶，以使得其取向穿越一个方位取向范围(优选地，通过遵循圆形路径24进行一个完整的360°扫描)。图4示出了在相应的方位取向(车辆方位角γv)处测量的电力输出i的变化的曲线图25。最大输出26出现在其中太阳能电池板的表面法线朝向太阳20最紧密地对准并且其中低比例的太阳能电池板被遮蔽的取向处。由于沿着路径行驶是一次发生的，因此图4中的完整360°曲线对应于特定的太阳高度角α。在不同的时间，太阳20可能处于具有不同的太阳高度角α的天空中的不同位置。在这个不同的时间，可再次执行自学习序列，以便生成图5中示出的输出电力的变化。所得的360°曲线图27具有最大值28。一般而言，与方位的改变相比，电力输出的改变较少地依赖于高度角的改变。因此，一个特定太阳高度角下的自学习序列可在宽范围的相邻太阳高度角上提供良好的结果。因此，不太可能需要在不同的太阳高度下进行大量试验。来自实际测量结果的少量校准曲线可能就足够了，并且期望可通过在期望的对应的太阳高度角之间内插额外校准曲线来进行补充。
图6示出了被配置成在停放事件期间优化太阳能发电量的运输车辆30(例如，汽车或卡车)的一个实施例。车辆30具有可根据任何任意布局安装的一个或多个太阳能电池板31。太阳能电池板31连接到电气接口32，所述电气接口将所生成的电力递送到电池和/或电气负载33。接口32还向控制器34提供表示从太阳能电池板31输出的瞬时电力的量值的数据。控制器34可包括可编程的通用处理器或其他类型的控制电路。控制器34耦接到人机接口(HMI)35，诸如触摸屏显示面板或如在机动车辆中用于接收用户输入和用于向驾驶员提供车辆相关数据显示的其他接口元件。HMI 35可用于指导驾驶员绕圈或在其他路径中进行驾驶序列，以向驾驶员通知期望的停放取向或停车位，或者从驾驶员收集信息，诸如停放事件的预期持续时间。控制器34还可耦接到车辆控件36，所述车辆控件可包括用于自动执行校准驾驶路径或移动到选定的停放取向或停车位的自主车辆控制器。
控制器34连接到或包括库37，所述库包括校准曲线的数据库，每个校准曲线将电力输出与方位取向相关，其中每个校准曲线适用于相应的太阳高度角。
为了监测车辆取向和/或位置以及太阳高度/方位，控制器34与罗盘和/或GPS接收器40、星历表41和相机42耦接。可以已知的方式使用磁罗盘和/或惯性传感器来始终识别车辆航向的方位角。GPS接收器40可提供车辆位置的地理坐标和要与星历表41一起使用的本地时间，以确定当前太阳高度角α和当前太阳方位γ。星历表41可替代地包括通过无线数据连接(未示出)访问的车外服务器。
控制器34被配置成执行：(1)自学习序列以根据车辆的太阳能电池板布局来编译校准曲线的数据库，以及(2)用于停放事件的停放序列以在停放事件期间将车辆放置在优化所述太阳能电池板的总收获电力的取向上。例如，所述自学习序列可在所述车辆在穿越一系列方位取向的路径中行驶时收集所述电力输出的量值，识别当前太阳高度角，并且将所得校准曲线存储在数据库中。所述停放序列可根据当前太阳高度角从所述数据库中选择所述校准曲线中的一个，基于选定的校准曲线而确定优化累积电力输出的目标车辆方位角、停放事件的估计持续时间和当前太阳方位，并且根据所述目标车辆方位发起所述车辆的移动。
图7示出了包括自学习程序的方法。在步骤45中，将太阳能发电设备安装在车辆上，所述太阳能发电设备包括具有定制布局的太阳能电池板，所述定制布局导致到车辆的接口的所生成的电力输出根据车辆的方位取向(相较于太阳的方位角)和太阳高度角(仰角)变化。在已经安装太阳能电池板之后进行初始车辆启动以进行驾驶时，可发动自学习程序。可重复执行所述程序，直到完全填充校准曲线库为止。例如，可响应于驾驶员的手动动作而在步骤46处发起额外试验，或者当校准曲线库缺少对应于当前太阳高度角的测量试验时自动发起额外试验。当尝试进行自学习试验时，在步骤47中执行检查以确定直射阳光的亮度是否足够高以获得可靠的测量结果。优选地，所述检查可包括获得车辆周围环境的相机图像，以检测和评估一个或多个对象在阳光下投射的阴影。例如，可在图像中检测投射在地面上的阴影，并且根据图像数据计算阴影区域与周围地面之间的亮度差，以量化阳光阴影状况。如果差值大于阈值，则所述方法可前进到在步骤50中执行自学习操纵。否则，在步骤48中发生等待时段，直到阳光阴影状况改善为止。
在步骤50的自学习操纵中，可经由HMI指导驾驶员在圆形路径或其他路径中驾驶，所述圆形路径或其他路径使车辆方位角取向扫过一系列取向(优选地360°取向)。替代地，可使车辆在期望路径中自主驾驶。在执行路径的同时，在步骤51中收集校准曲线的电力输出数据，这使变化的车辆方位角与电力输出相关。根据在试验期间太阳所在的方位角对车辆方位角进行归一化。例如，太阳方位角可用作车辆方位的零度参考(或任何其他角度参考)。替代地，当前太阳方位角可变换为预定方位角(例如，180°)，而车辆方位角保持为其真实值，以使得所有校准曲线具有共同的对准，并且当评估潜在停放取向时可以相同的方式使用所述校准曲线。在步骤53中，将所得校准曲线添加到校准曲线库。任选地，在步骤52中，新导出的校准曲线也可用于针对其他太阳高度角来内插校准曲线，并且在步骤53中还可将内插的曲线添加到库中。
图8示出了包括停放程序的方法。在步骤60中，响应于驾驶员的手动指示或基于检测到对应于已知停放地点(例如，工作场所处的停车场)的预定地理坐标而自动地发起停放阶段。可在步骤61中获得停放事件的估计持续时间。例如，驾驶员可使用HMI输入预期持续时间，或者控制器可基于车辆的位置(例如，工作时)而估计停放持续时间。在步骤62中确定当前太阳高度角。特别是对于较长的停放事件，这可包括在停放事件期间绘制太阳高度(和太阳方位)的路线，以便识别当前角度的平均数或平均值。基于当前的太阳高度角，可在步骤63中选择对应的校准曲线(或多个曲线)。在步骤64中，使用校准曲线来找到优化累积电力输出的目标车辆方位。因此，目标车辆方位角可基于当前太阳方位、停放事件期间的太阳方位范围和/或选定的校准曲线的最佳部分。例如，目标车辆方位可能导致太阳方位与校准曲线中的峰值重合。用于确定目标方位的数学分析可包括应用选定的校准曲线来找到与车辆方位的多个测试值相关联的总电力输出的最大化。
取决于太阳方位和/或车辆方位被归一化的方式，确定目标车辆方位可包括确定当前太阳方位与参考车辆方向之间的旋转角度，以及将旋转角度与优化所述累积电力输出的校准曲线方位组合。一旦识别出目标车辆方位角，就在步骤65中根据目标对准车辆。对准可能是手动的(使用HMI来引导驾驶员)或自动的(使用自主车辆控制器)。
在本发明的一个方面，由经由人机接口输入的用户选择来发起所述自学习序列。
在本发明的一个方面，发起所述车辆的所述移动包括向驾驶员显示用于根据所述目标车辆方位角来定向所述车辆的指令。
在本发明的一个方面，发起所述车辆的所述移动包括高级驾驶员辅助系统根据所述目标车辆方位角对所述车辆进行自主停放。

Claims (15)

1.一种运输车辆，其包括：
太阳能发电设备，所述太阳能发电设备安装在所述车辆上，所述车辆具有一种布局，以使得在任何特定的太阳高度角下，所述太阳能发电设备的电力输出根据所述车辆的方位取向而变化；以及
控制器，所述控制器耦接到所述太阳能发电设备，其中所述控制器包括校准曲线数据库，所述校准曲线数据库使预期电力输出与所述方位取向的相应范围相关，每个范围对应于相应的太阳高度角，并且其中所述控制器被配置成：
执行自学习序列，包括：(a)在所述车辆在穿越所述方位取向的所述相应范围的路径中行驶时收集所述电力输出的量值；(b)识别当前太阳高度角；以及(c)将所得校准曲线存储在所述数据库中；以及
执行停放事件的停放序列，包括：(a)根据所述当前太阳高度角从所述数据库中选择所述校准曲线中的一个；(b)基于所述选定的校准曲线和当前太阳方位而确定优化累积电力输出的目标车辆方位角；以及(c)根据所述目标车辆方位角发起所述车辆的移动。
2.如权利要求1所述的运输车辆，其中所述停放序列还包括确定所述停放事件的估计持续时间，其中确定优化所述累积电力输出的所述目标车辆方位角进一步基于所述估计的持续时间。
3.如权利要求2所述的运输车辆，其还包括：
人机接口；
其中响应于经由所述人机接口输入的用户选择而获得所述停放事件的所述估计持续时间。
4.如权利要求1所述的运输车辆，其还包括：
位置源，所述位置源耦接到所述控制器，所述位置源提供所述车辆的地理位置；
时间源，所述时间源耦接到所述控制器，所述时间源提供当前时钟时间和日期；
其中所述控制器使用所述地理位置以及所述当前时钟时间和日期来确定所述当前太阳高度角和所述当前太阳方位。
5.如权利要求4所述的运输车辆，其中所述位置源和所述时间源包括全球定位系统(GPS)接收器。
6.如权利要求1所述的运输车辆，其还包括：
人机接口；
其中由经由所述人机接口输入的用户选择来发起所述自学习序列。
7.如权利要求1所述的运输车辆，其中在检测到阳光阴影状况大于阈值后调节所述自学习序列。
8.如权利要求1所述的运输车辆，其中确定所述目标车辆方位角包括：(i)确定所述当前太阳方位与参考车辆方向之间的旋转角度；以及(ii)将所述旋转角度与优化所述累积电力输出的校准曲线方位组合。
9.如权利要求1所述的运输车辆，其还包括：
人机接口；
其中发起所述车辆的所述移动包括向驾驶员显示用于根据所述目标车辆方位角来定向所述车辆的指令。
10.如权利要求1所述的运输车辆，其还包括：
高级驾驶员辅助系统；
其中发起所述车辆的所述移动包括所述高级驾驶员辅助系统根据所述目标车辆方位角对所述车辆进行自主停放。
11.一种用于优化运输车辆上的太阳能发电设备的电力输出的方法，其中所述太阳能发电设备具有一种布局，以使得在任何特定的太阳高度角下，所述电力输出根据所述车辆的方位取向而变化，所述方法包括以下步骤：
(A)执行自学习序列，包括：
确定当前太阳高度角；
在所述车辆在穿越所述方位取向的相应范围的路径中行驶时收集所述电力输出的量值；以及
将所得校准曲线存储在数据库中；以及
(B)执行停放事件的停放序列，包括：
确定当前太阳高度角；
根据所述当前太阳高度角从所述数据库中选择所述校准曲线中的一个；
基于所述选定的校准曲线而确定优化累积电力输出的目标车辆方位角；
确定当前的太阳方位；以及
根据所述当前太阳方位和所述目标车辆方位角来发起所述车辆的移动。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述执行停放序列的步骤还包括以下步骤：
确定所述停放事件的估计的持续时间；
其中确定优化所述累积电力输出的所述目标车辆方位角进一步基于所述估计的持续时间。
13.如权利要求12所述的方法，其中响应于经由人机接口输入的用户选择而获得所述停放事件的所述估计的持续时间。
14.如权利要求11所述的方法，其还包括以下步骤：
检测阳光阴影状况；以及
将所述阳光阴影状况与阈值进行比较；
其中仅当所述阳光阴影状况大于所述阈值时执行所述自学习序列。
15.如权利要求11所述的方法，其中确定所述目标车辆方位角包括：(i)确定所述当前太阳方位与参考车辆方向之间的旋转角度；以及(ii)将所述旋转角度与优化所述累积电力输出的校准曲线方位组合。
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