于秩祥+蔣晶

摘 要：根據(jù)轎車(chē)城市工況下蓄電池的使用特點(diǎn)，轎車(chē)蓄電池過(guò)度放電或蓄電池容量降低的情況下，將無(wú)法起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。設(shè)計(jì)一套能量轉(zhuǎn)換裝置，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能為轎車(chē)蓄電池充電。同時(shí)監(jiān)控蓄電池容量，適時(shí)為蓄電池進(jìn)行充電保證蓄電池電量充足，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命，提高轎車(chē)使用經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：轎車(chē)；蓄電池；太陽(yáng)能；能量轉(zhuǎn)換

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2017）03-0051-05

Use of solar energy for car battery charging device design research

YU Zhi-xiang1， JIANG Jing2

（ 1.Experimental and Occupational Skills Management Center， Jiangsu Institute of Architectural Technology， Xuzhou221116， china ； 2.Jilin Erdaojiang Economic Development Zone Management Committee， tonghua134003， china ）

Abstract： According to the operating characteristics of car city under the condition of the battery， car battery or excessive discharge under the condition of lower battery capacity， will not be able to start the engine. Design a set of energy conversion device， convert solar energy into electrical energy for the car battery. Monitor the battery capacity at the same time， timely recharge battery to ensure the battery capacity is enough， prolong the service life of battery， used in increasing economy.

Key Words： Car； Battery； Solar energy； Energy conversion

1 引言

轎車(chē)采用蓄電池為電源提供車(chē)輛起動(dòng)，為保證轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)能夠正常起動(dòng)，蓄電池必須有充足的電量。當(dāng)轎車(chē)起動(dòng)后，發(fā)動(dòng)機(jī)順利運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)為蓄電池釋放的電能進(jìn)行補(bǔ)充電。蓄電池每起動(dòng)一次所釋放的電量需要發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)10～20分鐘才能充滿(mǎn)，而轎車(chē)有的時(shí)候并不能運(yùn)行這么長(zhǎng)時(shí)間，導(dǎo)致蓄電池充不滿(mǎn)電，常此以往蓄電池過(guò)放電會(huì)導(dǎo)致蓄電池使用壽命下降。轎車(chē)一般都停放在露天室外，白天天氣良好的情況下，陽(yáng)光會(huì)對(duì)轎車(chē)照射，設(shè)計(jì)一套利用太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，對(duì)轎車(chē)蓄電池進(jìn)行充電裝置，保證蓄電池電量充足。

2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

轎車(chē)在露天停止時(shí)（白天），車(chē)頂會(huì)受到陽(yáng)光的直射。一般轎車(chē)頂部只安裝天窗，天窗只占車(chē)頂面積的1/3左右，其余剩下的面積可以安裝光伏發(fā)電板，另外有的轎車(chē)車(chē)頂不安裝天窗，車(chē)頂空間可以任意安裝光伏發(fā)電板。如1所示在轎車(chē)頂部天窗一側(cè)安裝光伏發(fā)電板。

在保證車(chē)輛安全性和不改變車(chē)身結(jié)構(gòu)的情況下，可利用轎車(chē)車(chē)頂天窗位置進(jìn)行改裝。如圖2所示，天窗與太陽(yáng)能光伏發(fā)電板的相對(duì)安裝位置，天窗玻璃3和太陽(yáng)能光伏發(fā)電板2安裝在一個(gè)框架4內(nèi)嵌入在轎車(chē)車(chē)頂鋼板內(nèi)，用橡膠密封條1密封，太陽(yáng)能光伏發(fā)電板相對(duì)2位置固定不動(dòng)，天窗3通過(guò)傾斜機(jī)構(gòu)8和固定框架4上的軌道滑板5在電機(jī)6和電機(jī)7的帶動(dòng)下，可以前后滑動(dòng)或是上下開(kāi)啟。

3 蓄電池充放電機(jī)理

3.1 蓄電池放電

轎車(chē)采用鉛酸蓄電池為電源，而大部分選用免維護(hù)鉛酸蓄電池。蓄電池常用參數(shù)有容量、電壓和電流。其容量為主要技術(shù)參數(shù)，該數(shù)值越高，代表了電池的容量越大，儲(chǔ)存電能的能力越強(qiáng)。轎車(chē)一般都采用冷起動(dòng)電壓為12V，冷起動(dòng)電流為480A，容量為60Ah以?xún)?nèi)的蓄電池。

蓄電池容量標(biāo)志放電能力大小，當(dāng)蓄電池以恒定電流放電時(shí)，它的容量等于放電電流與持續(xù)時(shí)間的乘積。轎車(chē)蓄電池作為電源使用，其放電電流不是常數(shù)，蓄電池的輸出容量容量為為不同的放電電流與其持續(xù)時(shí)間的乘積之和，如下式⑴所示：

式中：t1～tn為不同用電設(shè)備放電持續(xù)時(shí)間；I1～I(xiàn)n為放電電流

蓄電池的充放電過(guò)程主要是依靠自身內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。車(chē)用蓄電池都是有一定的理論壽命，不能無(wú)限制使用。蓄電池頻繁起動(dòng)放電、用電設(shè)備放電和蓄電池自放電等，使蓄電池進(jìn)入深度放電狀態(tài)，如不能及時(shí)充電的話(huà)，降到導(dǎo)致正極板的活性物質(zhì)脫落，最終蓄電池容量降低，不能使用。

現(xiàn)代轎車(chē)大量采用電子電器設(shè)備、智能用電設(shè)備和停起裝置，很多城市轎車(chē)都是短時(shí)間和短距離行駛，這種工況下發(fā)電機(jī)很難有效將蓄電池充滿(mǎn)電恢復(fù)容量，隨著使用時(shí)間的增加，蓄電池容量再不斷下降，最終導(dǎo)致無(wú)法起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。根據(jù)試驗(yàn)得知，容量為60Ah的蓄電池，冷起動(dòng)一次車(chē)輛，需要車(chē)輛運(yùn)行15～20分鐘才能恢復(fù)其容量。轎車(chē)蓄電池一般使用年限為2～3年，在正常充放電狀態(tài)下，能起動(dòng)車(chē)輛次數(shù)為5000次左右。另外，車(chē)輛停止時(shí)，車(chē)輛防盜裝置也消耗電量，同時(shí)存在蓄電池自放電現(xiàn)象，溫度越高自放電越明顯。

3.2 蓄電池充電

基于上述各種狀態(tài)下的蓄電池放電原理，應(yīng)建立有效的蓄電池充電裝置，恢復(fù)蓄電池容量。將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，通過(guò)控制裝置加以有效利用，對(duì)蓄電池進(jìn)行補(bǔ)充電或修復(fù)性充電，可有效改善蓄電池使用壽命。太陽(yáng)能光伏發(fā)電板安裝在轎車(chē)頂部，如圖3所示需要產(chǎn)生12～15V電壓，通過(guò)充電控制器產(chǎn)生1～5A電流，對(duì)車(chē)載蓄電池進(jìn)行充電。小電流長(zhǎng)時(shí)間對(duì)蓄電池進(jìn)行智能充電，可修復(fù)修復(fù)蓄電池內(nèi)部極板，恢復(fù)蓄電池容量。充電控制器適時(shí)監(jiān)控蓄電池電壓，通過(guò)開(kāi)關(guān)控制，對(duì)蓄電池進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別的三種充電模式：

預(yù)充模式：蓄電池電壓低于正常時(shí)，不能承受較大電流充電，充電控制器則以小電流恒流模式充電，對(duì)深度放電蓄電池具有激活、修復(fù)及延長(zhǎng)蓄電池壽命功能，當(dāng)蓄電池電壓升高到設(shè)定電壓時(shí)，充電控制器自動(dòng)轉(zhuǎn)換為恒流充電模式。

恒流充電：當(dāng)充電控制器檢測(cè)電壓低12V時(shí)，充電控制器以一定量電流對(duì)蓄電池充電。

恒壓充電：充電控制器檢測(cè)蓄電池充電容量，自動(dòng)從恒流轉(zhuǎn)換為恒壓，以微小電流充電，使蓄電池恢復(fù)容量，避免氣化現(xiàn)象，保護(hù)內(nèi)部極，防止過(guò)充電。

4 充電控制電路設(shè)計(jì)

4.1 充電控制機(jī)理

蓄電池反復(fù)充放電的工況下，尤其是過(guò)量充電會(huì)引起蓄電池的析氣和溫度上升，導(dǎo)致電解液濃度增加，損壞極板蓄電池容量降低，縮短使用壽命。一般蓄電池以一定速率的電流或電壓進(jìn)行充電，當(dāng)充電達(dá)到某一極限值時(shí)，鉛酸蓄電池內(nèi)電解液就會(huì)產(chǎn)生析氣和升溫，這時(shí)不能提高充電速度。蓄電池只要產(chǎn)生微量析氣，在充電的任一時(shí)間 時(shí)，蓄電池可接受的充電電流為：

⑵

式中：I 為任意時(shí)刻 時(shí)蓄電池可接受的充電電流； I0 為當(dāng) t = 0 時(shí)的最大起始電流；a 為衰減常數(shù)，也稱(chēng)充電接受比。

根據(jù)式⑵可知，當(dāng)蓄電池開(kāi)始析氣時(shí)，產(chǎn)生的充電電流，為最大充電電流，此時(shí)不僅不能提高充電速率，持續(xù)這個(gè)電流會(huì)增加析氣。而小于這個(gè)電流的充電電流就是蓄電池可接受的理想充電電流。根據(jù)這一特性，在某一時(shí)刻 t 時(shí)充電的容量C是從0到 t 時(shí)：

蓄電池充電完成，忽略電損失，全部充入的電量即為為蓄電池充的容量Q，由式⑷可得：

所以，可以得到：

通過(guò)以上計(jì)算公式推導(dǎo)可知，蓄電池初始充電接受比是起始接受電流 I0 和尚需充電電容量的比值。假如 a = 1 時(shí)，蓄電池放電深度為100%，蓄電池容量可接收充電電流進(jìn)行充電。由公式⑷可以得到，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，蓄電池就能達(dá)到95%以上的荷電狀態(tài)。根據(jù)上述蓄電池可接受的電流特性，在設(shè)計(jì)光伏發(fā)電控制器上可使蓄電池的充電電流始終保持在可接受的電流附件，避免析氣和升溫現(xiàn)象，減少充電對(duì)蓄電池的損傷。

4.2 充電控制電路設(shè)計(jì)

基于上述車(chē)輛結(jié)構(gòu)和充電機(jī)理，設(shè)計(jì)一套充光伏發(fā)電—充電控制電路如圖4所示。安裝在車(chē)頂?shù)墓夥l(fā)電板通過(guò)充電控制器將電能輸送給蓄電池，車(chē)頂光伏發(fā)電板受光照強(qiáng)度不同產(chǎn)生的電量也不一樣，通過(guò)充電控制器適時(shí)調(diào)整充電電壓和充電電流，對(duì)蓄電池進(jìn)行保護(hù)充電，形成智能充電電路，避免損壞蓄電池。另外，充電控制器可以自動(dòng)檢測(cè)蓄電池容量（轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)排量在3.0L以下的，蓄電池容量都在60Ah以下），當(dāng)蓄電容量降低，電壓下降時(shí)會(huì)自動(dòng)接通充電電路為蓄電池充電。同時(shí)設(shè)置充電開(kāi)關(guān)，轎車(chē)運(yùn)行時(shí)不為蓄電池充電，轎車(chē)停止工作時(shí)充電系統(tǒng)工作。

如圖4所示，整個(gè)光伏充電器的實(shí)際充電過(guò)程分為預(yù)充模式、恒流模式、恒壓模式。首先接通蓄電池充電電流開(kāi)關(guān)，充電控制器自動(dòng)檢測(cè)蓄電池電壓，通過(guò)檢測(cè)蓄電池電壓判斷是否需要進(jìn)行充電。車(chē)頂光伏發(fā)電板受光照強(qiáng)度不同產(chǎn)生的電量也不一樣，產(chǎn)生的電壓也不一樣，通過(guò)時(shí)鐘振蕩器電路和集成芯片控制充電電壓穩(wěn)定。當(dāng)充電控制器檢測(cè)到蓄電池電壓低于12.5V時(shí)，首先進(jìn)入預(yù)充模式，充電控制器以小電流向蓄電池充電，使蓄電池在自放電的情況下慢慢進(jìn)入充電模式，在維持一段時(shí)間后，電流再不斷增加。在電流不斷增加的過(guò)程中達(dá)到3A時(shí)，充電控制將電流恒定，進(jìn)入恒流模式充電，蓄電池容量在不斷恢復(fù)。

由于車(chē)頂光伏發(fā)電板受光照強(qiáng)度不同產(chǎn)生的電壓和電流也不一樣，通過(guò)時(shí)鐘振蕩器電路和集成芯片控制充電電壓穩(wěn)定，在較強(qiáng)光照條件下和長(zhǎng)時(shí)間光照條件下，充電控制器根據(jù)檢測(cè)蓄電池容量會(huì)進(jìn)入恒壓充電模式，電壓控制在14V，恒壓充電過(guò)程中電流很大，達(dá)到控制器輸出最大電流5A，充電時(shí)間短、充電過(guò)程無(wú)需調(diào)節(jié)電壓。

轎車(chē)蓄電池一般安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)內(nèi)，受發(fā)動(dòng)機(jī)溫度影響。在充電過(guò)程中，電池溫度過(guò)高可能損壞電池，溫度過(guò)低則不能開(kāi)始快速充電。因此，一般在電池溫度上升到規(guī)定數(shù)值后，立即停止快速充電。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，必須對(duì)電池的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。當(dāng)充電過(guò)程中電池溫度達(dá)到45℃時(shí)，立即停止快速充電。電池溫度可通過(guò)與電池裝在一起的熱敏電阻來(lái)檢測(cè)。當(dāng)溫度低于10℃時(shí)，通過(guò)充電控制器轉(zhuǎn)換到恒流充電模式。

5 經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)保分析

5.1 使用經(jīng)濟(jì)性分析

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)、試驗(yàn)對(duì)比和使用分析，該套能量轉(zhuǎn)換利用裝置研發(fā)成本在3000元左右，主要部件是太陽(yáng)能光伏發(fā)電板、控制電路板和改裝零部件等，達(dá)到批量成產(chǎn)可以降低研發(fā)成本的2/3緊相當(dāng)一塊蓄電池的價(jià)格。轎車(chē)加裝這套充電裝置，能提高蓄電池使用時(shí)間1/3以上，可有效延長(zhǎng)蓄電池使用壽命，減少蓄電池更換次數(shù)，降低轎車(chē)使用成本。該裝置能保證蓄電池容量充足，降低轎車(chē)運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)的發(fā)電量，減少發(fā)動(dòng)機(jī)外部機(jī)械損失，提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，減少燃油消耗，降低尾氣排放量，達(dá)到節(jié)能減排的效果。能避免轎車(chē)因蓄電池虧電導(dǎo)致轎車(chē)無(wú)法起動(dòng)的現(xiàn)象，減少救援維護(hù)費(fèi)用。

5.2 環(huán)保性分析

目前所用轎車(chē)都使用普通鉛酸蓄電池或鉛酸免維護(hù)蓄電池，一塊蓄電池在轎車(chē)上的正常使用時(shí)間一般是在2～3年左右，非正常使用為2年以?xún)?nèi)。轎車(chē)使用時(shí)間一般為15年以?xún)?nèi)，需要更換5～10塊蓄電池。再使用不當(dāng)?shù)那闆r下可能造成極大的浪費(fèi)。車(chē)用蓄電池屬于回收循環(huán)利用產(chǎn)品，在蓄電池修復(fù)和再制造過(guò)程中，廢物處理不當(dāng)能對(duì)人體和環(huán)境造成極大的污染。

修理蓄電池和再制造蓄電池是可能產(chǎn)生鉛中毒污染人體和環(huán)境。熔鉛、焊接極板組、澆聯(lián)條、澆極樁等工序都會(huì)產(chǎn)生鉛煙鉛塵，特別是回收正、負(fù)極板時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生大量的鉛煙鉛塵。此外，修理和再制造蓄電池時(shí)傾倒的電解液中，電解液主要是硫酸廢液，其中含砷、銻、鉛、鉻和鎳等大量有毒有害元素，有處理不當(dāng)，能造成極大的環(huán)境污染。

綜上所訴，在轎車(chē)的使用壽命周期中，減少蓄電池的更換次數(shù)能有效提高車(chē)輛的使用經(jīng)濟(jì)，降低蓄電池在維護(hù)、修復(fù)和再制造過(guò)程中對(duì)人體和環(huán)境的污染，達(dá)到節(jié)能環(huán)保，減少有害物質(zhì)排放。

6 結(jié)論

⑴本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不改變車(chē)身結(jié)構(gòu)和電氣電路系統(tǒng)，有效將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能存儲(chǔ)在蓄電池中為車(chē)輛所用。

⑵根據(jù)蓄電池充、放電原理找出合理充電辦法，優(yōu)化設(shè)計(jì)能量轉(zhuǎn)換電路系統(tǒng)，將電能合理有效底儲(chǔ)存在蓄電池內(nèi)部，在充電過(guò)程中盡量減小了蓄電池內(nèi)部的損壞，保證蓄電池能修復(fù)或恢復(fù)原始容量。

⑶整個(gè)系統(tǒng)安全可靠，根據(jù)蓄電池容量，選擇性的充電。有效延長(zhǎng)了蓄電池使用壽命，保證轎車(chē)隨時(shí)可以順利起動(dòng)，降低了轎車(chē)的使用維護(hù)成本。

⑷在轎車(chē)的使用壽命周期中，減少蓄電池的更換次數(shù)能有效提高車(chē)輛的使用經(jīng)濟(jì)，降低蓄電池在維護(hù)、修復(fù)和再制造過(guò)程中對(duì)人體和環(huán)境的污染，最終達(dá)到節(jié)能減排的效果。

⑸本設(shè)計(jì)已在轎車(chē)上試驗(yàn)成功，獲得國(guó)家專(zhuān)利授權(quán)。

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