馬 咪， 潘三博

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院，上海 201306)

太陽能電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和節(jié)能性研究

馬 咪， 潘三博

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院，上海 201306)

設(shè)計(jì)了一種太陽能電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是將光伏板置于電動(dòng)汽車表面，將太陽能轉(zhuǎn)化成電能，用來對(duì)電動(dòng)汽車空調(diào)供電。通過光伏模擬器模擬試驗(yàn)以及光伏板實(shí)測(cè)試驗(yàn)，針對(duì)不同光照強(qiáng)度，對(duì)太陽能電動(dòng)汽車空調(diào)的實(shí)際運(yùn)行效果以及其節(jié)能性進(jìn)行了研究。

太陽能； 電動(dòng)汽車； 空調(diào)系統(tǒng)； 節(jié)能

目前，石油、煤炭、天然氣是最主要的能源消耗來源，2015年全球一次能源消費(fèi)量中石油、煤炭、天然氣分別占全球能源消費(fèi)的32.9%、29.2%、23.8%[1-2]；然而，作為不可再生能源，大規(guī)模開發(fā)、利用使它們的儲(chǔ)量逐漸減少，最終，能源危機(jī)將會(huì)阻礙人類的發(fā)展[3-4]。因此，可再生能源的開發(fā)、利用勢(shì)在必行。2015年可再生能源的發(fā)電量較往年持續(xù)增加，占全球發(fā)電量的6.7%，而2005年僅0.8%；其中，太陽能發(fā)電量增長(zhǎng)32.6%；中國(guó)已超過德國(guó)和美國(guó)，成為世界上最大的太陽能發(fā)電國(guó)[1-2]。

近年來，電動(dòng)汽車飛速發(fā)展，以其自帶的蓄電池為動(dòng)力源，解決了傳統(tǒng)汽車以燃油為動(dòng)力源的能源消耗和環(huán)境污染問題。然而，目前電動(dòng)汽車并未完全取代燃油汽車被全面推廣，原因之一是電動(dòng)汽車通過蓄電池輸出電功率帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)汽車行駛；而蓄電池容量有限，充電時(shí)間較長(zhǎng)，更換電池又極不方便；另外，電動(dòng)汽車的空調(diào)系統(tǒng)功耗約占汽車總輔助系統(tǒng)功耗60%～75%[5]，汽車空調(diào)系統(tǒng)用電對(duì)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程影響較大。

本文通過在電動(dòng)汽車表面安裝光伏板，來給電動(dòng)汽車空調(diào)供電，并對(duì)太陽能電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)供電的可行性及節(jié)能性進(jìn)行了分析。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了改善電動(dòng)汽車空調(diào)在汽車輔助系統(tǒng)中所占的高功耗比，本文研究了一種太陽能電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 太陽能電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

光伏板安裝在電動(dòng)汽車表面，產(chǎn)生的電能經(jīng)過DC/DC變換器變?yōu)榕c電動(dòng)汽車電壓等級(jí)相同的可充電電壓來給蓄電池充電。同時(shí)，蓄電池給空調(diào)壓縮機(jī)供電。升壓部分應(yīng)用最大功率跟蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)控制，使太陽能電池板始終工作在最大功率，輸出更多電能。

電動(dòng)壓縮機(jī)制冷空調(diào)主要由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器和鼓風(fēng)機(jī)組成。電動(dòng)壓縮機(jī)的速度可調(diào)，即其驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)。通過對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷量的調(diào)節(jié)，滿足在不同車內(nèi)溫度環(huán)境下對(duì)于冷氣的需求，實(shí)現(xiàn)最舒適的駕乘環(huán)境。

該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電能的即時(shí)產(chǎn)生、即時(shí)消耗，多余的電能還可以在電動(dòng)汽車蓄電池中暫時(shí)儲(chǔ)存、備用，以改善電動(dòng)汽車充電時(shí)間長(zhǎng)、固定充電期間無法使用的問題。

2 原理特性

2.1光伏電池原理

光伏板是系統(tǒng)的基礎(chǔ)。利用光伏板受到太陽光照時(shí)產(chǎn)生的光伏效應(yīng)，可將太陽輻射能轉(zhuǎn)換成電能。光伏電池的等效電路如圖2所示[6-7]。

圖2 光伏電池等效電路

圖中，Iph為光生電流；ID為二極管結(jié)電流；Rs為串聯(lián)電阻，低阻值小于1 Ω；Rsh為并聯(lián)電阻，高阻值數(shù)量級(jí)為kΩ。根據(jù)電路原理及Shockloy的擴(kuò)散理論可得[8]

(1)

式中，I0為反向飽和電流，其數(shù)量級(jí)為10-1A；q=1.6×10-19C為電子電荷；n為二極管因子，取值范圍1～5；k=1.38×10-23J/K為玻爾茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；U、I為光伏電池輸出電壓、輸出電流。

式(1)為太陽能電池的I-V方程，是根據(jù)太陽能電池原理得到的最基本表達(dá)式，被廣泛應(yīng)用于光伏電池的理論分析中。

2.2DC/DC變換器原理

系統(tǒng)所選電動(dòng)汽車蓄電池電壓為60 V，光伏電池電壓為36 V，負(fù)載的工作電壓大于光伏陣列輸出的電壓，故選擇Boost升壓電路作為主電路。DC/DC變換器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 DC/DC變換器結(jié)構(gòu)圖

光伏陣列的輸出受光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和負(fù)載情況的影響，具有非線性特征。在一定光照強(qiáng)度和溫度下，可以工作在不同的輸出電壓下，但只有在某一輸出電壓下，光伏電池的輸出功率才能達(dá)到最大。調(diào)整光伏電池的工作點(diǎn)，使之工作在最大功率點(diǎn)附近，即實(shí)現(xiàn)MPPT[9-11]。

MPPT控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，通過采集光伏電池板的輸出電壓UPV、升壓之后的輸出電壓Uo和升壓電感電流IL，并將這些信號(hào)反饋給MPPT控制器，執(zhí)行電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制過程。調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比，經(jīng)過PWM驅(qū)動(dòng)電路輸出PWM脈沖控制開關(guān)管的通斷，實(shí)現(xiàn)MPPT,最大限度地利用光伏板產(chǎn)生的電能[12]。

圖4 MPPT控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

MPPT控制基于擾動(dòng)觀察法，通過成比例地增加或減少變換器的輸入電壓，移動(dòng)操作點(diǎn)向最大功率點(diǎn)靠近，同時(shí)計(jì)算升壓變換器所需要的占空比。MPPT模塊設(shè)計(jì)的基本思想如下[13]：由功率的變化決定下一步變化的方向，若功率增加，則搜索方向不變；若功率減小，則搜索方向相反；通過比較前一個(gè)與當(dāng)前的功率值來檢測(cè)功率變化，計(jì)算出用于產(chǎn)生PWM的控制信號(hào)。

2.3電動(dòng)壓縮機(jī)汽車制冷空調(diào)特性

2.3.1 電動(dòng)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)及原理 電動(dòng)壓縮機(jī)是電動(dòng)汽車空調(diào)的主要部件。通過對(duì)壓縮機(jī)的尺寸、質(zhì)量、價(jià)格以及具體工作參數(shù)進(jìn)行比較評(píng)估，系統(tǒng)選用奧特佳E26A60A-0028H全封閉臥式渦旋壓縮機(jī)，其額定電壓為DC 60 V，允許工作電壓范圍為DC 48～72 V。壓縮機(jī)由電動(dòng)機(jī)和鑄鋁主要結(jié)構(gòu)件(機(jī)殼、動(dòng)靜盤)組成，采用直流無刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速連續(xù)變頻控制[14-15]。電動(dòng)壓縮機(jī)工作原理如圖5所示。

圖5 電動(dòng)壓縮機(jī)工作原理圖

電動(dòng)壓縮機(jī)空調(diào)系統(tǒng)采用DC 60 V供電。一體化智能驅(qū)動(dòng)控制器提供驅(qū)動(dòng)與保護(hù)功能，接口簡(jiǎn)單，質(zhì)量更輕，體積更小。由控制器以脈沖寬度調(diào)制(PWM)的方式等比例傳送給壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)的控制器，以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可連續(xù)控制，達(dá)到制冷效果，實(shí)現(xiàn)最舒適的制冷量輸出；同時(shí)，通過對(duì)輸入電壓、電動(dòng)壓縮機(jī)電流、反電動(dòng)勢(shì)的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過載保護(hù)和過熱保護(hù)，保證其安全運(yùn)行。

2.3.2 電動(dòng)壓縮機(jī)制冷空調(diào)工作過程 電動(dòng)壓縮機(jī)制冷空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，各部件之間采用銅管(或鋁管)和高壓橡膠管連接成密閉系統(tǒng)。利用制冷劑在各部件之間的循環(huán)流動(dòng)實(shí)現(xiàn)制冷。制冷過程分為壓縮、散熱、節(jié)流和吸熱4個(gè)過程。

圖6 電動(dòng)壓縮機(jī)制冷空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其具體工作過程如下[16]：壓縮機(jī)吸入蒸發(fā)器出口排出的低溫、低壓的制冷劑蒸汽，將其壓縮成高溫、高壓的蒸汽排出壓縮機(jī)，進(jìn)入冷凝器。同時(shí)，室外空氣流經(jīng)冷凝器，帶走制冷劑放出的熱量，使高壓制冷劑蒸汽凝結(jié)為高壓液體；溫度和壓力較高的制冷劑通過膨脹裝置后體積變大，壓力和溫度急劇下降，以霧狀排出膨脹裝置，進(jìn)入蒸發(fā)器；此時(shí)，由于制冷劑沸點(diǎn)遠(yuǎn)低于蒸發(fā)器內(nèi)溫度，故制冷劑小液滴蒸發(fā)為氣體，并吸收周圍大量的熱；同時(shí)，風(fēng)扇不斷地使室內(nèi)空氣進(jìn)入蒸發(fā)器的肋片進(jìn)行熱交換，將變冷的空氣排入室內(nèi)。而后，低溫、低壓的制冷劑蒸汽又進(jìn)入壓縮機(jī)。該過程循環(huán)工作實(shí)現(xiàn)空調(diào)制冷。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與分析

3.1實(shí)驗(yàn)原理

光伏板將太陽能轉(zhuǎn)化成電能，產(chǎn)生約36 V的電壓，經(jīng)過DC/DC升壓變換器轉(zhuǎn)變?yōu)?0 V電壓，用來給電動(dòng)汽車空調(diào)供電，以降低空調(diào)系統(tǒng)功耗占汽車總輔助系統(tǒng)功耗的比例，使電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程增加。光伏發(fā)電隨光照強(qiáng)度和溫度的變化而變化，升壓變換器加入MPPT控制后，可以最大限度地利用太陽能。

采用Aglient E4360A光伏模擬器，根據(jù)所選光伏板的參數(shù)設(shè)置光伏模擬器的開路電壓、短路電流、最大功率點(diǎn)的電壓和電流，模擬光伏板的I-V曲線輸出。

除電動(dòng)壓縮機(jī)外，電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)還包括冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器和風(fēng)扇等其他部件。各部件之間采用鋁管和高壓橡膠管連接成密閉系統(tǒng)，然后，對(duì)密閉的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行抽真空、加注制冷劑。采用60 V、20 A·h蓄電池給空調(diào)壓縮機(jī)供電，通過調(diào)整占空比來改變電動(dòng)壓縮機(jī)中的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)制冷量的調(diào)節(jié)。DC/DC變換器輸入電壓范圍12～42 V，輸出電壓范圍50～69 V，用來給60V蓄電池充電。

將光伏板置于電動(dòng)汽車車頂，其輸出端接DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入端，而DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出端與蓄電池相連，由蓄電池為空調(diào)壓縮機(jī)供電。太陽能電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。

圖7 太陽能電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置圖

采用PM6000功率分析儀測(cè)量太陽能電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)中的電能參數(shù)變化。該功率分析儀具有高精度、多通道、多功能、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示等特點(diǎn)，其6個(gè)通道接線如圖8所示。其中，U1、I1分別為光伏板的輸出電壓、電流；U2、I2分別為蓄電池兩端電壓、光伏組件經(jīng)過升壓后流過蓄電池的電流；U3、I3為接入電動(dòng)壓縮機(jī)的電壓、流過電動(dòng)壓縮機(jī)的電流。

圖8 PM6000功率分析儀接線示意圖

3.2實(shí)驗(yàn)過程與分析

實(shí)驗(yàn)在炎熱的夏天進(jìn)行，選擇日照較強(qiáng)和日照強(qiáng)度明顯減弱兩個(gè)時(shí)段進(jìn)行，以測(cè)試電動(dòng)壓縮機(jī)制冷空調(diào)在車內(nèi)密閉空間的制冷效果，以及蓄電池能量消耗情況。

(1)日照較強(qiáng)時(shí)段(14:15—15:45)，由光伏板為蓄電池充電。期間，每10 min記錄一次PM6000功率分析儀測(cè)得的空調(diào)系統(tǒng)的電壓、電流和功率數(shù)據(jù)。

(2)日照強(qiáng)度明顯減弱時(shí)段(17:40—18:40)，改用光伏模擬器為蓄電池充電，以穩(wěn)定光伏輸出。設(shè)置模擬光伏曲線參數(shù)為開路電壓42 V，短路電流8.5 A，最大功率點(diǎn)電壓35 V、電流8 A。期間，每10 min記錄一次PM6000功率分析儀測(cè)得的空調(diào)系統(tǒng)的電壓、電流和功率數(shù)據(jù)。

根據(jù)PM6000功率分析儀測(cè)得的功率數(shù)據(jù)繪制功率變化曲線如圖9所示。其中，P1為光伏板發(fā)出的功率，P2為蓄電池接收的功率，P3為電動(dòng)壓縮機(jī)功率，P4為蓄電池為電動(dòng)壓縮機(jī)提供的功率。

由圖可見，隨著光伏輸出的變化，DC/DC變換器的MPPT模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏板的MPPT，保證最高效的電能輸出。

(3)用溫度計(jì)實(shí)測(cè)汽車前擋風(fēng)玻璃處、后座、空調(diào)出風(fēng)口附近的溫度，結(jié)果如表1所示。由表可見， 14：15—15：45時(shí)段，光照較強(qiáng)，利用太陽能空調(diào)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)，且效果明顯，后座溫度由最初的45 °C可以降低至30 °C；空調(diào)出風(fēng)口直接對(duì)著的位置溫度降至更低的23 °C，整車可基本達(dá)到舒適的駕乘環(huán)境。17：40—18：40，光照強(qiáng)度減弱，車外熱空氣向車內(nèi)滲透減小，利用太陽能空調(diào)制系統(tǒng)的制冷效果更加明顯，后座溫度由開始的39 °C降低至27 °C，整車完全可以達(dá)到舒適的駕乘環(huán)境。

(a) 14:15—15:45時(shí)間段

(b) 17:40—18:40時(shí)間段

表1 實(shí)測(cè)電動(dòng)汽車不同位置溫度

另外，實(shí)驗(yàn)中采用橡塑發(fā)泡板制成管道將空調(diào)產(chǎn)生的冷氣通入車內(nèi)，由于密封性有限，必然造成制冷量的損耗；當(dāng)外界溫度較高時(shí)，會(huì)對(duì)該冷氣輸送管道造成熱擴(kuò)散；若所選車型空間較大，會(huì)影響溫度差的測(cè)量結(jié)果。因此，實(shí)驗(yàn)中所測(cè)制冷空調(diào)效果存在誤差，實(shí)際效果相對(duì)更好。

3.3系統(tǒng)應(yīng)用的可行性分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，若為電動(dòng)汽車空調(diào)配備太陽能供電系統(tǒng)，在有太陽的1 d，當(dāng)壓縮機(jī)占空比取最小值時(shí)，其功率為400 ～500 W。由于各種環(huán)境因素的影響，本文取光伏板的發(fā)電功率為150～200 W。

電動(dòng)壓縮機(jī)空調(diào)正常工作時(shí)間為

(2)

式中，Q為蓄電池電量，A·h；η為蓄電池正常工作的容量占比；UE為電動(dòng)壓縮機(jī)電壓；PE為電動(dòng)壓縮機(jī)功率；PPV為光伏板輸出功率。

壓縮機(jī)制冷空調(diào)正常工作電壓為60 V，選用20 A·h、60 V鋰電池，按3/4電池容量計(jì)算。在最優(yōu)情況下，壓縮機(jī)工作在最小功率，PE=400 W；而光伏板工作在最大功率，PPV=200 W；此時(shí)，由式(2)可計(jì)算得到t=4.5 h。在最差情況下，電動(dòng)壓縮機(jī)工作在最大功率，PE=500 W，而由于環(huán)境不佳，光伏板工作在最小功率，PPV=150 W，此時(shí)計(jì)算得到t=2.6 h。由此可見，加裝光伏板供電的電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)可工作2.6～4.5 h，完全可滿足人們駕駛過程中對(duì)汽車空調(diào)的使用需求。因此，本文所設(shè)計(jì)的太陽能電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具有絕對(duì)的可行性。

3.4系統(tǒng)節(jié)能性分析

為電動(dòng)汽車空調(diào)加裝太陽能供電系統(tǒng)，是為了充分利用汽車停放在室外時(shí)閑置的太陽能，減少空調(diào)系統(tǒng)對(duì)于電動(dòng)汽車蓄電池能量的消耗，達(dá)到節(jié)能目的。據(jù)資料顯示[17]，商業(yè)化光伏板每天發(fā)電量約為0.83 kW·h/m2，普通車輛車頂可布置光伏電池的面積約為1.2 m2，故電動(dòng)汽車安裝光伏板后，每輛車發(fā)電量約為1 kW·h/d，若每年晴天比例按70%計(jì)算(四川、貴州等太陽能資源較少地區(qū)除外)[18]，則每輛車每年可生產(chǎn)電能約255 kW·h。

根據(jù)中國(guó)汽車技術(shù)研究中心發(fā)布的《中國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告(2016)》[19]透露，截至2015年年底，我國(guó)新能源汽車產(chǎn)銷累計(jì)49.7萬輛，成為全球保有量最大的國(guó)家。若全國(guó)的電動(dòng)汽車都安裝光伏電池，實(shí)現(xiàn)太陽能充電，則每年約可節(jié)約126.98 GW·h的電量。另外，根據(jù)“十三五”電動(dòng)汽車展望[20]，2020年我國(guó)電動(dòng)車保有量目標(biāo)是500萬輛，電動(dòng)汽車數(shù)量在未來將會(huì)越來越多，因此，太陽能電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)在節(jié)能方面將發(fā)揮相當(dāng)突出的作用。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了太陽能電動(dòng)汽車空調(diào)供電系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分析了電動(dòng)汽車壓縮機(jī)空調(diào)制冷的特性。實(shí)驗(yàn)研究表明，將光伏板應(yīng)用于電動(dòng)汽車，可以充分實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能的利用，該系統(tǒng)在可行性和節(jié)能性方面都具有突出的表現(xiàn)。隨著電動(dòng)汽車數(shù)量不斷增加，太陽能電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)的研究具有極高的現(xiàn)實(shí)意義，可以推廣使用。

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Design and Energy Efficiency Study of Air Conditioner for Solar Electric Vehicle

MAMi,PANSanbo

(School of Electrical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

This paper presents an air conditioning system for solar electric vehicles. Photovoltaic panels are placed on the surface of the vehicles, and the air conditioner receives power supply converted from solar energy. In a simulation experiment of photovoltaic simulator and tests of the photovoltaic plate, performance of the air conditioner and energy conservation property are studied at different light intensities.

solar energy; electric vehicle; air-conditioner system; energy conservation

2016 -04 -12

馬 咪(1991-)，女，碩士生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)，E-mail: 1195565331@qq.com

2095-0020(2017)05 -0269-06

U 469.72

A