电动汽车应用场景探究

本节将讨论电力实施和附加太阳能发电机在电动汽车（EV）领域应用的详细情况。

图1.99所示为一个典型的太阳能电动汽车简易结构^[59，105]。在此结构中，单个光伏电池板的输出组合连接到用于MPPT的一个公共的DC-DC变换器之上。随后，MPPT变换器又被连接到电池组之上。最后，直流侧电压通过一个逆变器转换为交流电压来控制牵引电动机。

图1.97 参考光伏阵列电流

图1.98 光伏阵列的dP/dI比

图1.99 太阳能电动汽车结构图

为了提高效率，可以单独使用MPPT，而不是仅仅使用一个功率跟踪器来连接太阳能板，因为每个光伏板可能具有不同的温度和辐射条件以及不同的最高功率水平（见图1.100）。

图1.100 分布式光伏板和功率跟踪器的结构

对于一个小型电动汽车来说，使用一个60～100V的电池组是合理的。事实上，大多数制造商建议光伏板的额定电压至少要比电池电压低5%以上，以便为电池提供足够的升压和充电电压。这样就为主光伏板的额定电压设定了一个范围^[59]。

使用再生制动和超级电容器，可以实现能源的优化与高效利用。再生制动系统能够将动能转换为电能，同时超级电容组作为一个高功率源，能够提升车辆性能和延长电池寿命。

图1.101 一个太阳能混合动力电动汽车的电气系统结构图

图1.101给出了一个太阳能电动汽车的电力系统，它包括用于牵引和辅助功率需求的两种不同的直流电压母线^[106]。该拓扑结构还包含一个外部电源插座，在使用插入式混合动力电动汽车时，用来为电池充电。超级电容器也可用于捕获在更高效率的制动能量，可能有助于克服车辆的加速或爬坡等瞬态工况，因为其响应时间更短。运用超级电容器还会减轻电池规格大小和成本的压力，并有助于提高电池组的寿命。

在这种拓扑结构中，可以使用一个交流电动机或直流无刷电动机，达到提高效率、减少维护的目的。车辆的辅助电能需求（如前照灯和背光、刮水器、空调器、汽车音响以及水压系统等）通过低压直流母线来提供。该峰值功率跟踪器输出连接到高压直流母线上。通过一个DC-DC变换器来为低压辅助设备供电。电池与高压直流母线相连，在低隔离或遮蔽期间为持续驱动需求供电。也可以考虑使用一个外部电池充电器，在停车时通过公共电网来为电池充电。外部充电器可以是一个可调AC-DC变换器或一个不可调AC-DC变换器，后接一个DC-DC变换器，以获取适当的电池充电电压。

该系统由光伏板和电池组供电。通过太阳能电动汽车的功率流可以描述为^[107](www.xing528.com)

其中，太阳能功率P_s（t）和电池电流I_B（t）为时间的函数。电池电压E_B[I_B（t）]也是电池电流的一个函数。其原因在于电池的内部阻抗和电压—电流特性。

通过太阳能电动汽车的功率流如图1.102所示。

图1.102 太阳能电动汽车的功率流结构图

1.9.2.1 太阳能采集者Ⅱ号

太阳能采集者Ⅱ号（Solar MinerⅡ）^[108]是使用单晶硅制成的太阳能电池，额定效率为14%。它们的光伏阵列在完全辐照条件下能产生约900W的功率（电压为120V）。该阵列分为三个子阵列。其中两个子阵列产生144V的电压（电流约为3.1A），第三子阵列产生144V的电压（电流约为1.5A）。每个子阵列各驱动一个DC-DC变换器。

功率跟踪器的输出并联到一个96V主母线上。通过调节输入并维护太阳能电池的MPP，功率跟踪器可以令太阳能阵列以最高效率运行。输出控制器监控电池的充电状态，以确保为电池组提供最高功率。96V母线上连接了一个150kg重的德尔福（Delphi）铅酸电池包，用来驱动电动机和各种外围电气设备。电动机及其控制器由新一代汽车公司（New Generation Motors，Inc.）研制。

太阳能采集者Ⅱ号的电气布局如图1.103所示。

图1.103 太阳能采集者Ⅱ号的电气布局

该电动机是一种额定电压为96V的轴向磁通三相直流无刷电动机。其转子和定子之间的气隙可调以实现转矩和速度优化。在再生制动期间，该电动机可以用作一个发电机。

一个DC-DC降压变换器将96V转换至12V，用于给扬声器、风扇、气隙调整电动机以及DSP等供电。DSP监控电力系统并计算功耗。它还通过一个无线调制解调器将这些数据发送给保障车辆内的远程计算机。集成在DSP上的双作用、八通道10位A-D转换器读取霍尔效应传感器来测量电流。4个8位D-A转换器设定了电动机转速，并运行驱动器的LCD速度计显示。美国F.W.Bell公司生产的型号为IHA-25的一个25A霍尔效应传感器负责测量输送给电池的太阳能电池电流。

通过电流传感器的阵列电线有两层包裹以减少误差，并将精度提升一倍。DSP的10位A-D转换器将该信号转换为分辨率为10mV的信号，表示感应电流为100mA。另一个霍尔效应传感器额定电流为100A，以500mA的分辨率来测量电动机电流。

集成了8位A-D转换器的电动机控制器以10次/s的速率对电池母线电压进行采样。它的精度为1V。电动机控制器还测量车轮的每分钟转速及其温度。

DSP实时计算距离和速度。它还可以算出来自太阳能阵列的电能以及通过各自的电流和母线电压传输给电动机的电能。随后，它计算出生成和使用的电能总量。

在固定充电期间，太阳能电池阵列可朝向太阳以汲取最大能量。