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车载太阳能供电系统
摘要
太阳能作为一种清洁、高效和永不衰退的绿色新能源，既是近期急需的能源补充，又是未来能源结构的基础。
在新世纪中，各国政府都将合理利用太阳能资源作为国家可持续发展战略的重要内容。
由此太阳能资源的应用的重要性可见一斑。
而现实生活中，在长时间居住在繁华闹市的人们所承受的压力渐增的情况下，越来越多的人们选择驱车大自然，夜宿高山原野，以减轻这种压力。
然而，伴之而来的野外生存问题就不得不考虑了。
本文就是在力求解决这个问题的指导思想下设计的。
在文中讲述了太阳能光伏发电系统的结构和工作原理，并进一步介绍太阳能在笔记本电脑供电，手机充电电池充电，手持GPS供电电池充电，生活电器等方面的应用。
关键词：
车载，太阳能，光伏发电系统，单片机
Solar-poweredCarSystem
Abstract
Asaclean,efficientandneverdeclinesincethenewgreenenergy,Solarenergyistherecenturgentenergyandenergystructureofthefuture.Inthenewcentury,governmentswillbereasonableuseofsolarenergyresourceasthenationalimportantcontentofstrategyofsustainabledevelopment.Thuswecanseetheimportanceoftheapplicationofsolarenergyresource.Butinreallife,livinginthebustlingcityinthetimeofthepressureofincreasingcases,moreandmorepeoplechoosedrivetothenature,overnight,inordertoreducethehighstress.However,theliveproblemswithitwillhavetoconsider.Thisisthesolutiontothisproblemundertheguidanceofthedesign.Inthepaper,wetellthesolarpowersystemaboutthestructureandworkingprinciple,andsolarpowerinnotebookcomputers,mobilephones,handheldGPSchargingthebatterypowerbatterylife,electricappliances,etc.
Keywords：
Car-mounted,SolarEnergy,PhotovoltaicPowerSystem,SCM
1前言
新能源是二十一世纪世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一。
作为一种清洁、高效和永不衰竭的新能源，在新世纪中，各国政府都将太阳能利用作为国家可持续发展战略的重要内容。
并且，现今各种能源逐渐枯竭的情况下，人类必须找寻新的替代能源，并且这个新能源必须要是能取之不尽，用之不竭的，而太阳能则首当其冲。
另一重要方面，现实生活中，在长时间居住在繁华闹市的人们所承受的压力渐增的情况下，越来越多的人们选择驱车大自然，夜宿高山原野，以减轻这种压力。
对于户外旅游的人们来说，一次远行露营意味着要带很多的用电设备如手机，GPS，手电筒，相机，生活电器等等以便解决生存问题。
但是，用电呢？
因此，伴之而来的野外生存问题就不得不考虑了。
在国外，太阳能资源的应用较早，但其在汽车上的应用却仍处于起步阶段。
自1992年起欧、美、日等国各地之电力公司，由政府制定政策配合大力推动下，已向太阳能发电系统购买多余电力，以减少尖峰用电时供电不足之困境，至今成效卓著。
日本政府在1994年就已订定了完善的太阳能供电系统安装及补助计划。
1998年，美国总统克林顿公布了百万太阳能屋计划，企图增加太阳光电能及太阳能热水器的使用。
而欧联的能源委员会也提出一项计划在欧洲补助建造五十万栋的太阳能房屋，并在发展中国家另外建造五十万栋的太阳能房屋。
太阳能供电系统在车上的应用，一直国外应用太阳能的一个重要方面，他们在这方面的应用要比我们国家早。
而在国内，对于太阳能的应用主要还是在太阳能热水器的产品上，并且民众接受程度也高，但太阳能汽车等车载太阳能系统的应用方面却还很年轻。
1984年9月，我国首次研制“太阳号”太阳能汽车试验成功，并开进了北京中南海勤政殿，向中央领导汇报。
太阳号由湖北省金属学会新技术开发公司黄绳溥等六位中青年科技人员，仅仅用了56天时间研制成功。
太阳能汽车车顶上安装了2808块单晶硅片，组成10平方米硅板，装有三个车轮，自重159kg，操纵灵活，转向和变速方便，车速20km／h，遇阴雨或晚上，靠两个高效蓄电池供电，可连续行驶100km。
不过，在汽车产业蓬勃发展的今天，汽车尾气排放给社会环境带来的压力的同时，也为太阳能资源在汽车上的应用创造了前所未有的发展契机。
2方案论证
太阳能在汽车上的应用主要有两个方案。
方案1：
作为驱动力。
这一方案，一般采用特殊装置吸收太阳能，再转化为电能驱动汽车运行。
按照应用太阳能的程度又可分为如下两种形式：
（1）太阳能作为第一驱动力，驱动汽车完全用太阳能为驱动力代替传统燃油。
（2）太阳能和其它能量混合驱动汽车，这种汽车既有汽油发动机，又有电动机。
方案2：
作为汽车辅助设备的能源。
传统汽车上可以用太阳能作为辅助动力，以减少常规燃料的消耗，而且现代汽车的电器化程度曰益提高，各辅助设备的耗电量也因此急剧增加。
这方面的应用也有两种形式：
（1）太阳能用作汽车蓄电池的辅助充电能源。
在轿车上加装太阳电池后，可在车辆停止使用时，继续为电池充电，从而避免电池过度放电，节约能源。
（2）用于驱动风扇和汽车空调以及外带的电器等。
由于本次设计主要考虑的问题是，如何让车载的太阳能在人们外出野宿这种没有电的情况下能够生存。
这就要求方案能够提供基本的汽车驱动和基本的生存用电。
对于方案1,太阳能作为驱动力，也只提供的驱动力，没有满足人们野外生存供电的需求。
况且对于传统的小轿车，功率一般在几十千瓦左右，而太阳辐射功率至多1KW/M2，目前的光电转换效率小于30%。
因此全部用太阳能驱动传统的轿车，需要几十平方米的接收面积，显然难以达到。
因此方案1有很严重的缺点。
而方案2太阳能只作为汽车辅助设备的能源，均能满足以上要求，并对太阳能板的大小要求降低很多，这样就克服了方案1的缺点。
又能解决人们的夜宿无电情况下的生存问题。
因此，此设计中选择方案2。
3总体设计
3.1设计思路
该设计题目是车载太阳能供电系统，设计的目的就是太阳能资源应用以解决人们在户外无电情况下的生存问题。
因此首先对组成太阳能发电系统太阳能电池组、蓄电池、太阳能控制器、逆变器四大模块进行研究并做具体的介绍。
不过本次设计的系统与普通的有所不同，在系统中，应用两块蓄电池，一块是汽车内部的电瓶，然后再外加一块备用蓄电池，两块蓄电池并联。
充电时先给汽车内部的电池充电，然后再给备用蓄电池充电。
给用电器供电时恰好相反，先用备用蓄电池供电，不足时再用汽车内部电池供电。
这样设计的目的一方面是蓄留足够的电能，另一方面避免因汽车内部蓄电池用电过度导致汽车启动不起来的问题出现。
然后，将太阳能供电负载分为直流和交流两类，系统的介绍太阳能供电在现实生活中的实际应用，其中直流负载为手机和手持GPS充电电池、笔记本电脑、LED灯等；交流负载为生活电器如电烧水杯等。
3.2系统原理框图
系统原理框图如图1所示。
图1系统原理框图
4太阳能光伏发电系统
4.1太阳能光伏发电系统概述
太阳能发电主要有太阳能热发电和太阳能光伏发电两种基本方式。
光伏发电是根据光生伏打效应原理,利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能，即当太阳光照射到太阳电池上时，电池吸收光能，产生光生电子—空穴对，在电池内建电场作用下，光生电子和空穴被分离，电池两端分别出现正负电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏打效应”。
若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。
这样太阳的光能就直接变成可以被利用的电能。
目前太阳能光伏发电系统大致可分为三类:
独立系统、并网系统和混合系统。
（1）独立系统
此次设计的光伏发电系统就属于这种独立系统。
它是有电池板、蓄电池、控制器、用电器等组成的系统。
该系统的特点是：
单一个体是一个独立的系统，即使某一个体出现故障，不会影响其他个体，且不必架设配电线路。
但要求应用场所周围没有遮挡物，确保每一单体必须是接收阳光良好。
这是一种常见的太阳能应用方式。
在国内外应用已有若干年。
系统比较简单，而且适应性广。
（2）并网系统
并网系统的特点是：
太阳能电池板产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网。
这种系统能够并行使用市电和太阳能电池板作为本地交流负载的电源，降低了整个系统的负载缺电率。
而且并网光伏系统可以对公用电网起到调峰作用。
（3）混合系统
这是介于上述两个之间的系统，混合系统中除了使用太阳能电池板发电之外，还使用了柴油发电机作为备用电源，其目的就是为了综合利用各种发电技术的优点，避免各自的缺点。
该方案有较强的适应性，例如可以根据电网的峰谷电价来调整自身的发电策略，但是其造价和运行成本较上述两种方案要高。
4.2太阳能发电系统的设计需要考虑的因素
（1）太阳能发电系统在哪里使用，该地日光辐射情况如何；
（3）系统的输出电压是多少，直流还是交流；
（4）系统每天需要工作多少小时；
（5）如遇到没有日光照射的阴雨天气，系统需连续供电多少天；
（6）负载的情况，纯电阻性、电容性还是电感性，启动电流多大；
（7）系统需求的数量。
5车载太阳能供电系统的组成及功能
车载太阳能供电系统与太阳能发电系统组成是一样的，都是由太阳能电池板、蓄电池、控制器和DC-AC逆变器等组成。
其中，太阳能电池板、蓄电池为电源部分，控制器、逆变器为控制保护部分。
5.1太阳能电池板
单一太阳能电池的发电量十分有限，实用中的太阳能电池是根据系统需求，将多个电池经串、并联组成的电池系统，称为太阳能电池板。
它是太阳能发电系统的核心部件，直接将太阳光能转换成电能。
5.1.1太阳能电池板的五个指标
（1）峰值功率：
太阳能输出的最大功率；
（2）峰值电压：
太阳能电池输出最大功率时对应的输出电压；
（3）峰值电流：
太阳能电池输出最大功率是对应的输出电流；
（4）开路电压;
（5）短路电流。
5.1.2太阳能电池板选择步骤
（1）计算负载24h消耗容量P
P=H/V
（1）
V—负载额定电源
（2）选定每天日照时数T（H）。
（3）计算太阳能阵列工作电流
IP=P（1+Q）/T
（2）
Q—按阴雨期富余系数，Q=0.21～1.00
（4）确定蓄电池浮充电压VF
铅酸蓄电池的单体浮充电压为2.2V。
（5）太阳能电池温度补偿电压VT
VT=2.1/430（T-25）VF（3）
（6）计算太阳能电池板工作电压VP
VP=VF+VD+VT（4）
其中VD=0.5～0.7约等于VF
（7）太阳电池板输出功率WP
WP=IP×UP（5）
（8）根据VP、WP在硅电池板组合系列表格，确定标准规格的串联块数和并联组数。
根据太阳能电池板重要的五个指标：
峰值功率、峰值电压、峰值电流、开路电压、短路电流以及太阳能电池板的长度、宽度、厚度、重量指标我们选择太阳能电池板如表1所示。
表1太阳能电池板指标
规
格
峰值功率
峰值电压
峰值电流
短路电流
开路电压
长
度
宽
度
厚
度
重
量
KC200GH
-2P
200
W
26.3
V
7.61
A
8.21
A
32.9
V
1425
mm
990
mm
36
mm
16.99
kg
5.1.3太阳能发电系统的效率
在太阳能发电系统中，系统的总效率ηes是由电池组件的PV转换率、控制器效率、蓄电池效率、逆变器效率及负载的效率等组成。
但相对于太阳能电池技术来讲，要比控制器、逆变器及照明负载等其它单元的技术及生产水平要成熟得多，而且目前系统的转换率只有17%左右。
因此提高电池组件的转换率，降低单位功率造价是太阳能发电产业化的重点和难点。
自太阳能电池问世以来，晶体硅作为主角材料保持着统治地位。
目前对硅电池转换率的研究，主要围绕着加大吸能面（如双面电池），减小反射；运用吸杂技术减小半导体材料的复合；电池超薄型化；改进理论，建立新模型；聚光电池等。
常见的几种太阳能电池的转换效率见表2。
另外，为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，要为太阳能电池组件选择一个合适的倾角。
由于要考虑车载的太阳能板的安全性，因此通常是要固定在车顶上的，很难进行倾角的智能控制。
不过，可以在车顶上安装太阳能电池组时同时安装一个可以四周旋转的支架，在车行驶的时候太阳能板固定平放在车顶上，而当车停止时，可手动调整太阳能电池组的角度，为太阳能电池组件选择一个较佳的倾角，以便太阳能板可以吸收尽可能多的辐射能量。
表2几种太阳能电池的转换效率
实验室典型电池
商品薄膜电池
各种太阳能电池
ηmax（%）
各种太阳能电池
η（%）
单晶硅
24.4
多晶硅
16.6
多晶硅
18.6
铜铟镓硒
18.8
GaAs（单结）
25.7
碲化镉
16.0
a-si（单结）
13
铜铟硒
14.1
5.2蓄电池
蓄电池是太阳能光伏发电系统的储能装置，是太阳能供电系统系统中的重要部件，一般占总成本的10%-20%，其性能直接影响着系统的可靠性和寿命。
与太阳能电池板配套的蓄电池通常工作在浮充状态下其电压随电池组发电量和负载用电量的变化而变化。
它的容量比负载所需的电量大得多。
蓄电池提供的能量还受环境温度的影响。
为了与太阳能电池匹配，要求蓄电池工作寿命长且维护简单。
5.2.1蓄电池的选用
能够和太阳能电池配套使用的蓄电池种类很多。
目前广泛采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池三种。
国内目前主要使用铅酸免维护蓄电池。
因为其固有的免维护特性及对环境较少污染的特点，很适合用于性能可靠的太阳能电源系统。
普通铅酸蓄电池由于需要经常维护及其环境污染较大所以主要适于有维护能力或低档场合使用。
因此，本设计中选用铅酸蓄电池。
5.2.2蓄电池组容量的计算
蓄电池的容量对保证连续供电是很重要的。
在一年内电池组发电量各月份有很大差别。
电池组的发电量在不能满足用电需要的时候要靠蓄电池的电能给以补足；在超过用电需要的时候是靠蓄电池将多余的电能储存起来。
所以电池组发电量的不足和过剩值是确定蓄电池容量的依据之一。
同样连续阴雨天期间的负载用电也必须从蓄电池取得。
所以这期间的耗电量也是确定蓄电池容量的因素之一。
因此蓄电池的容量BC:
BC=A×QL×NL×TO/CC（Ah）。
公式中：
A为安全系数取1.1-1.4之间；QL为负载日平均耗电量为工作电流乘以日工作小时数；NL为最长连续阴雨天数；TO为温度修正系数，一般在0℃以上取1-10℃以上取1.1-10℃，以下取1.2；CC为蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75。
5.2.3蓄电池散热问题
现在车载蓄电池大都采用免维护铅酸蓄电池，它采用的是紧装配结构，散热性能较差，它又属于贫液电池，充电时电解液温度过高，会加快蒸发造成电池失水，也会使极板因过热膨胀损坏和外壳变形，更重要的是由于热量积累使电池热失控。
车载蓄电池安装在汽车内部，环境温度超过25℃，温度每升高10℃，寿命将减少一半。
12V免维护铅酸蓄电池，其设计寿命一般为五六年，但实际应用中，一般两三年就需要更换，有的甚至不到一年寿命就终结了。
假设一蓄电池为12V/36Ah，按0.6元每VAh，若寿命为两年，每次更换费用按200元算，则在寿命期内至少需更换6次蓄电池，仅蓄电池一项就要追加成本2755.2元。
若蓄电池寿命能达到5年，则在寿命期内需更换3次，追加成本则为1377.6元，仅蓄电池一项就可节省1377.6元。
所以，保持适宜的温度对蓄电池寿命是非常重要的。
因此，外加的那块蓄电池最好安装在通风较佳并且远离汽车发动机的地方，如果车内有风扇的话，可以将这块蓄电池安装在风吹的范围内。
5.2.4汽车电瓶和外加蓄电池的充放电功能设计
在本设计中，所应用的蓄电池分为两个部分，第一部分是汽车本身所带电瓶，第二部分是外加的蓄电池。
由于这两部分蓄电池的作用不尽相同，因此要区别性的充放电。
第一部分即汽车本身所带的蓄电瓶，它的作用有：
启动发动机时，给起动机提供强大的起动电流（一般高达200-600A）；当发电机过载时，可以协助发电机向用电设备供电；当发动机处于怠速时，向用电设备供电；当发电机端电压高于铅蓄电池的电动势时，将一部分电能转变为化学能储存起来，也就是进行充电。
第二部分即外加的蓄电池，它的作用则主要是蓄电用，为各用电器供电。
可见二者的不同之处在于：
（1）汽车启动蓄电池是用于启动用的，对电池的要求是瞬间供电能力和低温启动性能，这类电池极板较薄较多。
但不能用于深度充放电的场合。
（2）太阳能蓄电池主要是蓄电用，对电池的容量要求较高，一般对电池不作深度放电，但电池一般长期在浮充状态下工作。
故对电池耐过充的性能要求高一点，一般在隔板和电解质中做改进。
由以上可知，汽车本身所带的蓄电瓶有一个重要任务就是保留足够的电以启动发动机。
因此，要采取一定的措施以保证这部分电池随时存有足够的电能，同时防止过度放电。
基于这个原因，在设计中采取两部分蓄电池单独充电或者放电。
充电时先给汽车本身所带的电瓶充电，而给外部供电时要让外加那部分蓄电池先供电，在该块电池供电不足的情况下，采用汽车本身所带电瓶供电，并防止过放。
那么怎样实现单独充电放电呢？
在系统框图中可以看到，由智能控制器控制优先先对汽车本身所带的电瓶充电；放电时由放电优先级控制开关控制优先让外加蓄电池给用电器供电，待电量不足时转向由汽车本身所带的电瓶供电。
放电优先级控制开关用一个很简单的单刀双掷开关即可实现上述功能。
5.3智能太阳能控制器
5.3.1控制器的作用
太阳能电池板属于光伏设备（主要部分为半导体材料），它经过光线照射后发生光电效应产生电流。
由于材料和光线所具有的属性和局限性，其生成的电流也是具有波动性的曲线，如果将所生成的电流直接充入蓄电池内或直接给负载供电，则容易造成蓄电池和负载的损坏，严重减小了它们的寿命。
因此我们必须把电流先送入太阳能控制器。
控制器对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳能电池板和蓄电池对负载的电能输出，它是整个系统的核心控制部分，保证系统能正常、可靠地工作，延长系统部件（特别是蓄电池）的使用寿命。
5.3.2充电方法选择
目前流行的铅酸密封蓄电池充电采用三段式（恒流、恒压、浮充）充电方法，但这种方法充电时间长，效率低，对电池的保护差，容易发生过充电或者充电不足的现象，导致蓄电池使用寿命的降低。
现阶段，对电池的最好充电方法是采用脉冲充电。
脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，反向瞬间放电脉冲，停充维持3个阶段。
充电脉冲使电池快速充电，放电时可消除电池的硫化，间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。
5.3.3智能控制器设计
智能控制器包括电源部分、充电电路、抽样转换部分，主控器件、显示部分、温控电路、上位机连接电路。
其框图如图2所示。
（1）开关电源
电源设计采用TOP227芯片构成稳压电路，该电源电路的输入电压范围宽，
输出三种电压值，由于电池充满电后其电压值为其额定电压的1.35倍，所以对
图2智能控制器框图
于12V蓄电池其充满电后电池两端的电压值应为16.2V，而对电池进行维护时要求高脉冲，因此维护电压应更高。
基于以上考虑，开关电源输出的三种电压值分别为30伏、20伏、5伏，30伏用于电池维护时输出高脉冲，20伏用于充电，5V用于给各种芯片供电。
开关电源的电路图如图3，输入AC电网电压经过BR1和C6整流和滤波后得到的DC高压施加于初级绕组的一端，另一端则由芯片内部的高压MOSFET来驱动。
VZ1与VD1组成钳位电路，将变压器的漏感所引起的前沿电压尖峰钳位到安全的程度。
变压器的次级绕组输出由各抽头上的电感、电容及整流二极管整流滤波后得到，由于这里要求的频率高且要耐高压，因此二极管应选择耐高压的快恢复肖特基整流二极管。
为了使次级输出电压都能准确输出，我们所需要的电压要通过调节R14与R15的电阻值，U3两端电压保持一定，若输出电压与所需电压不一致则会引起光耦光强的改变，从而改变经过TOP227的C端的电流，控制输出端电压。
当其准确后其后的输出电压只需计算其线圈匝数即可。
开关电源电路图如图3所示。
（2）TOP227的功能简介
在开关电源中主要是通过TOP227这个芯片来控制电压输出，根据流经电
流调占空比来调节输出电压的大小。
该芯片将开关模式控制系统汇集于具有三个引出端的IC中，内部集成了MOSFET功率开关、PWM控制器、高压启动电路、环路补偿和故障保护电路等。
①主要性能
图3开关电源电路图
它具有非常低的AC/DC变换损耗，转换效率可高达90%。
芯片内部还具有一个触法式关断电路，可构成反激式、正激式、升压式和降压式结构的电源电路；可工作于初级反馈控制结构或光耦合器控制结构。
②引脚功能
CONTROL—误差放大区或反馈电流的输入端。
该端的输入电流可控制占空比，芯片内部连接于该端的分流式稳压器在正常工作期间能够为内部的电路提供偏置电流。
该端也为关断触发器的输入端，另外还可以作为电源旁路、自动复位启动、补偿电容的外部链接端。
SOURCE—对于Y型封装为输出MOSFET功率开关源极引出端、高压电源的回零端。
同时也为初级侧电路的公共地端或参考点。
对于P/G型封装为初级侧电路的公共地端或参考点。
DRAIN—芯片内部输出端MOSFET高压功率开关的漏极引出端。
在上电启动期间，该端通过内部一个高压开关电流源为其内部电路提供偏置电流，同时也为芯片内部电流采样点。
（3）充电及维护电路
充电维护电路有两个功能，由于维护电压要采用高脉冲电压，所以维护电路与充电电路分别设计了两个供电电源。
根据需要选择进行充电还是维护，充电时采用脉冲式充电法，正脉冲使电池快速充电，负可消除电池的硫化，它们的占空比则由单片机程序控制三极管的开断来控制，由于单片机提供的最高电压为5V，远远小于充电电压，所以NPN管需要低电压导通，因此用如图4所示的电路来控制电池的充放电，维护时也和充电时的电路一样，只是其脉冲高而窄，由单片机另外控制其占空比。
（4）抽样转换电路
本次设计的智能充电器要求显示电池的充电状态（如充电电压、充电电流、电池内阻，放电电流等），因此需要对电路中的三处电压进行采样，得到我们需要显示的数据，抽样得到的数据经过单片机控制LCD1602显示出来。
为了得到充电电压与充电
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