一种太阳能电动汽车

技术领域

本发明属于太阳能汽车技术领域，具体涉及一种太阳能电动汽车。

背景技术

随着绿色能源革命的深入开展，助力全球光伏清洁能源发展，汽车行业正在持续发现电动新型汽车，而能源方面也在大力发展包括光伏在内的绿色能源。现在随着电动汽车的普及，电动汽车已经配备了完善的储能系统和电力驱动系统，这为太阳能电动汽车的发展提供了一种新的思路，不需要在传统燃油汽车上发展太阳能汽车，直接在电动汽车上面发展新的太阳能汽车，太阳能发电系统和电动车原有的充电系统使用同一套电力存储系统、同一套动力系统。这样就减少因动力系统的不同而带来的车体重量增加、车体设计复杂性提高等问题。并且，随着光伏产业的快速发展、技术不断迭代，光伏电池发电转化效率不断增加、发电成本也在快速下降，使得太阳能发电作为电动汽车补充电源的可能性也在不断提高。所以，电动汽车安装太阳能充电不光作为改善能源结构的一种有效途径、提升绿色能源利用率。而且近年来电价改革的呼声愈来愈高，太阳能汽车的经济价值也会越来越高。并且，在人口稀疏、基础设施不完善的地区，太阳能充电也可以作为电动汽车的重要动力来源，能够提高汽车的续航能力，进一步提高电动汽车的可靠性和适用性。

常规光伏组件将多个单体光伏电池通过串联的方式排列焊接，并通过层压、封装流程制成。若发生电池片损坏或局部遮挡将造成串联失配，严重拉低组件功率。为降低该缺陷造成的影响，一般采用旁路二极管将电池串分为三段，发生失配时，失配电池片所在的电池段直接被旁路，通过牺牲1/3功率的方式保证组件整体电流不降低。然而，该方案仍有几个问题：1)组件竖向安装时早晚阴影会造成支架下排组件完全不发电；2)1/3的功率损失相比电池片本身的功率损耗太大。

发明内容

本发明提供了一种太阳能电动汽车，优化整个电动汽车的太阳能充电系统，提升太阳能的充电能力和适应能力。

为达到上述目的，本发明所述一种太阳能电动汽车，包括汽车本体和安装在汽车本体上的串并联叠瓦组件，所述串并联叠瓦组件包括多排电池片，相邻的两排电池片在沿电池片长度方向上错位排布，两个相互间隔一排的电池片在电池片长度方向上的位置相同，同一列电池片之间相互串联，同一行电池片之间相互并联。

进一步的，串并联组件安装在汽车本体的车顶、车前盖、车后盖和车门上。

进一步的，安装在车门上的串并联叠瓦组件和车门之间安装有可伸缩的支撑杆。

进一步的，串并联叠瓦组件为柔性串并联叠瓦组件。

进一步的，电池片包括多个依次用用导电胶连接的子电池片。

进一步的，柔性串并联组件与组件级最大功率点跟踪控制器连接，所述组件级最大功率点跟踪控制器的输出端与逆变控制器的输入端连接，所述逆变控制器的输出端与汽车储能系统连接。

进一步的，组件级最大功率点跟踪控制器包括MPPT控制电路、控制电路和隔离电路，所述MPPT控制电路为全桥LLC电路，所述全桥LLC电路的输入端设置有输入电流传感器、输入电压传感器，所述全桥LLC电路的输出端设置有输出电流传感器和输出电压传感器，所述输出电流传感器和输出电流传感器的输出端与光电耦合器的输入端连接，输入电流传感器、输入电压传感器以及光电耦合器的输出端均与控制电路的输入端连接，所述控制电路用于控制全桥LLC电路中开关管的导通和/或截止。

进一步的，全桥LLC电路包括H桥、谐振电容、高频变压器、输入电流传感器、输入电呀传感器、输出电流传感器和输出电压传感器；所述H桥的输入端连接有输入电流传感器和输入电压传感器，H桥的输出端依次连接有谐振电容和高频变压器，所述高频变压器的二次侧与整流电路的输入端连接。

进一步的，整流电路为半桥整流电路，同时采用同步整流方式工作。

进一步的，汽车储能系统与汽车电力存储系统连接。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明采用串并联叠瓦组件，装配在太阳能汽车上时能够良好的应对树下树叶覆盖、早晚低辐照等工况，在出现遮挡工况时，串并联叠瓦组件中本应通过被遮挡电池片的阻挡的电流能够通过并联节点流至相邻的未被遮挡电池片，再通过未被遮挡电池片继续传输，进而绕过被遮挡电池片，从而将遮挡损失限制在被遮挡单元附近较小的范围内，以提高单位面积的发电充电密度，提高组件抗遮挡能力。在叠瓦组件正常发电工作期间，即使有杂物遮盖光伏板，也不会形成严重的热斑，产生大量的发热，从而影响车内的环境。

进一步的，安装在车门上的串并联叠瓦组件，由于受光面积较小，所以车门处的组件带有支撑杆车门处的组件可以进行抬升，大幅提升受光面积，提升充电速率；具有组件展开功能，在合适的环境下，组件可以从车门上面撑开展开，提高受光面积，进而提高充电功率。

进一步的，使用柔性串并联式叠瓦组件，可以根据车型外观需求，在车顶做成相应弧度的柔性组件，与车辆外观完美融合。

进一步的，采用组件级最大功率点跟踪控制器，大幅提升组件抗遮挡能力，也提升太阳能充电系统的功率。

进一步的，采用两只mosfet管构成半桥整流电路，同时采用同步整流方式，也可降低整流损耗，提高电路效率。

与电动汽车共用电力存储系统和驱动电机，不需要另外安装电力存储系统和驱动电机。

附图说明

图1a为现有的电池组件布置示意图；

图1b为现有的电池组件电流流向示意图；

图2a为本发明提供的串并联叠瓦组件示意图；

图2b为本发明提供的串并联叠瓦组件示意图；

图3为前后交错电池片形成并联通道原理图；

图4为普通叠瓦和串并联叠瓦组件的电气结构原理示意图；

图5为隔离型光伏优化器LLC电拓扑原理图；

图6a为柔性串并联叠瓦组件在车前盖、车后盖和车顶的铺设示意图；

图6b为太阳能汽车柔性串并联叠瓦组件铺设示意图；

图7为车门处组件展开示意图；

图8为太阳能充电系统图；

图9为太阳能汽车电力系统示意图。

附图中：1、串并联叠瓦组件，2、电池片，3、汽车，4、车门，5、等效并联导线，100、现有的叠瓦组件。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图9，一种太阳能电动汽车，包括汽车本体和安装在汽车本体上的充电存储系统，充电存储系统包括太阳能充电系统和常规充电系统，太阳能充电系统和常规充电系统的输出端与汽车电力存储系统连接。

参照图8，太阳能充电系统包括依次连接的太阳能充电装置、组件级最大功率点跟踪控制器、逆变控制器和汽车储能系统。

参照图6a和图6b，太阳能充电装置包括在汽车本体的车顶、车前盖、车后盖及车门上均装有柔性串并联叠瓦组件，每个性串并联叠瓦组件接有一个组件级最大功率点跟踪控制器，这些光伏最大功率点跟踪控制器并联接入逆变器后，逆变为相应的电流充入汽车储能装置。

1)太阳能充电系统采用柔性串并联组件

参照图1a和图1b，本发明太阳能充电系统采用新型的叠瓦组件，新型叠瓦组件虽然仍然使用旁路二极管的方式屏蔽组件内部损耗，但是由于电池片连接结构设计的差异，其内部损耗的自适应能力有所提升。常规叠瓦组件内有8个长电池串，每一个长电池串均通过旁路二极管分为3段，因此每一组件理论上被分为24块，最小理论功率损失为1/24，同时在竖向安装时其早晚遮挡的功率损耗降为30％，尤其是早晚遮挡损耗也由30％降低到17％以下。

为了进一步提高光伏组件的抗遮挡性能，提升组件自适应能力，本发明采用串并联叠瓦光伏组件。

参照图2a、图2b和图3串并联叠瓦组件使用了交错排片的方式，实现了组件内电流的二维流动。

串并联叠瓦组件包括多排电池片，相邻的两排电池片错位排布，两个相互间隔一排的电池片在电池片长度方向上的位置相同。具体为：第二排电池片比第一排电池片向左偏移距离L，第三排电池片和第一排电池片在电池长度方向上的位置相同，第四排电池片比第三排电池片向左偏移距离L，第四排电池片和第二排电池片在电池长度方向上的位置相同，以此类推。同一列电池片之间相互串联，同一行电池片之间相互并联。

图4给出了普通叠瓦和串并联叠瓦组件的电气结构原理和遮挡前后的电流走向。对于普通叠瓦组件，当遮挡以后被遮挡电池单元允许通过的电流降低(等效电阻升高)，整个串联的长串都会因为被遮挡电池单元的电流降低而受到钳制作用，损失整个组件的发电量；但是对于本发明中所述的串并联叠瓦组件，在出现遮挡工况时，串并联叠瓦组件中本应通过被遮挡电池片的阻挡的电流可以通过并联节点流至相邻的未被遮挡电池片，再通过未被遮挡电池片继续传输，进而绕过被遮挡电池片，从而将遮挡损失限制在被遮挡单元附近较小的范围内。

串并联叠瓦组件本身具有优异的抗遮挡能力，装配在太阳能汽车上时能够良好的应对树下树叶覆盖、早晚低辐照等工况。在组件正常发电工作期间，即使有杂物遮盖光伏板，也不会形成严重的热斑，产生大量的发热，从而影响车内的环境。

常规光伏组件使用焊条焊接，焊条一般均为金属材质，例如镀锡铜互联条，均具有明显的反光效果。在车辆行驶过程中，其反光存在影响其他车辆行驶的风险。叠瓦组件将太阳能电池之间的连接方式为导电胶粘接，直接消除反光造成的风险。

叠瓦组件较于传统组件，内部的单片电池只是传统电池面积的1/6，即将传统电池一片切成六个子电池片，使用导电胶将子电池片互联。串并联叠瓦组件因其内部电池片间通过具有良好弹性的导电胶粘接而成，故组件可实现柔性化，完全可以贴合汽车表面的各种弧线造型，与车辆外观完美融合，兼具外观实用性。

汽车表面能够进行铺装光伏组件的面积有限，常规组件电池间通常会出现一定空隙，不能够充分利用车顶有限空间。特别是太阳能汽车希望能够转换光能，提高光的利用率，常规太阳能汽车会采用单晶电池组件作为发电模块。传统单晶组件中的电池由于倒角的存在，电池边缘呈现弧形。这样单晶电池组件就会留有大量空隙，车顶空间不能充分利用车顶的有限空间。而串并联叠瓦组件硅片与硅片之间相互贴合，可充分利用利用车顶有限的空间，增加发电密度，提升充电量。

2)每一块柔性串并联组件均接入一个组件级最大功率点跟踪控制器：

汽车外部车顶、车前盖、车后盖及车门上，每一个柔性串并联叠瓦组件接入一个具有电气隔离功能的光伏最大功率点跟踪控制器，然后这些光伏最大功率点跟踪控制器并联接入逆变器后，逆变器和汽车储能装置电连接，逆变为相应的电流充入汽车储能装置，提升组件抗遮挡能力，也提升太阳能充电系统的功率。

光伏最大功率点跟踪控制器实质是一个高效、隔离和数字化的DC/DC变换器，因此变换器拓扑结构选择十分关键。常规隔离DC/DC变换器拓扑结构主要有：正激、反激、推挽、半桥和全桥等，但这些都属于硬开关电路，很难做到高效。基于软开关技术的有：有源钳位、移相全桥和LLC。其中有源钳位的输出功率较小且控制复杂；移相全桥可以实现大功率，输入电压范围广，且采用PWM控制，控制简单，但与LLC相比效率较低。

LLC电路属于串联谐振电路的一种，由于谐振变换器谐振时电压、电流周期过零，利用这一特点，可以在整个工作范围内实现软开关，从而降低开关损耗，提高变换器的效率。LLC变换器是目前隔离变换器中效率最高的一种，也是目前电力电子技术研究的热点，其输入、输出和功率等级都满足太阳能汽车的需求，因此选择LLC拓扑结构作为优化器的主电路的拓扑结构。

参照图5，该光伏最大功率点跟踪控制器由MPPT控制电路、控制电路和隔离电路三大模块组成。其中MPPT控制电路为全桥LLC电路，由H桥、谐振电容、高频变压器，以及输入输出的电流和电压传感器组成。

H桥的输入端连接有输入电流传感器和输入电压传感器，H桥的输出端依次连接有谐振电容和高频变压器，高频变压器的二次侧与LLC电路中整流电路的输入端连接，整流电路的输出端连接有输出电流传感器和输出电压传感器，输出电流传感器和输出电压传感器的输出端与光电耦合器的输入端连接，输入电流传感器、输入电压传感器以及光电耦合器的输出端均与控制电路的输入端连接。

其中，H桥由4只GaN开关管两两串联构成。两串联支路由输入电源供电，中心点为由谐振电容Cr和高频变压器T构成的谐振网络供电。通过对H桥开关管的开关控制实现直流至交流的逆变转换。高频变压器T的原边可等效为漏电感Lr和激磁电感Lm和理想变压器。因此由谐振电容Cr和高频变压器T构成的谐振网络有两个谐振点，分别为

同时高频变压器起到了输入、输出测电气隔离的作用。光电耦合器将输出电压电流传感器的模拟信号通过光耦隔离后送至控制电路，实现输入与输出无电气联系。因此高频变压器和光电耦合器共同实现了优化器输入输出测的完全电气隔离。控制电路采用数字电源专用微控制单元(MCU)。通过如输入电流和电压传感器分别采集输入电压和电流。通过光电耦合器采集输出电流和电压。通过驱动电路控制H桥的开关频率，通过软件实现PID自动调节，进而实现最大功率点跟踪(MPPT)功能。通过与车上的柔性串并联叠瓦组件相接，能够使组件始终处于最优的工作状态，提升汽车的充电速率，提升太阳能充电的充电能力。

3)汽车外部充电组件采用全新铺设方式：

太阳能充电系统一方面采用全新的柔性串并联叠瓦组件，可以完美贴合汽车的外部，提升与汽车的融合性。另一方面，在汽车的车顶、车前盖、车后盖及车门上均装有柔性串并联叠瓦组件，特别是车门上的柔性串并联叠瓦组件和车门之间安装有可伸缩的支撑杆，可以具有组件展开功能，以提升车门处组件的受光面积，提升充电速率，如图7所示。车门上的组件，由于受光面积较小，所以车门处的组件带有支撑杆，在合适的环境下，组件可以从车门上面撑开展开，提高受光面积，进而提高充电功率。

依托串并联叠瓦组件的太阳能充电系统，只要有达到可吸收的辐照，就可以自动为电动汽车充电，不管是车辆行驶还是停车期间，可以适应复杂的工况环境。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。