于秩祥+蒋晶
摘 要：根据轿车城市工况下蓄电池的使用特点，轿车蓄电池过度放电或蓄电池容量降低的情况下，将无法起动发动机。设计一套能量转换装置，将太阳能转化为电能为轿车蓄电池充电。同时监控蓄电池容量，适时为蓄电池进行充电保证蓄电池电量充足，延长蓄电池使用寿命，提高轿车使用经济性。
关键词：轿车；蓄电池；太阳能；能量转换
中图分类号：U463.63 文献标识码：A 文章编号：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
轎车采用蓄电池为电源提供车辆起动，为保证轿车发动机能够正常起动，蓄电池必须有充足的电量。当轿车起动后，发动机顺利运转，发动机会带动发电机为蓄电池释放的电能进行补充电。蓄电池每起动一次所释放的电量需要发动机带动电动机运转10～20分钟才能充满，而轿车有的时候并不能运行这么长时间，导致蓄电池充不满电，常此以往蓄电池过放电会导致蓄电池使用寿命下降。轿车一般都停放在露天室外，白天天气良好的情况下，阳光会对轿车照射，设计一套利用太阳能转换为电能的装置，对轿车蓄电池进行充电装置，保证蓄电池电量充足。
2 太阳能光伏发电板的结构设计
轿车在露天停止时（白天），车顶会受到阳光的直射。一般轿车顶部只安装天窗，天窗只占车顶面积的1/3左右，其余剩下的面积可以安装光伏发电板，另外有的轿车车顶不安装天窗，车顶空间可以任意安装光伏发电板。如1所示在轿车顶部天窗一侧安装光伏发电板。
在保证车辆安全性和不改变车身结构的情况下，可利用轿车车顶天窗位置进行改装。如图2所示，天窗与太阳能光伏发电板的相对安装位置，天窗玻璃3和太阳能光伏发电板2安装在一个框架4内嵌入在轿车车顶钢板内，用橡胶密封条1密封，太阳能光伏发电板相对2位置固定不动，天窗3通过倾斜机构8和固定框架4上的轨道滑板5在电机6和电机7的带动下，可以前后滑动或是上下开启。
3 蓄电池充放电机理
3.1 蓄电池放电
轿车采用铅酸蓄电池为电源，而大部分选用免维护铅酸蓄电池。蓄电池常用参数有容量、电压和电流。其容量为主要技术参数，该数值越高，代表了电池的容量越大，储存电能的能力越强。轿车一般都采用冷起动电压为12V，冷起动电流为480A，容量为60Ah以内的蓄电池。
蓄电池容量标志放电能力大小，当蓄电池以恒定电流放电时，它的容量等于放电电流与持续时间的乘积。轿车蓄电池作为电源使用，其放电电流不是常数，蓄电池的输出容量容量为为不同的放电电流与其持续时间的乘积之和，如下式⑴所示：
式中：t1～tn为不同用电设备放电持续时间；I1～In为放电电流
蓄电池的充放电过程主要是依靠自身内部的化学反应，将化学能转化为电能。车用蓄电池都是有一定的理论寿命，不能无限制使用。蓄电池频繁起动放电、用电设备放电和蓄电池自放电等，使蓄电池进入深度放电状态，如不能及时充电的话，降到导致正极板的活性物质脱落，最终蓄电池容量降低，不能使用。
现代轿车大量采用电子电器设备、智能用电设备和停起装置，很多城市轿车都是短时间和短距离行驶，这种工况下发电机很难有效将蓄电池充满电恢复容量，随着使用时间的增加，蓄电池容量再不断下降，最终导致无法起动发动机。根据试验得知，容量为60Ah的蓄电池，冷起动一次车辆，需要车辆运行15～20分钟才能恢复其容量。轿车蓄电池一般使用年限为2～3年，在正常充放电状态下，能起动车辆次数为5000次左右。另外，车辆停止时，车辆防盗装置也消耗电量，同时存在蓄电池自放电现象，温度越高自放电越明显。
3.2 蓄电池充电
基于上述各种状态下的蓄电池放电原理，应建立有效的蓄电池充电装置，恢复蓄电池容量。将太阳能转换为电能，通过控制装置加以有效利用，对蓄电池进行补充电或修复性充电，可有效改善蓄电池使用寿命。太阳能光伏发电板安装在轿车顶部，如图3所示需要产生12～15V电压，通过充电控制器产生1～5A电流，对车载蓄电池进行充电。小电流长时间对蓄电池进行智能充电，可修复修复蓄电池内部极板，恢复蓄电池容量。充电控制器适时监控蓄电池电压，通过开关控制，对蓄电池进行自动识别的三种充电模式：
预充模式：蓄电池电压低于正常时，不能承受较大电流充电，充电控制器则以小电流恒流模式充电，对深度放电蓄电池具有激活、修复及延长蓄电池寿命功能，当蓄电池电压升高到设定电压时，充电控制器自动转换为恒流充电模式。
恒流充电：当充电控制器检测电压低12V时，充电控制器以一定量电流对蓄电池充电。
恒压充电：充电控制器检测蓄电池充电容量，自动从恒流转换为恒压，以微小电流充电，使蓄电池恢复容量，避免气化现象，保护内部极，防止过充电。
4 充电控制电路设计
4.1 充电控制机理
蓄电池反复充放电的工况下，尤其是过量充电会引起蓄电池的析气和温度上升，导致电解液浓度增加，损坏极板蓄电池容量降低，缩短使用寿命。一般蓄电池以一定速率的电流或电压进行充电，当充电达到某一极限值时，铅酸蓄电池内电解液就会产生析气和升温，这时不能提高充电速度。蓄电池只要产生微量析气，在充电的任一时间 时，蓄电池可接受的充电电流为：
⑵
式中：I 为任意时刻 时蓄电池可接受的充电电流； I0 为当 t = 0 时的最大起始电流；a 为衰减常数，也称充电接受比。
根据式⑵可知，当蓄电池开始析气时，产生的充电电流，为最大充电电流，此时不仅不能提高充电速率，持续这个电流会增加析气。而小于这个电流的充电电流就是蓄电池可接受的理想充电电流。根据这一特性，在某一时刻 t 时充电的容量C是从0到 t 时：
蓄电池充电完成，忽略电损失，全部充入的电量即为为蓄电池充的容量Q，由式⑷可得：
所以，可以得到：
通过以上计算公式推导可知，蓄电池初始充电接受比是起始接受电流 I0 和尚需充电电容量的比值。假如 a = 1 时，蓄电池放电深度为100%，蓄电池容量可接收充电电流进行充电。由公式⑷可以得到，经过一段时间，蓄电池就能达到95%以上的荷电状态。根据上述蓄电池可接受的电流特性，在设计光伏发电控制器上可使蓄电池的充电电流始终保持在可接受的电流附件，避免析气和升温现象，减少充电对蓄电池的损伤。
4.2 充电控制电路设计
基于上述车辆结构和充电机理，设计一套充光伏发电—充电控制电路如图4所示。安装在车顶的光伏发电板通过充电控制器将电能输送给蓄电池，车顶光伏发电板受光照强度不同产生的电量也不一样，通过充电控制器适时调整充电电压和充电电流，对蓄电池进行保护充电，形成智能充电电路，避免损坏蓄电池。另外，充电控制器可以自动检测蓄电池容量（轿车发动机排量在3.0L以下的，蓄电池容量都在60Ah以下），当蓄电容量降低，电压下降时会自动接通充电电路为蓄电池充电。同时设置充电开关，轿车运行时不为蓄电池充电，轿车停止工作时充电系统工作。
如图4所示，整个光伏充电器的实际充电过程分为预充模式、恒流模式、恒压模式。首先接通蓄电池充电电流开关，充电控制器自动检测蓄电池电压，通过检测蓄电池电压判断是否需要进行充电。车顶光伏发电板受光照强度不同产生的电量也不一样，产生的电压也不一样，通过时钟振荡器电路和集成芯片控制充电电压稳定。当充电控制器检测到蓄电池电压低于12.5V时，首先进入预充模式，充电控制器以小电流向蓄电池充電，使蓄电池在自放电的情况下慢慢进入充电模式，在维持一段时间后，电流再不断增加。在电流不断增加的过程中达到3A时，充电控制将电流恒定，进入恒流模式充电，蓄电池容量在不断恢复。
由于车顶光伏发电板受光照强度不同产生的电压和电流也不一样，通过时钟振荡器电路和集成芯片控制充电电压稳定，在较强光照条件下和长时间光照条件下，充电控制器根据检测蓄电池容量会进入恒压充电模式，电压控制在14V，恒压充电过程中电流很大，达到控制器输出最大电流5A，充电时间短、充电过程无需调节电压。
轿车蓄电池一般安装在发动机仓内，受发动机温度影响。在充电过程中，电池温度过高可能损坏电池，温度过低则不能开始快速充电。因此，一般在电池温度上升到规定数值后，立即停止快速充电。为了实现这个功能，必须对电池的温度进行检测和控制。当充电过程中电池温度达到45℃时，立即停止快速充电。电池温度可通过与电池装在一起的热敏电阻来检测。当温度低于10℃时，通过充电控制器转换到恒流充电模式。
5 经济效益及环保分析
5.1 使用经济性分析
通过优化设计、试验对比和使用分析，该套能量转换利用装置研发成本在3000元左右，主要部件是太阳能光伏发电板、控制电路板和改装零部件等，达到批量成产可以降低研发成本的2/3紧相当一块蓄电池的价格。轿车加装这套充电装置，能提高蓄电池使用时间1/3以上，可有效延长蓄电池使用寿命，减少蓄电池更换次数，降低轿车使用成本。该装置能保证蓄电池容量充足，降低轿车运行时发电机的发电量，减少发动机外部机械损失，提高发动机动力，减少燃油消耗，降低尾气排放量，达到节能减排的效果。能避免轿车因蓄电池亏电导致轿车无法起动的现象，减少救援维护费用。
5.2 环保性分析
目前所用轿车都使用普通铅酸蓄电池或铅酸免维护蓄电池，一块蓄电池在轿车上的正常使用时间一般是在2～3年左右，非正常使用为2年以内。轿车使用时间一般为15年以内，需要更换5～10块蓄电池。再使用不当的情况下可能造成极大的浪费。车用蓄电池属于回收循环利用产品，在蓄电池修复和再制造过程中，废物处理不当能对人体和环境造成极大的污染。
修理蓄电池和再制造蓄电池是可能产生铅中毒污染人体和环境。熔铅、焊接极板组、浇联条、浇极桩等工序都会产生铅烟铅尘，特别是回收正、负极板时，将会产生大量的铅烟铅尘。此外，修理和再制造蓄电池时倾倒的电解液中，电解液主要是硫酸废液，其中含砷、锑、铅、铬和镍等大量有毒有害元素，有处理不当，能造成极大的环境污染。
综上所诉，在轿车的使用寿命周期中，减少蓄电池的更换次数能有效提高车辆的使用经济，降低蓄电池在维护、修复和再制造过程中对人体和环境的污染，达到节能环保，减少有害物质排放。
6 结论
⑴本设计结构简单，不改变车身结构和电气电路系统，有效将太阳能转换为电能存储在蓄电池中为车辆所用。
⑵根据蓄电池充、放电原理找出合理充电办法，优化设计能量转换电路系统，将电能合理有效底储存在蓄电池内部，在充电过程中尽量减小了蓄电池内部的损坏，保证蓄电池能修复或恢复原始容量。
⑶整个系统安全可靠，根据蓄电池容量，选择性的充电。有效延长了蓄电池使用寿命，保证轿车随时可以顺利起动，降低了轿车的使用维护成本。
⑷在轿车的使用寿命周期中，减少蓄电池的更换次数能有效提高车辆的使用经济，降低蓄电池在维护、修复和再制造过程中对人体和环境的污染，最终达到节能减排的效果。
⑸本设计已在轿车上试验成功，获得国家专利授权。
参考文献：
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