摘 要

如今，大气污染日益严重，全球呈现不断变暖趋势，在这样的背景下，具有绿色环保特性的电动汽车得到了长足的发展。然而，当前电动车所使用的电能大部分来自于燃煤发电厂，无法从源头上解决由其带来的大气污染问题；同时，和成熟的化石能源汽车相比，电动汽车在长途行驶中的电能补给和续航问题仍特别突出，从而极大的阻碍了新能源电动车的发展。于是，太阳能辅助充电桩应运而生。

本设计对太阳能辅助充电桩进行了基础设计，首先对使用的光伏电池和蓄电池进行了选择，并且对光伏阵列进行了容量设计和仿真，对光伏电池输出特性进行了分析，得到了基本规律，然后对太阳能辅助充电桩的软件进行了设计，最后进行了外观上的基础设计。

关键词：充电桩；太阳能；光伏电池

Abstract

Nowadays, with the increasingly serious air pollution and the global warming trend, electric cars with green environmental characteristics have made great progress.However, at present, most of the electric energy used by electric vehicles comes from coal-fired power plants, which cannot solve the air pollution problem brought by them from the source.At the same time, compared with the mature fossil energy vehicles, electric vehicles in the long distance in the power supply and range problems are still particularly prominent, which greatly hindered the development of new energy electric vehicles.Therefore, solar assisted charging pile came into being.

The solar-assisted charging pile was basically designed. Firstly, the photovoltaic cells and batteries used were selected, and the capacity design and simulation of the photovoltaic array were carried out. The output characteristics of the photovoltaic cells were analyzed and the basic laws were obtained. The software for the solar-assisted charging pile was designed, and finally the basic design of the appearance was carried out.

Keywords：charging piles, solar energy, photovoltaic cell

目录

第一章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2太阳能辅助充电桩的研究现状和发展趋势 1

1.2.1太阳能辅助充电桩发展及研究简介 1

1.2.2世界各国在太阳能充电技术领域的发展经验 2

1.3本设计的主要内容 4

第二章 充电桩的工作原理及研究现状 5

2.1电动汽车充电桩 5

2.1.1电动汽车充电桩的功能 5

2.1.2电动汽车充电桩安装地点的选择 6

2.1.3电动汽车充电桩的主要充电方式 7

2.2太阳能辅助充电桩 7

2.2.1太阳能辅助充电桩的工作原理 7

2.2.2太阳能辅助充电桩的整体设计方案 9

2.3储能蓄电池的类型及特性分析 9

2.3.1车载蓄电池的类型与选择 9

2.3.2电池的结构和充放电特性 10

2.3.3铅酸电池的单体模型 12

2.4光伏电池的工作原理 13

第三章 电池的容量设计、仿真及特性分析 14

3.1光伏电池的种类及选择 14

3.2光伏阵列的容量设计及选择 14

3.3光伏电池的仿真模型及特性分析 15

3.3.1光伏电池的数学模型 15

3.3.2光伏电池的仿真及特性分析 17

3.4本章小结 25

第四章 太阳能辅助充电桩的软件设计 26

4.1太阳能辅助充电桩的工作流程 26

4.2 MPPT程序设计 28

4.2.1 MPPT程序的实现方法 28

4.2.2 MPPT程序的仿真 32

4.3通信软件的设计 34

4.4本章小结 36

第五章 太阳能辅助充电桩的外观设计 37

5.1太阳能辅助充电桩的外观特点 37

5.2太阳能辅助充电桩的灯光交互设计 37

5.3太阳能辅助充电桩的操作界面设计 38

5.4太阳能辅助充电桩的操作体验设计 38

5.5太阳能辅助充电桩的形态设计 39

5.6本章小结 42

总结与展望 43

参考文献 44

致谢 46

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

在我们的日常生活中，燃油汽车的尾气排放，是造成空气污染和温室效应的主要原因之一，给人们赖以生存的环境带来了较大的压力^[1]。为了解决传统燃油汽车带来的环境污染问题，电动汽车应运而生^[2]，随着各国专家学者对电动汽车研究的逐渐深入，电动汽车产业得到了迅速的发展，为了进一步推动电动汽车的商业化，必须加快电动汽车充电桩的建设^[3]，使其与电动汽车的传播速度相匹配^[4]。

当前主流的充电桩主要是采用接入电网电能对电动汽车进行充电。该类充电桩的建设需要占用许多土地铺设电缆，用时较长，所需人力物力大，并且会对电网的稳定性造成一定的影响^[5]。另外，当前主流的充电桩接入的电网电能大部分来自于燃煤发电厂，无法从源头上解决由其带来的大气污染问题^[6]。采用太阳能辅助充电桩的设计方案是解决上述问题的一种重要方法。首先，太阳能相对于其他能源来说，储量和来源丰富^[7]，有太阳的地方就可以利用太阳能。其次，太阳能是一种十分清洁的能源，不会产生对环境有害的物质^[8]。光伏发电系统具有能量的转换过程相对简单、结构相对简单、重量轻、体积小，安装方便，使用寿命长，稳定可靠和安全性高等优点^[9]。因此，将太阳能光伏发电技术运用到电动汽车充电桩领域^[10]，在传统充电桩的基础上，设计出合适的控制系统，实现太阳能辅助充电，具有重要的应用价值和现实意义^[11]，能够为人类社会的发展做出十分重要的贡献。

1.2太阳能辅助充电桩的研究现状和发展趋势

1.2.1太阳能辅助充电桩发展及研究简介

随着电动汽车产业的快速发展，世界上许多国家对新能源电动汽车的设计、生产以及与其配套的充电设施进行了研究^[12]，并且逐渐形成了相对完善的发展体系。我国电动汽车充电桩行业发展迅速^[13]，截至2014年底，我国共建设完成充电桩3.8万个，而2014年我国新能源汽车产销量已达9.39万辆^[14]，由此可见，充电桩数量还远远低于新能源汽车的销量^[15]。

目前有关汽车太阳能辅助充电桩的设计研究还比较匮乏，广西师范大学的张勇敢设计出了一套电动汽车光伏充电桩新型DC-DC交换器及管理系统^[16]，经测试证明，这套系统效率和整体稳定性高，整体功耗低，对汽车光伏充电设计研发有一定的指导意义；东北电力大学的张光雷设计了一套光伏交流充电桩系统^[2]，很好的解决了非平衡供电问题以及电网供电、储能电池和光伏阵列之间的供电协调问题；曲阜师范大学的左亚飞设计的光伏充电桩系统稳定^[9]，并且满足了大功率电动汽车的充电需求；安徽大学的周嗣理设计了一套光伏电源与充电站建设的一体化设计方案^[19]，并进行了大量的测试，非常有意义。

在国际范围内最早使用太阳能充电桩的是日本^[16]，最先出现在日本的是面向电动自行车的充电桩，不久之后，随着太阳能充电技术从小功率到大功率的发展^[17]，英国建成了在高速公路上的太阳能充电桩，使电动汽车的远程行驶成为了现实。中国虽发展太阳能光伏较晚，但发展迅猛^[18]，如今太阳能电池生产量已进军世界前三。政府发布的《国家能源发展规划》、《可再生能源法》，体现了国家对于太阳能充电桩发展的重视，为中国的太阳能充电桩的发展提供了光明的未来。

1.2.2世界各国在太阳能充电技术领域的发展经验

在芝加哥申办2016年奥运会的时候，他们曾向世人展示过一种太阳能插入式充电站的设计，他们将这种操作十分简单方便的充电站视为电动车大量使用和推广的前提。Carbon Day Automotive公司的首席执行官Emalfarb认为，真正的插入式电动车可能就会在一夜之间席卷全球^[23]，所以，世界应该为他们的到来做好充足准备，与此同时，美国大部分城市也都在积极的推广环保出行理念，他们把市政府的公共用车全部换成电动汽车就是一个信号，上述插入式充电站就适用芝加哥政府的电动公务用车，由于它的设计得到了世人的认可，因此，这种插入式太阳能充电站很有可能得到广泛推广。

在遥远的英国赫特福德郡的南米姆斯服务站，这里的人们可以通过向Ecotricity公司申请一张磁条卡来给自己的电动汽车充电。这意味着电动汽车不再因其蓄电池电量有限而导致行驶范围被限制。Ecotricity公司的创始人文斯认为，目前充电站总是选在像伦敦这样的大城市，然而，电动汽车在城市内部这种短距离出行时对充电的需求并不高，真正有充电需求的在城际高速公路上。英国政府现在致力于在国内所有的高速路段服务区建设太阳能电动汽车充电站，这一举措将大大减少碳排放。

在东莞新奥燃气有限公司，有些特殊的“停车棚”，他的外观跟普通的停车棚并无明显差距，但其顶面是由太阳能电池板组成的，周围还设有充电桩，这些“停车棚”不仅可以为电动汽车遮风挡雨，还可以在任何天气条件下发电，剩余的电量还可以传送到电网，用于公共区域的照明服务。

图1-1新奥燃气太阳能充电站

湖北襄樊在中国汽车经济的发展道路上是一个绕不开的城市，它不仅是中国汽车零部件的重要制造基地，还是国家火炬计划汽车动力与部件产业基地，襄樊正在积极探索新能源汽车发展道路，志在打造“新能源汽车城”。我国首座太阳能光伏智能充电桩就坐落于此，该充电站利用光伏逆变技术，产生了220伏的交流电，并直接用于给电动汽车充电，具有充电效率高，安全可靠零污染的优点。

图 1-2位于湖北襄樊的充电桩

在上海通用汽车园区，Sunlogics Green Zone太阳能充电站已经建成，这表明，通用汽车也在致力于电动汽车基础设施建设，为了推广其旗下雪佛兰沃兰达汽车，通用汽车计划将Sunlogics Green Zone太阳能充电站推广到全世界，以方便之后推出的电动汽车能够快速进入全球市场。

1.3本设计的主要内容

电动汽车充电桩的建设是促进电动汽车发展的重要环节，为电动汽车的发展提供了有力保障。本设计的主要研究对象是小型电动汽车太阳能辅助充电桩。首先应查阅关于太阳能辅助充电桩工作过程中的充放电原理、软件设计以及外观设计的文献，追踪国内外研究现状，学习电动汽车充电桩的功能和主要充电方式，研究电动汽车光伏充电桩的工作原理，提出整篇设计的思路和整体的设计方案，然后再根据不同种类光伏电池的特点，选择合适的光伏电池，并且进行光伏阵列的容量设计与选择，然后建立光伏阵列仿真模型并进行仿真，确定温度和光照强度对光伏阵列的输出特性的影响，接下来是对太阳能辅助充电桩的软件进行设计，先研究其工作流程，再进行MPPT程序的设计和通信系统的设计，最后进行太阳能辅助充电桩的外观设计。

第二章 充电桩的工作原理及研究现状

2.1电动汽车充电桩

2.1.1电动汽车充电桩的功能

电动汽车充电桩主要分为直流充电桩、交流充电桩和交直流一体充电桩，是一种快速为电动汽车车载蓄电池充电的装置，同时具有相应的通信、计时、计费和安全防护等功能，其中，太阳能辅助充电桩可以通过光伏发电技术将太阳能转化为电能，并将其储存在蓄电池中，进而转移到电动汽车车载蓄电池中。

充电桩一般安装在公共场所的地面或者墙壁上，通过特定的充电卡或智能手机扫码等方式来识别账户，并由消费者进行充电方式的选择、充电时间的设定、收据打印等操作，同时，消费者还可以通过充电桩的显示屏获知充电量、充电费用以及充电时间等信息。

电动汽车充电桩应配备后台管理系统，随时上传充电数据或者设备故障信息，方便技术人员及时分析数据，对充电策略进行调整，并及时解决设备故障，避免对消费者造成不便；在充电方式方面，电动汽车充电桩一般会提供普通充电和应急充电两种充电方式，应急充电方式需要时间较短，可以实现“快充”，人们有急事时一般会选择快充，以实现快速出行，但这种充电方式对电网负载较高，因此收费也比较高，普通充电方式下，充电桩一般是作为电动汽车车载充电机的电源来发挥作用。充电桩的各种功能及指标如表2-1所示。

表2-1充电桩的功能与指标^[21]

2.1.2电动汽车充电桩安装地点的选择

电动汽车充电桩一般会安装在公共停车场，大型购物中心，高速公路服务区，居住小区，单位，写字楼等地点。公共停车场所在的位置一般交通比较方便，非常适合安装电动汽车充电桩；在大型购物广场安装充电桩可以让车主在购物时给自己的电动汽车充电；高速公路服务区里的充电桩可以为电动汽车的长途行驶提供支持，也可以打消人们对于电动汽车续航问题的担忧，有利于电动汽车产业的发展；居住小区时最接近人们的区域，在小区内安装充电桩可以给电动汽车车主提供最大程度的便利。

本文所设计的是太阳能辅助充电桩，对于安装地点的要求更多，在尽可能为消费者提供便利的同时，还应在光照充足的地方安装，以充分发挥光伏电池板的效能。

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