一种基于无线电能传输的车载太阳能制冷装置的设计

摘 要：现阶段多数太阳能供电装置都采用导线作为导电回路。在汽车上使用太阳能供电装置时，若依旧使用导线作为导电回路，不可避免地需要对车身打孔，势必会对车体完整度造成一定损坏。随着无线电能传输技术的发展，将无线电能传输技术应用于该装置中，可以避免对车身进行打孔布线，从而保证车身的完整性。文章提出了一种基于无线电能传输的车载太阳能制冷装置，该装置利用太阳能作为车载制冷设备的能量来源，同时采用了无线电能传输技术实现能量传输，有效利用了清洁环保的太阳能，同时避免了对车身进行打孔布线，可以保证车身的完整性。

关键词：太阳能；无线电能传输；制冷装置

1 概述

随着社会经济的发展，能源危机的不断加剧以及人们对环境的关注，开发和利用新能源已成为当代社会的一大主题[1]。太阳能作为一种绿色环保的可再生能源，其应用领域日趋广泛。在汽车行业，由于当今社会对汽车尾气排放和能源利用效率低等问题的关注，清洁、环保和节能的新能源汽车已成为汽车工业发展的热点。随着技术的发展，太阳能在汽车行业的使用也越来越广泛。但是，就现有的技术而言，将太阳能作为汽车的全部动力源并不实际。因此，在考虑实际行车需求的情况下，将太阳能作为汽车空调系统的能量来源具有一定的可行性。

在夏季，为了保证安全，车主在停车后，一般关闭所有发电系统，停止车载制冷装置能量供给。这会造成停放于室外的汽车由于烈日的暴晒而使得车内温度升高，车内温度过高会令车主感到闷热难耐，降低车主用车舒适度。因此，针对在熄火停车后利用太阳能电池板发电为车载制冷设备供电具有较大意义，但是由于太阳能电池板置于车外，为了实现与车内制冷设备的电气连接，采用传统有线连接将不可避免地需要对车身打孔，损坏车体完整度，影响车体美观性。

近些年来，无线电能传能技术得到了迅速发展，其在交通运输、消费电子设备及医疗电子设备等相关领域得到了广泛应用[2]。该技术不依赖于有线的传输媒介，是一项具有划时代意义的技术。本文提出了一种基于无线电能传输的车载太阳能制冷装置，该装置利用太阳能作为车载制冷设备的能量来源，同时采用了无线电能传输技术实现能量传输，有效利用了清洁环保的太阳能，且避免了对车身进行打孔布线，可以保证车身的完整性。

2 总体方案设计

本文设计了一种基于无线电能传输的车载太阳能制冷装置，其组成结构如图1所示。安装于汽车顶部的柔性太阳能电池板将太阳能转化为直流电后在车外微处理器的控制下经过逆变设备逆变成高频交流电；高频交流电在发射能量的原边线圈产生高频交变磁场；交变磁场在安装于车内的拾取能量的副边线圈感应出同频交流电压，实现电能的无线传输。同时，车内整流设备将该高频交流电压整流为直流。无线通信装置接收控制命令，在车内微处理器和车外微处理器的控制下，整流设备变换后的直流电经过DC-DC变换器稳定地向车载制冷设备供电或向储能设备充电。

3 硬件设计

3.1 太阳能电池

常规太阳能电池板一般是两层玻璃中间填充EVA材料和电池片的结构，组件重量较重且不可弯曲，不仅不方便安装于汽车顶部，还会增加系统总重和增大汽车高速行驶时的风阻。故本装置选用半柔性单晶硅光伏板，其柔性的特点可使太阳能电池板紧紧贴合在车顶，减少安装流程，同时减小汽车行驶阻力。

3.2 无线电能传输模块

将无线电能传输技术应用于该车载太阳能制冷装置上，是本设计的创新点所在。根据能量传输过程中继能量形式的不同，无线电能传输可分为：磁场耦合式、电场耦合式、电磁辐射式和C械波耦合式[3]。本设计采用磁场耦合式，其电路拓扑如图2所示。逆变设备将太阳能电池板转化的直流电逆变成高频交流电加载到发射线圈，原边线圈在电源激励下产生高频磁场，副边线圈在此高频磁场作用下感应出同频交流电压，实现了无线电能传输。

3.3 整流和DC-DC变换电路

考虑到本次设计的车载制冷设备为直流供电制式，故需要将副边线圈感应的高频交流电整流为直流电，本装置采用二极管进行整流；同时为了实现对储能设备的恒压或者恒流充电以及对车载制冷设备的稳定供电，加装了DC-DC变换器[4-5]，并选取BUCK电路作为DC-DC变换电路。通过改变开关管V1驱动信号的占空比即可改变BUCK电路输出的电压，微处理器实时采集输出电压值与设定值比较，通过闭环控制改变占空比实现输出恒定。整流和DC-DC变换电路原理如图3所示。

4 系统功能分析

为了充分利用太阳能，实现能量高效利用，本装置对能量进行管理。设有三种模式：①太阳能电池板转化的直流电能通过DC-DC变换器向储能设备充电；②太阳能电池板转化的直流电能通过DC-DC变换器向车载制冷设备供电；③储能设备向车载制冷设备供电。如图4所示。

当光照充足，车主可选择系统工作在①或②模式；若光照不足，可以使用储能设备向车载制冷设备供电，即模式③。三种工作模式可以通过能量管理系统实现自动切换，具有较好的用户体验。为了更方便车主远程控制装置，装置设有无线通信模块，车主可以通过手机向无线通信模块发送控制命令，使系统工作或者关闭。同时，该装置设有液晶屏显示模块，可以让车主方便了解时间、车内温度、储能设备剩余电量情况及工作状态等信息，从而进行合理调控。

5 结束语

本文设计了一种基于无线电能传输的车载太阳能制冷装置，创造性地将无线传能技术应用于该系统，避免对车体打孔布线，保证车身整体性。车主可通过手机向车内无线通信设备发送命令，利用太阳能或储能设备继续为车载制冷设备进行供电，避免了怠速停车时启用空调对车体机能的损伤，实现在烈日停车下车内依旧能够保持舒适的温度，具有较好的用户体验。同时，该装置采用车内能量管理系统，能够最大程度地利用太阳能，减少燃油消耗，起到节能环保的作用。

参考文献

[1]闫云飞，张智恩，张力，等.太阳能利用技术及其应用[J].太阳能学报，2012，33（增刊）：47-56.

[2]范兴明，莫小勇，张鑫.无线电能传输技术的研究现状与应用[J].中国电机工程学报，2015，35（10）：2584-2600.

[3]黄学良，谭林林，陈中，等.无线电能传输技术研究与应用综述[J].电工技术学报，2013，28（10）：1-11.

[4]钟长艺.电动车车载光伏发电系统的研究与设计[D].广州：华南理工大学，2011.

[5]海涛，朱浩，石磊，等.一种带MPPT的车载太阳能充电系统设计[J].可再生能源，2015，33（01）：21-26.

作者简介：霍彪（1999-），男，高中生，就读于北京市第一五六中学。