戴丽君 南京铁道职业技术学院

陈 宸 中国铁路上海局集团有限公司南京供电段

洒水车是保障城市清洁，控制大气污染，提升空气质量的重要工具，传统的洒水车使用燃油，在保护环境的同时，也排放了相应的汽车尾气，且效率低、功能单一，存在缺憾。太阳能取之不尽，用之不竭，若能将其与洒水车有机结合，则可提供移动的绿色动力能源，完成洒水车各项功能需求。

本文就是基于光伏发电和混合动力系统，把太阳能技术与多功能洒水车有机结合与应用，研发一种以太阳能为动力源的多功能洒水车，以智能充电系统，保障太阳能充电的可靠性和可用性，同时利用太阳能最大功率点跟踪技术（MPPT）提高光伏发电的利用率。

1 太阳能洒水车总体构思

洒水车是移动的专用市政设施，其完成各项功能需要相应的动力能源供给，太阳能发电是一种新兴的可再生能源，将其应用于洒水车的动力，利用洒水车在室外工作、采集太阳能非常便捷等特点，非常契合功能需求和政策要求。

1.1 多功能洒水车的构成要素

图1 多功能洒水车构成要素示意图

研发一种多功能洒水车其主要构成如图1所示。旋转装置上设有支撑柱，支撑柱上设有太阳能电池板以及太阳能跟踪器，储水箱后部还设有注水管和排污管，分流器分别与增压泵和喷头相连，洒水车的蓄电池组上设有逆变器，逆变器连接着驾驶室中的控制器，控制太阳能跟踪器，洒水车内部设有水泵，水泵与分流器相连。喷头是呈对称状设置在分流器两侧，洒水车前端设有洒水架，洒水车下端设有侧喷头，洒水车储水箱后端还设有人工出水接口，注水管和排污管上分别设有第一阀门和第二阀门。

1.2 洒水车的功能

（1）具有一般洒水车的基本功能。如：地面洒水降温，清扫地面，消防作业等。

（2）承担热水车的功能。本洒水车具有很好的保温性和加热能力。

（3）替代园林绿化车，浇溉绿地和小型园林场所。

（4）进行农业灌溉。洒水车工作时，其他各处喷头停止工作，仅通过洒水车尾部设的人工接口出水，将喷头与人工接口连接，可方便进行农业灌溉。

2 动力及控制系统

本洒水车采用的是并联式混合动力系统，油箱和蓄电池分别给传动装置提供动力，驱动洒水车。混合动力的部分电能是由太阳光照射太阳能电池板，产生光电效应，将太阳能转化为电能，利用转换的电能或蓄电池内的电能，带动电动汽车所有设备正常运行。

2.1 智能充电系统

2.1.1 太阳能混合动力汽车的电源系统

为了保证混合动力汽车供电时的总线电压稳定在一定范围内，通过三个步骤：（1）对当前的电流进行电压采样；（2）对误差进行放大；（3）通过滞环控制电路，保证总线电压的稳定范围。即通过一个差分放大电路，得到蓄电池两端的电压，然后再与设定的蓄电池电压进行比较，最终输出一个控制信号，控制充电电流的大小，最终保证蓄电池正常充电。如图2所示。

图2 蓄电池电压检测控制电路

2.1.2 智能充电系统电路的设计

将太阳能电池板内的电能通过 转换电路将信号转换为数字信号，引入 升压变换电路，它可以将输入电压升高，得到一个足以使负载运行的输出电压。如图3所示。

图3 系统结构示意图

2.2 MPPT-最大功率点跟踪

将MPPT技术应用在降压控制器上，将太阳能电池板电压输入到控制器，经过降压恒压恒流模块输出给蓄电池，和车顶的旋转装置配合使用，可使洒水车不管行驶到什么位置，太阳能电池板都能面朝太阳，便于更好接受太阳能。

最大功率点跟踪通过对电流、电压、功率进行干扰，从而使得当前的工作点向最优工作点靠拢，采用干扰观察法，即用一个很小的电压变化量对光伏电池工作电压进行调节和扰动，使其工作可以保持在最大功率点附近。太阳能跟踪器原理图如图4所示。

图4 太阳能跟踪器原理图

在对MPPT系统进行控制时，首先确定出太阳能电池工作在最大功率点，然后将太阳能电池对蓄电池充电时的电流进行必要的调整或改变，从而使得太阳能电池的输出电压始终稳定在上阶段得到的输出电压。这样的选择对自行改变并调节太阳能电池板当前的工作电压，保证工作在最大功率点处，同时大大提高了太阳能电池板的发电功率。

2.3 光伏电池的选型

选择光伏电池的类型，需要先计算出光伏电池阵列的输出功率，其计算公式为

式中:

Kv--开关损耗系数，取1.1

Kl--负载线路的损耗修正系数，取1.1

W--负载的日平均功率

ηw--蓄电池的DOD值取50%，ηw取95%

Hpv--选取的参考点的光照充足，取6 h

根据计算出的光伏阵列输出的功率和罐体上能安装的最大太阳能电池板面积，选择太阳能电池板型号为CS6P20-250，输出功率为250 W。根据罐体和太阳能电池板尺寸，确定安装的太阳能电池板数量，如达不到负载的日平均功率，可设计外加蓄电池来提供额外电能供给负载。

2.4 蓄电池的选型和电池组的设计

蓄电池是一种将化学能转化为电能的装置。根据各类电池的性能和环保性，选择镍氢电蓄电池。考虑环境温度、放电率、负载线路损耗、蓄电池放电转换效率的影响，修正的蓄电池容量公式为：

式中：

C--修正后的蓄电池容量（A/H）

L--蓄电池容量的修正系数取1.1

d--自给天数，取3 d

β∧--修正后蓄电池的最大放电深度，取50%

ηA--蓄电池充放电转换率，取90%

2.5 混合动力驱动

本洒水车采用的是并联式混合动力系统，油箱和蓄电池分别给传动装置提供动力，驱动洒水车，其中油箱和内燃机为液流连接，蓄电池与功率转换器间为电力连接，功率转换器与电动机之间也是电力连接，其中蓄电池通过功率转换器升压给电动机。如图5所示。

图5 并联式混合动力系统

具体的混合动力系统结构如图6所示。

图6 动力系统的结构

蓄电池通过逆变器将直流电变为交流电送给电动机，发动机通过动力分配装置与电动机连接，给车轮传动装置提供动力，也连接着减速器，提高安全性。

2.6 高压安全系统

洒水车的混合动力系统，采用的是第二代蓄电池组，蓄电池组电压很高，可以达到274 V，所以为了安全考虑，对蓄电池组采取必要的措施：

一是所有的高压电源线与车身及底盘进行电气隔离，金属底盘不会对人造成漏电危险；同时，蓄电池组中的高压保险丝进行高压保护。

二是选择的蓄电池组为镍氢电池组。

三是高压蓄电池组两端的电源连接线是被额定电压为12 V的常开继电器控制，根据具体电压控制导通与否。当洒水车不工作时，常开继电器断开；当洒水车正常工作时，车内的短路故障监测系统，监测洒水车的高压电气系统对汽车底盘的泄漏状况。发生故障时，仪表盘上的主警告灯亮起，同时LCD上的混合动力报警灯亮；发生碰撞时，安全气囊弹出保护人身安全的情况下，常开继电器将断开，阻断蓄电池组电流的流动。如图7所示。

图7 高压安全系统

3 加热系统

3.1 陶瓷电加热管加热

3.1.1 陶瓷电加热管

陶瓷电加热管是由较好的陶瓷做基体，由质量较高的电热丝串烧而成的。利用电热丝流过电流发热的原理，其电热转化效率较高，温度升高快，而且耐腐蚀、耐高温、化学稳定性能较好。

3.1.2 陶瓷电加热管研制及分析

模拟实验装置如图8所示。

图8 模拟实验装置图

模拟实验选择的陶瓷电加热管长度为200 mm，内径为65 mm，外径为72 mm。陶瓷管采取竖立放置，上端为进油口，下端为出油口，其两侧接有接线端，由绝缘导线构成回路，并且通以工频交流电，隔离变压器的输出电压可根据温度由调压器选调。陶瓷管上下端都有水温表以及数字温度显示仪来显示其温度。入口经涡轮流量变送器到陶瓷管，或经传感器到达陶瓷管。

由实验证明，出水的温度随着加热功率的增加而升高，进水流量有所增大时，出水温度的升高量有所减小。陶瓷管的加热效果能够实现预期目标，并且具有较高的热效率。

3.2 智能控制系统

本洒水车是一款以89C51F310为核心芯片，具有水温、水位显示、自动报警、自动电加热等温控系统。

首先通过按键设置水箱的温度，对水温自动检测，如果高于设置温度且水位未达到最高位时，控制系统打开电磁阀进行上水，同时点亮上水指示灯，直到水箱内水温与设置温度一致时停止上水；如果低于设置温度时，系统控制电阻丝对水箱内的水进行加热，同时点亮加热指示灯。系统通过五个指示灯表示水箱内水的位置，当低于最低水位或高于最高水位时，会通过指示灯进行报警。具体的水温检测电路如图9所示。

图9 水温检测电路

水温检测电路采用DS18B20数字温度传感器，采用单总线技术。其优点：可以减少外界的干扰，还可提高测量精确度，测量范围广，可以通过程序将之设定为9～12位的分辨率，并且它的精确度可以达到±0.5℃，同时还能将需要测量的温度转化为串行数字信号给单片机处理。当出口加热管温度低于该装置设定的温度时，通过继电器开关使电阻丝加热，使出口温度达到装置的设定温度。

水位检测及预警电路能够实时监测水位，精确度高，智能化操作方便快捷，当水箱内的水低于最低水位或高于最高水位时，系统都会发出报警信号。具体检测及预警电路如图10所示。

图10 洒水车的水位检测电路

本洒水车的水位传感器使用5个铜铆钉作为它的电极，水位传感器的最下部电极作为它们的公共端，其它表示它们自身的水位高低，各个电极之间可以看成一个开关。要判断水箱中水位的大概位置，只需当水箱注入水时，水中的离子发生反应导电，使得开关接通，这时直流电压通过电阻以及接通的开关，把信号传送到装置的单片机的端口，就可得出结论；同时可由图中四个LED灯来显示水箱中水位的位置，该装置也可作为报警装置，当水箱中水位低于最低水位时，红色LED灯会发出报警信号。

4 结论及展望

本文研究了太阳能与多功能洒水车的结合与应用技术，提出了一款新型的多功能太阳能洒水车设计。在实际应用的起步阶段，洒水车是混合动力系统，或许主要的动力源仍是内燃机，蓄电池和太阳能电池板提供的电能作为辅助能源，主要还是供给洒水车内部设备的使用。考虑到洒水车日常工作时间较短，利用可插式充电模式可有效弥补能源消耗，在不工作时给蓄电池充电；同时，结合洒水车体量和形态特点，充分利用其有效面积，尽量多安装光伏板。事实上，在具体应用中，还可考虑利用洒水车制动时产生的再生能量对蓄电池进行充电。当前，太阳能应用和控制技术不断进步，利用效率逐步提升，太阳能的应用成本也逐步降低，相信本文研究的技术和成果一定有非常广阔的应用空间和推广价值。