白有俊，刘世豪，王军年，郑 艳

（1.海南经贸职业技术学院机电与汽车工程学院，海南海口571127；2.海南大学机电工程学院，海南海口570228；3.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，吉林长春130022）

2018年4月，海南宣布在2030年前初步考虑全岛使用清洁能源汽车；7 月26 日，工信部与海南省政府签订协议，支持海南全域推广清洁汽车应用及相关产业发展，建设“国家级新能源汽车全域应用示范区”［1］。2019 年 3 月 4 日，海南省政府印发《海南省清洁能源汽车发展规划》，指出旅游客车领域，从2020 年起新增和更换车辆使用清洁能源汽车比例不低于20%，每年递增20%，在2024 年起达到100%［2-3］。据海南省道路运输局统计数据，截至2019 年1 月，海南省已有道路旅游客车4 799 辆，但仍以柴油客车为主，33~38 座居多。因此，大力发展清洁能源客车是未来几年海南旅游产业的主要任务。

2018 年，党中央、国务院决定支持海南全岛建设自由贸易试验区。2019年4月29日，海南省印发《海南省电动汽车充电基础设施规划（2019—2030）》［3］，将进一步发展和完善电动汽车充电配套设施，在公路沿线、小区、停车场及生态功能区等配套建设城市公共充换电站。充电站的完善将为纯电动汽车的发展提供有力保障。另外，海南省地处亚热带和热带地区，空气质量好、风景优美、气候独特，2016—2019年每年接待国内游客总人数分别为6 023.6 万、6 745.1 万、7 627.39 万、8 311.2 万人次。此外，海南省阳光穿透性好，太阳能辐射量较高，具有较好的太阳能资源区域应用优势。因此，在海南开发应用太阳能辅助纯电动旅游客车具有良好的前景和绿色环保示范效应。

日本丰田研制的新款普锐斯太阳能辅助充电车，在车顶、发动机盖及后尾门处的光伏太阳能电池板采用转化率为34%的砷化镓太阳能电池，电池薄膜厚度约0.03 mm，理想晴天充电可以使该车辆续航里程约44 km；德国、荷兰等也在研制太阳能辅助电动车，这些车辆都在测试阶段。据报道，全球首款搭载太阳能充电系统的量产车型——2020 款现代索纳塔Hybrid 已经在韩国本土正式上市，但是，日均充电增加的续航里程约为3.6 km。国外还有一些车辆使用太阳能天窗为鼓风机提供电力，用于降低车内温度。我国2016 年生产一批以太阳能为辅助能源的“电气”新能源公交车，既可加天然气，也可用充电桩充电，还可吸收太阳能为车辆辅助充电；广汽新能源Aion S 采用太阳能车顶为车内部分电控设备供电。太阳能电池板需要考虑地理位置、日照时间、阳光入射角度转化效率、厚度、经济性等多种因素。Assadian等［4］在2016 年设计的柔性太阳能电池为公交车辅助充电，可节约直接成本和来自电网充电的成本，并减少电池放电率和最大放电百分比。王鑫恫等［5］设计的轮毂电机驱动太阳能电动车增加了一定的续航里程。此外，还有一些设计的太阳能辅助电动观光车、混合动力汽车等。

通过上述文献分析可见，匹配太阳能光伏电池可以一定程度上改善电动汽车续驶里程。但是，通过参数设计在整车质量增加与续航里程之间取得平衡，尤其是对于路线相对固定的旅游用途客车的参数匹配介绍的并不多。为此，通过海南旅游线路及客车需求分析，以我国热带地区海南省纯电动旅游客车作为研究对象，针对在车顶部增设太阳能辅助充电的某大型纯电动旅游客车，进行动力系统和能源系统匹配设计，运用Advisor 和Matlab 软件进行仿真验证，并通过纯电动客车和配备太阳能辅助系统纯电动客车对比分析，验证其性能改善效果，为开放和应用海南旅游纯电动客车及太阳能辅助系统提供一定的参考依据。

1 海南团队环岛游及太阳能情况调研分析

1.1 海南团队环岛游客车行驶距离和停车时间

根据对海南某旅行社调研，目前海南省团队旅游以3 d 环岛游为主，行驶线路主要为海口和三亚之间往返的G98 东线高速公路。具体行驶距离和停车时间如表1所示。

表1 海南岛3 d环岛游客车行驶距离和停车时间Tab.1 Driving distance and parking time of tourist cars around Hainan Island for three days

表1 为3 d 经典游统计，景点和时间会根据每月情况进行调整，整体变动不大，对车辆需求影响较小。

海口到三亚高速公路长度为272 km，考虑增加到景区的距离等情况，把续航里程定为360 km，要求整车续航里程以满足白天不换电、不充电情况下正常使用。目前国内市面上销售的纯电动客车较少，电动汽车的电池容量决定着续航里程，电池又是电动汽车最贵的3 个部件之一，因此，高续航里程的电动客车价格高。为了降低车辆购买成本，以满足使用，本文通过分析海南旅游客车行驶距离和停车时间的实际情况，结合假定海南省在所有景点停车场、酒店等配套完善换电或快速充电设施，根据表1统计数据，取最长距离为151 km的陵水—定安，在酒店、景区、餐厅等地进行及时充电或者换电。考虑电池的实际情况，为了保险起见，旅游电动客车满载续航里程达到180 km 以上即可满足团队旅游的需求。

1.2 海南团队环岛游地区太阳能辐射情况

海南省年平均太阳能总辐射量为4 600~5 800 MJ/m2，年平均日照时数为 2 166 h［6］。根据文献［7］整理出海口、琼海、三亚的月平均太阳辐射量，如表2所示。

表2 海口、琼海、三亚的月平均太阳辐射量Tab.2 Monthly average solar radiation in Haikou，Qionghai and Sanya MJ/m2

海南岛南部比北部年太阳辐射总量大，2 月是月平均辐射量最低的月份，但此时也正为海南岛旅游旺季。为了更加客观真实地反映出太阳能发电量，本文选取2 月份的日太阳能辐射量Qmin和年平均日太阳辐射量Qavg进行计算及对比。受车辆一直在南下或北上行驶影响，分别计算出3 d 的辐射量，具体按在白天所在地区行驶和景点停留时长比例的简略算法计算。

海南的日辐射量受阴雨天气等影响，太阳能日辐射量时高时低［8］，太阳能电池受温度、直射角等影响，会出现个别日太阳能发电量较低的情况。为保证具有足够的续航里程，太阳能只作为汽车辅助充电和应用。

2 太阳能辅助纯电动旅游客车的组成和要求

2.1 太阳能辅助纯电动旅游客车整车参数

本文以某38 座纯电动旅游客车为研究对象，基本参数如表3所示。

表3 某38座纯电动旅游客车参数Tab.3 Parameters of a 38 seat pure electric tourist bus

2.2 太阳能辅助纯电动旅游客车动力系统组成

太阳能辅助纯电动旅游客车在车顶安装太阳能薄膜电池，使用最大功率点跟踪器控制系统，为动力电池辅助充电。当电池满电时，为鼓风机提供电力，降低客车车内温度，同时设置开关。其他部分由动力电池、电机、传动机构、直流/交流逆变器、电源管理系统、车辆控制系统、能量回收系统和智能空调系统等组成，各控制系统之间使用CAN 总线连接。动力电池和太阳能电池主要采用市面上销售的、成本相对低的类型，因此，采用磷酸铁锂（LiFePO4）动力电池，太阳能电池采用厚2 mm 的单晶硅半柔性太阳能板，每m2的质量约为3 kg。图1是车型结构简图。

图1 电动旅游客车结构Fig.1 Structure diagram of electric tourist bus

3 动力系统和能源系统设定匹配

3.1 客车动力性能指标

根据海南岛团队环岛游旅游客车使用要求，确定所需设计车辆的动力性能指标，如表4所示。

表4 太阳能辅助纯电动旅游客车性能指标要求Tab.4 Performance index requirements of solar assisted pure electric tourist bus

3.2 驱动电机的参数匹配确定

3.2.1 驱动电机的功率

电动汽车的动力功率由达到最高速度时所需的功率Pmax1、能够满足爬坡度时所需的功率Pmax2和在加速性能所需的功率Pmax3来确定［9］，单位为kW，公式如下：

式中：Ptotal为车辆设计满足各项要求的最大功率，kW；Cd为空气阻力系数；vmax为最高车速，vi为爬坡时的车速，vt为加速过车末速度，km/h；f为道路滚动阻力系数；A为电动客车的迎风面积，m2；ηt是整车机械传递效率；α为最大爬坡角，（°）；δ为汽车旋转质量转换系数；T为加速时间，s。

通过计算得Pmax=432 kW，因此，确定出电机的峰值功率Ptotal=460 kW。电机的额定功率Pd和峰值功率的关系如下［10］：

式中：λ为电机的过载系数，取值2~3；Pd为额定功率，值的范围为154~230 kW，此处选定为230 kW。

3.2.2 驱动电机的转速

驱动电机输出轴与主减速器直接相连，电动机最高转速和主减速器速比的选择首先应满足车辆最高行驶速度要求［11］：

式中：r为轮胎半径，m；nmax为电动机最高转速，r/min；i0为主减速器速比（取6.837）。

通过计算得最高转速nmax≥3 792.01 r/min，选定5 000 r/min。符合最高转速≤6 000 r/min 的低速电机，适用于纯电动客车的需求［10］。根据常用车速60 km/h 计算出额定转速nd为2 287.19 r/min，因此，取额定转速2 300 r/min。

3.2.3 电机的扭矩

式中：额定扭矩TMd为1 081.5 N·m；最大扭矩TMmax为2 387.8 N·m。

3.3 太阳能电池发电量

式中：φ为日平均太阳能辐射量，MJ/m2；ηs为太阳能电池转化率；S为太阳能电池面积，m2；Wt为日均发电量，kW·h。

环岛游3 d 的地点不同，根据旅行时间所在地点计算出3 d 的日均发电量。表5 是根据太阳辐射量全年最低的2 月份和年日平均辐射量下的日发电量。

表5 环岛游情况下的2月份日均发电和全年日平均发电量Tab.5 The average daily power generation in February and the average daily power generation in the whole year in the case of tourism around the island kW·h

3.4 动力电池的参数匹配确定

由于客车是服务旅游的，在保证安全和规定的情况下尽可能地节约行车时间，才能提高游客满意度。客车行驶道路主要是高速公路，速度一般在100 km/h；其次是在景区、宾馆等往返，速度一般在60 km/h。因此，按常用的速度100 km/h 计算，同时动力电池容量要在满载重量下计算：

式中：W为电池容量，kW·h；L为续航里程，km。

通过计算可知，动力电池容量为225.6 kW·h，荷电状态（State of Charge，SOC）估计精度修正参数取90%，因此，电池容量为250.7 kW·h。

考虑海南温度情况，全年基本上需要运行空调制冷。电动客车空调的额定功率为4.32 kW［12］，按当天空调需用电量为38.88 kW·h。受太阳日辐射量影响，据文献［6］海南日最低辐射量存在为0，因此，太阳能辅助发电不能作为续航里程电池总容量设计，带空调运行、满载的电动旅游客车电池容量应大于289.58 kW·h。基于放电情况以及电池衰减等，确定电池容量为300 kW·h。

4 仿真分析

为了验证纯电动客车动力总成和续航里程是否达到要求，在Advisor中构建太阳能电池模块，修改电机等相关车辆参数，通过Advisor 和Matlab 软件进行仿真。仿真工况按国家标准（GB/T 18389—2017）的电动汽车能量消耗量测试的推荐工况CWTVC［13］。图 2 为 C-WTVC 循环工况曲线图，图 3为C-WTVC 循环工况电机转矩与时间关系图，图4为工况电机工作特性图，图5 为加速时间与车速关系图，图6 为爬坡度与车速关系图，表6 为2 月份日均发电和全年日平均发电量表，图7 为3 种情况下的SOC值与时间关系图。

图7 3种情况下的SOC值与时间关系图Fig.7 The relationship between SOC value and time（s）in three cases

表6 2月份日均发电和全年日平均发电量Tab.6 Average daily power generation in February and annual average daily power generation

图2 C-WTVC循环工况曲线图Fig.2 C-WTVC cycle condition curve

图3 C-WTVC循环工况电机转矩与时间关系图Fig.3 Relationship between motor torque and time under C-WTVC cycle condition

图4 C-WTVC循环工况电机工作特性图Fig.4 Working characteristic diagram of motor under C-WTVC cycle condition

图5 加速时间与车速关系图Fig.5 Acceleration time vs.vehicle speed

图6 爬坡度与车速关系图Fig.6 Relationship between gradient and speed

仿真结果显示：电动旅游客车的最大车速为131 km/h；0~50 km/h 加 速 时 间 为 7.4 s，0~100 km/h 加速时间为 27.3 s；最大爬坡度为 22.7°；满载开空调续航里程（未安装太阳能板）为231.9 km。结果表明，设计的海南电动旅游客车动力系统和续航里程都达到指标要求，性能较好，说明整车的动力系统和电池参数设计合理。

加装太阳能板的客车在全年最少太阳辐射量的2 月份日均增加续航里程3.43%，全年平均日均增加续航里程4.09%，太阳能板总质量约为66 kg，该质量引起的客车能量消耗将减少客车当日续航里程0.7 km。太阳能板全年可以发电6 854.7 kW·h。海口市、三亚市目前电动公交车充电服务费上限标准分别为0.65、0.80元（/kW·h），电费价格约为0.8元（/kW·h），太阳能辅助纯电动旅游客车每年的平均发电量可以节省费用约为9 939.3 元。太阳能板市面价格约为6 000 元左右，车企购买价格会更优惠。综合分析纯电动旅游客车配装太阳能辅助既能够增加续航里程，又能够产生经济效益，同时又可以实现低碳节能环保。

5 结论

通过调研分析海南省旅游客车固定运行线路和单次续驶时间等实际行驶工况需求，并结合海南省太阳能资源情况，通过计算出需求，对太阳能辅助纯电动旅游客车的动力系统和能源系统等进行了参数匹配计算，并结合基于Advisor/Matlab 搭建的整车动力学模型进行了整车动力性和续航里程仿真验证，结果表明：①太阳能辅助纯电动旅游客车整车的动力系统和电池参数设计合理，能够充分满足需求；②加装太阳能板后全年平均日增加电量6.13%，满载开空调情况下增加续航里程9.5 km，太阳能板增加满载开空调情况下续航里程的4.09%；③太阳能辅助纯电动旅游客车每年的平均发电量可以节省费用约为9 939.3 元，加装柔性太阳能板的价格可以控制在6 000 元以下，基本上在7.3 个月即可收回太阳能板的成本，此后，便可以产生更多的经济效益，安装太阳能板具有一定的经济价值。

太阳能辅助纯电动旅游客车设计在充换电设施配备任务完成的前提下，可以满足海南旅游市场燃油车辆更换为电动客车的需求，又增加了一定的续航里程，对海南发展清洁能源汽车具有较大意义。因此，本文可为研发者和汽车制造企业提供参考。随着太阳能薄膜电池的研究和技术发展以及电控系统智能化的升级，价格会逐步降低，转换效率也会逐渐提高，未来在电动汽车的应用会更加广泛。