为我的房车升级“太阳能-铁锂电池系统”

❀ 撰文 | 万进

༺༒ 引子 ༒༻

  这几年,我那辆自己DIY的小房车(RV)【点击进入】载着我们一家转遍了北美各地,立下汗马功劳。

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  当初在改装为RV时,因事项繁杂,所以辅助供电系统采用一个简单可靠的方案,即“100Ah铅酸蓄电池+行车充电”。它一直为我们提供野外生活用电,包括做饭洗澡。
  毕竟铅酸电池寿命所限,一般三年也就需要更换了。既然更换,何不乘机升个级,增加容量,提升寿命。
  听说铁锂电池不错。研究了半天,主要纠结在到底能不能继续采用行车充电方式,各种说法莫衷一是。最后下定决心,再上个太阳能板。于是就有了这次的新升级。

  目标定下了,各种选型还是破费周章。不管看了多少个他人做得方案,轮到自己,这番周折也少不了。
  不啰嗦了,直接上我的实施方案。

༺༒1 · 太阳能板༒༻

  太阳能板技术已比较成熟,可选择的产品、品牌很多,价格相差不大。经测量,我的车顶能安装4块100W的板子,即使挤一挤,最多也就6块。因为用量不多,我选择用大品牌的Renogy,4块100W单晶硅板。单晶硅效能比多晶硅略好。

  顺便说一下,还有种柔性太阳能薄膜可供选择,好处是能与车顶贴合得较好,可以做得比较美观,但有个缺点,散热效果稍差。

太阳能电池板

  太阳能板并不能直接为蓄电池充电,需配备一块控制器。控制器主要分两类:

  • 老式的 PWM (脉冲宽度调制,Pulse Width Modulation),便宜,转化效率低;
  • 新型的 MPPT (“最大功率点跟踪”,Maximum Power Point Tracking),效能高,较贵。

  Renogy也出控制器,可惜在Amazon.com上的用户评价不高。我选择了口碑更好的EPEVER牌MPPT。

  MPPT选型中还涉及到一个重要参数——最大负载电流。连接的太阳能板越多,要求的负载电流也越大。书上说的比较复杂,大致给个经验值吧:100W太阳能板在夏季最大电流不超过6~7安培,每天最大发电量约0.5度。4块100W太阳能板总电流不超过30A,每天发电量约2度。因此,我选择了40A的MPPT。稍微留了点儿余地,假如将来想再增加一二块太阳能板呢。

太阳能控制器MPPT

  接下来是如何把太阳能板安装到车顶上。方案设计考虑了很久,涉及诸多因素,防水、牢靠、维修方便、可拆改、经济等等。厂家自带的方案是用几个自攻螺丝钉在车顶上。我不认为是个好方案,它应该适合用在地面或屋顶等固定不动的场合。安装在车顶的太阳能板必须经得起经年累月的颠簸震动,所有在车顶上钻的孔,必须具有极好的防水防漏性能。

太阳能板施工示意图

  最终确定的安装方案如上图。拆除车顶内部的所有装饰,露出车顶薄钢板。按设计方案,经精确计算测量,在车顶前、中、后分三排,每排左右各钻一个孔,下方衬以1.5英寸方木条,用不锈钢螺丝、螺母、垫片及橡胶垫片固定。橡胶垫片加硅胶以防水。不锈钢螺丝规格为5/16英寸粗(强度),4英寸长,保证在车顶上方富余1.5英寸以上。以此为太阳能板支架的【安装基座】

  用两根1英寸方型铝管做支架,4块太阳能板平行固定在支架上。然后整体固定在上述三排不锈钢螺丝构成的安装基座上。

  这种方案的好处是,1)、衬木条可以确保即使再大的风,也不会拔起螺丝撕裂车顶而脱出,虽然我的车顶钢板很强。2)、太阳能板连同支架可一起拆卸、安装,不破坏防水,便于维修,或者将来添加太阳能板。
  实际安装效果如下图。

车顶太阳能板实图

  4块太阳能板线路并联后穿过车顶引入车内。穿孔处做防水,并加保护罩。经40A熔断器接入MPPT。熔断器装在MPPT旁边,可兼作切断太阳能板的开关。

༺༒2 · 方案一༒༻

  基于我原来的电路系统,新的完整电路图如下。

太阳能板+铁锂电池发供电系统接线图

方案一
  • 4组3.2V 200Ah铁锂电池串联,在电池管理器BMS的控制下,构成12V 200Ah铁锂电池组。
  • 4块太阳能板经控制器MPPT为铁锂电池组充电,其中MPPT带温度传感器监测电池的温度。
  • 铁锂电池组通过总控开关和保险丝为房车的生活区供电。
  • 增加了一块多功能电池监测表,可监测电压、电流、功率、电量等参数。为此在电池组负极上接入了一个300A分流器(Shunt)。
铁锂电池箱

  几乎所有组件都是通过电商购买的,而且多是“Made in China”,虽然有的是国际品牌。其中铁锂电池组、BMS是通过阿里“全球速卖通(Aliexpress)”购买的,铁锂电池便宜很多,相中的达锂BMS在Amazon.com没有销售。不过全球速卖通递送速度特慢,一般要好几个月,而且退换货很不方便。

  购前看网上的图片,一直担心BMS那么细的电线,到底能不能承载200A的电流。拿到手后发现做工真的很扎实,份量很沉,质量很棒的样子。

铁锂电池控制器(BMS)

༺༒3 · 存在的问题༒༻

  从动念头到全做完,前后花了约半年多的时间,主要是购买BMS、电池等,共等待了五个多月,其中有新冠疫情导致国际物流迟缓的因素。

  料备齐了,几天时间升级工程就完工了。正式启用前,得做好负载测试。

  我的房车中有多项大功率电器,包括压力锅、咖啡壶、微波炉等,最大功率的是淋浴用的热水器,1440W。另外还有功率不大的电冰箱、电风扇、音响等。

  根据以往使用经验,发热是供电系统的主要问题,也是测试的重点。

  经测试,整套系统各项性能指标完全满足要求,电池体温度升幅不大,BMS接线桩最大温度≤90℃。


然鹅……

  • 问题:实际使用中,发现大负载时逆变器发出低压蜂鸣报警。排查原因过程中发现,在负载仅为压力锅(900W)时, BMS散热外壳温度轻松飙升至130 ℃ 以上。逐步连带BMS接线桩温升,其它各处温升较小。
  • 思路:1)用铜管自制散热片,效果不佳,放弃。2)增加温控散热风扇。
  • 实施:2只120x120x25mm 12V散热风扇,置于BMS主发热区(靠近接线桩一端)上下,采用温控开关控制风扇启停。实际照片如下图。
  • 测试环境:室外,气温12℃,无风。200Ah LFP电池满充。负载为经逆变器带动压力锅做4杯米饭,功率900W。
  • 小结:1)、风扇散热效果显著。观察到的最高温度为72℃。
    2)、BMS压降严重!!!导致逆变器低压报警,甚至无法使用,需研究解决。

  经咨询BMS生产厂客服,检测BMS内阻,发现已经损坏。虽然是新买的,但在Aliexpress上很难退换货。

  怎么办啊?欲哭。

༺༒4 · 方案二༒༻

  200A的BMS约$130美刀,就这么丢了,心疼啊。能不能有个可行有省钱的方法呢?

  还真想出了个解决方案,经咨询厂商技术员确认,行!只需再花$18在Amazon.com上买了个30A的BMS即可。

  为什么能行呢?

  简述一下原理。BMS的作用是什么啊,对铁锂电池进行充放电保护,当电池充满后不再充电,防止过充;放电时,当电池电压较低时,自动切断,防止过放。另外对充放电电流进行管控。传统思路是同一块BMS同时管理过充与过放,所以为达到200A放电能力,就得用200A的BMS。

  如果把充放电保护分开管理,那不就行了嘛。

  • 大电流放电设备实际只有一个,即3000W逆变器。热水器等大功率电器都是通过逆变器取电。而逆变器本身就具有低压保护功能,当电池电压低于10V时,自动切断。因此逆变器可直接连接电池。
  • 而太阳能板的最大充电电流小于30A,因此使用30A的BMS即可。这个BMS还支持最大60A的放电电流管理,为车内所有12V电器提供电力,它们的总电流远小于60A,正好。

基于以上思路,设计新的接线方案二,如下图。

方案二:接线图
方案二:实图1
方案二:实图2
  • 电池组用阻燃胶布包裹,并用经阻燃处理的木框架固定、保护。
  • 电池正极上接200A保险丝,起过流保护。该保险丝极易发热,特意为其添加了一个温控器和散热风扇。
  • 正极再经总开关,接逆变器正极(红色粗线、标红黑色粗线),并接入控制面板里的12V DC分配器(保险丝盒)。
  • 电池负极经分流器后同时接入逆变器负极(黑色粗电缆)、BMS的B-极(蓝线)。
  • BMS的P-极接地,作为所有12V DC电器、MPPT的公共负极。
  • 对电池的其他测量包括:1)电池的实际电压(不受BMS降压影响);2)用分流器(Shunt)实际监测电池的电流(可惜实际发现误差很大);3)BMS和MPPT分别对电池体温度的监测。
  • 以上为整个电池组及其控制模块,放置在逆变器下方,便于维护。

实际测试:

  • 发热测试:实际大负载(1500W)、长时(>30分钟)用电,实测电流达到130A,除200A保险丝外,其他温度均无显著变化。保险丝在散热风扇加持下,最高温度可根据需要控制在60℃(140℉)以下。此温度阈值应设置得高于夏季车内可能的最高温度,否则将导致散热风扇不停转动。
  • 过压保护:电池常规电压为13.2V。实际观察,充满时可达14.6V(每个电池体3.65V,符合电池技术规范),此时充电电流降为0A,起到保护作用。
  • 低压保护:电池电压低于10V时,逆变器停。BMS同时起到保护作用。
  • BMS压降:实际观察,新BMS压降基本为0,说明BMS工作正常。

为此还设计制作了新总控制面板,如下图。

  400W太阳能板在晴天大约每天能发2度电,大致能把铁锂电池充满。即使长期出门在外,辅助以丙烷气炒菜,电量应该能完全满足使用。

好了,可以说走就走了。

¤ 2020年10月16日 于宾州·绿堡
¤ 2021年2月22日 修改并补充方案2

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