❀ 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。
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。
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。
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。
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)。
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。
༺༒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。
- 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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