電動汽車太陽能電源補充系統(tǒng)的研究

嘎日瑪蓋,趙 卉,李唯丹

(北京交通大學,北京 100044)

電動汽車太陽能電源補充系統(tǒng)的研究

嘎日瑪蓋,趙 卉,李唯丹

(北京交通大學,北京 100044)

主要研究太陽能電源補充系統(tǒng),將太陽能電源輸出電壓升壓至240 V,為蓄電池直接充電,并進行電池的自動維護。通過對蓄電池充電、太陽能電池板特性的一系列研究,設計、制作、調試出一套充電系統(tǒng)。重點研究太陽能不穩(wěn)定電壓的升壓變換及其利用最大化的實現(xiàn),充電電路的節(jié)能,電池充電和維護策略的優(yōu)化,方便電動汽車用戶電源管理方案設施。

電動汽車;太陽能;蓄電池充電;電力電子器件

0 引言

我國太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要選用的儲能裝置是具有可循環(huán)再充電、成本低廉、使用安全、無污染等優(yōu)點的密封式鉛酸蓄電池?？勺鳛樾铍姵氐难a充,并且起到了維護蓄電池的作用[1]。傳統(tǒng)的車載設施供電方式是直接從240 V動力電池降壓供給12 V蓄電池,但動力電池的電能對于電動車很珍貴,也會產生一定的損耗。本文提出的用太陽能電池板對車載12 V蓄電池供電的方案可以很大程度上節(jié)省動力電池的電能[2]。

本設計經過仿真及實驗調試,最終實現(xiàn)了穩(wěn)壓充電、過壓保護等功能。實驗結果包括:仿真結果、充電實驗數(shù)據(jù)和性能。

1 充電控制策略

電路性能指標參數(shù)見表1。

表1 電路性能指標參數(shù)

目前蓄電池的常規(guī)充電方法有恒流充電法、恒壓充電法、二階段充電法、三階段充電法等,其中三階段充電法相對較好,即在電池荷電量較小時進入恒流充電階段,當電壓上升至過充電壓時進入恒壓充電階段,當充電電流下降到低于浮充轉換電流時,進入浮充充電階段,充電電壓保持為浮充電壓。太陽能充電由于接受陽光照射的時間有限,而且不能保證陽光垂直照射太陽能電池板,因而其提供的能量可能無法滿足三階段充電法所需要的能量。為使太陽能電池板的能量得到充分利用,采用恒壓的方法給電池充電,即以一恒定電壓對蓄電池進行充電。在充電初期由于蓄電池電壓較低,充電電流很大;隨著蓄電池電壓的漸漸升高,電流逐漸減小;在充電末期只有很小的電流通過,這樣在充電過程中就不必調整電流。

2 硬件電路設計

為實現(xiàn)穩(wěn)壓充電的目標,本系統(tǒng)采用了單片機AT89S52為核心的控制電路,通過軟件實現(xiàn)控制策略;主電路采用降壓式變換 (BUCK)電路形式,以實現(xiàn)充電電路的節(jié)能和高效。控制電路采用脈寬調制PWM(Pulse Width Modulation)原理,以電力場效應管 (MOSFET)驅動,并設電流、電壓雙反饋對電路狀態(tài)進行檢測。為了縮短充電時間,利于實驗結果的獲得,也采用12 V,12 Ah的鉛蓄電池做充電實驗。

2.1 太陽能電池板

選用單晶硅光伏電池,其詳細資料如下:電池板規(guī)格為1 194×795×30mm,重量7.5 kg。

2.2 主電路設計

2.2.1 器件的選擇

a)BUCK電路輸出濾波電感的設計。

為了保證輸出電壓恒定,需要在輸出加濾波電容。電容值的大小主要由輸出紋波電壓和電感值決定。BUCK電路工作在電流連續(xù)模式時

本課題中取 ΔV o=2%V o=0.24 V,得 C=52.083μF。電容兩端的電壓等于蓄電池的電壓,最大為14.4 V。故本課題中選用耐壓為25 V,電容量為100μF的電容。

c)開關管的選擇。

本課題中流過開關管的最大電流為9.524 A,兩端承受的最大電壓為23 V。選擇型號為IRF150的MOSFET,其反向承受的最大電壓為100 V,最大輸出電流為40 A,最大功率為125 W,最大集電極電壓上升時間為t r=100 ns,最大集電極電流下降時間為tf=100 ns。

d)二極管的選擇。

流過二極管的平均電流為I D=I o(1-D)=6 A(式中I o為輸出電流,D為開關占空比),流過二極管的最大電流為12.9 A,兩端承受的最大電壓為23 V,選擇肖特基二極管MBR1545,其平均正向電流為15 A,正向浪涌電流為150 A,反向承受的最大電壓為45 V。

2.2.2 RC緩沖電路的設計

設計采用常用的RCD緩沖電路,緩沖電路跨接在MOSFET模塊兩端,吸收電路中快恢復二極管采用FR207。對快速MOSFET功率模塊來說,模塊中續(xù)流二極管的導通延時時間一般為幾十到幾百ns,因此要求吸收電路的快速二極管的延時時間更短,才能保證吸收電路正常投入工作,不然仍會出現(xiàn)危險的浪涌電壓。此外,在設計緩沖電路時,緩沖電路必須盡可能近地聯(lián)接到MOSFET模塊上。

2.3 控制電路設計

控制電路系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1 控制電路系統(tǒng)框圖

2.3.1 電量檢測電路

電壓檢測電路使用光耦隔離器件PC817,經過反饋后的輸入電壓及蓄電池電壓應為恒定,調節(jié)圖2所示電位器 R4,則輸入、輸出側電壓比改變,進而可調節(jié)蓄電池的目標電壓。電流檢測電路采用電流/電壓轉換芯片MAX472,借助其漂移、線性度等指標較理想且能適應大范圍大電流測量的特點可實現(xiàn)電流的高精度測量。

圖2 電壓檢測原理

2.3.2 PWM產生電路

PWM產生電路采用TL494芯片進行設計。TL494是典型的固定頻率脈寬調制控制集成電路,推挽/單端輸出,包含了開關電源控制電路所需的各種功能。在本設計中,單片機的輸出信號通過D/A轉換器輸入到芯片的比較器輸入端。設計C=10 nf,R=5 k,頻率 f osc=1.1/(RC)=20 kHz,采用輸出三極管射級輸出。

2.3.3 MOSFET驅動電路

功率MOSFET是電壓控制型器件,輸入阻抗為純容性,阻抗值很高,驅動時只需要對輸入電容充電或放電,所需驅動功率很小,驅動電路簡單,甚至可以用集成電路的輸出直接驅動。在本設計中采用日本東芝公司生產的專用集成驅動芯片TLP250來驅動功率MOSFET。TLP250是內部帶有光耦隔離的集成驅動芯片,絕緣電壓高達2 500 V。具有大電流圖騰柱式輸出,可以驅動較大功率的MOSFET。為了改善驅動脈沖的前后沿陡度和防止振蕩,需在柵極串聯(lián)電阻R2。由于功率MOSFET的開通和關斷是通過柵極電路的充放電來實現(xiàn)的,因此柵極電阻對功率MOSFET的動態(tài)特性將產生極大的影響。在本設計中,經過實驗和計算,最終選取柵極電阻即R2為11Ω,功率1/2W。為了限制TLP250輸出驅動電壓的幅值,防止驅動電壓過高造成功率MOSFET的損壞,在G與S之間并聯(lián)一個12 V穩(wěn)壓二極管V。為了防止功率MOSFET柵極開路工作,或因為驅動不良造成的器件損壞,在功率MOSFET的柵、源極之間并接了20 kΩ的電阻,即R3(見圖3)。

圖3 驅動電路

2.3.4 控制電路電源設計

控制電路由于要實現(xiàn)電氣隔離,兩個光耦隔離將電路隔離為兩部分,控制部分有光耦器件、A/D轉換器、單片機、D/A轉換器、顯示電路、放大器、PWM產生器,分別需要+12 V,-12 V,+5 V的電源電壓;主電路部分只有驅動芯片需要+12 V的電源,兩路電源互相隔離。

芯片電源可以由鉛蓄電池供給,因此采用3塊DC/DC模塊,分別將12 V鉛蓄電池轉為+12 V,+12 V/-12 V,+5 V。由于芯片供電不需要太大的電流,DC/DC模塊采用100mA規(guī)格。

3 軟件設計

以AT89S52單片機為核心的控制模塊的軟件開發(fā)主要包含信號采集,數(shù)據(jù)處理,控制信號輸出以及顯示器輸出等,本文只就本系統(tǒng)的核心部分——輸出電壓的檢測和控制信號的輸出部分作簡要闡述。

A/D轉換芯片采用 8位并行的 ADC0809芯片。根據(jù) A/D轉換器的時序,單片機采用一個I/O口提供A/D轉換的時鐘,每隔一段固定的時間向A/D轉換器提供一個START信號,使A/D轉換開始。A/D轉換完成后,A/D轉換器輸出一個完成信號。單片機檢測到信號時讀取I/O口上的數(shù)據(jù)并存儲。

為了實現(xiàn)將輸出電壓穩(wěn)定在某一值,需要設定一個參考數(shù)值 (這里為12 V)或一個參考范圍,大于上限時,輸出信號控制使PWM占空比下降;小于下限時,輸出信號控制使PWM占空比上升。為保護MOSFET和控制電路,應設置輸出占空比的上下限。在此設計中,PWM產生器TL494的輸出占空比與給定的信號大小成反比。本設計中使用的D/A轉換芯片是DAC0832。程序流程圖見圖4。

圖4 控制信號的輸出部分

4 實驗結果

本設計采用p roteus仿真軟件對大部分控制電路做仿真測試,包括:電壓采集、D/A轉換、A/D轉換、數(shù)碼管顯示、單片機控制信號的輸出。

仿真結果:當輸入信號高于3.03 V時,輸出控制信號不斷上升直到上限3.8 V;當輸入信號低于2.98 V時,輸出控制信號不斷下降直到下限0.5 V;當輸入信號在2.98 V到3.8 V之間時,輸出控制信號保持不變。

仿真結果表明,該控制電路可以在輸入電壓(即電池充電電壓)高于設定值時提高控制信號,使控制MOSFET的PWM占空比下降,進而降低充電電壓;在輸入電壓低于設定值時減小控制信號,使控制MOS管的PWM占空比上升,進而提高充電電壓;這樣的過程一直繼續(xù)直到輸出控制信號達到保護值或者電池充電電壓在設定區(qū)域內。

[1] Young-Joo Lee,A lireza Khaligh,A rindam Chakraborty,and A li Emadi.DigitalCom bination of Buck and Boost Converters to Control a Positive Buck-Boost Converter and Improve theOu tpu t T ransien ts[J].IEEE TRANSACT IONS ON POWERELECTRONICS,2009,24(5):3970.

[2] A li Emadi,A lireza Khaligh,Claudio H.Rivetta,and Geoffrey A.Williamson.Constant Pow er Loads and Negative Impedance Instability in Au tom otive System s:De ni-tion,Modeling,Stability,and Control of Power Electronic Convertersand Motor D rives[J].IEEE TRANSACTIONSON VEHICULAR TECHNOLOGY,2006,55(4):1112.

[3] 張占松,蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005:9.

Studies on Solar Power Replenishment System for Electric Vehicle

GARIMa-gai,ZHAO Hui,LIWei-dan
(Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

This paper studies the so lar pow er rep lenishment system,which w ould boost output vo ltage to 240 V,directly charge the battery and automatically maintain the battery.Through a series of studies on battery charging and so lar pane ls'features,a charging system is designed and tested out based on the results.This papermainly studies the voltage boost of the instab le voltage and itsmaxim ization of usage.W hat ismore,energy-saving charging circuit,battery charging and maintenance are studied asw ell.

electric vehicle;solar energy;storage battery charging;pow er elec tronics

TM 615

A

1671-0320(2010)06-0031-03

2010-09-20,

2010-10-12

嘎日瑪蓋(1989-),男,內蒙古赤峰人,2011屆北京交通大學電力電子與電能變換專業(yè)在讀;

趙 卉 (1989-),女,山西太原人,2011屆北京交通大學電力電子與電能變換專業(yè)在讀;

李唯丹 (1989-),男,山西太原人,2011屆北京交通大學電力電子與電能變換專業(yè)在讀。