電動(dòng)汽車(chē)太陽(yáng)能電源補(bǔ)充系統(tǒng)的研究

嘎日瑪蓋,趙 卉,李唯丹

(北京交通大學(xué),北京 100044)

電動(dòng)汽車(chē)太陽(yáng)能電源補(bǔ)充系統(tǒng)的研究

嘎日瑪蓋,趙 卉,李唯丹

(北京交通大學(xué),北京 100044)

主要研究太陽(yáng)能電源補(bǔ)充系統(tǒng),將太陽(yáng)能電源輸出電壓升壓至240 V,為蓄電池直接充電,并進(jìn)行電池的自動(dòng)維護(hù)。通過(guò)對(duì)蓄電池充電、太陽(yáng)能電池板特性的一系列研究,設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試出一套充電系統(tǒng)。重點(diǎn)研究太陽(yáng)能不穩(wěn)定電壓的升壓變換及其利用最大化的實(shí)現(xiàn),充電電路的節(jié)能,電池充電和維護(hù)策略的優(yōu)化,方便電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)電源管理方案設(shè)施。

電動(dòng)汽車(chē);太陽(yáng)能;蓄電池充電;電力電子器件

0 引言

我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)主要選用的儲(chǔ)能裝置是具有可循環(huán)再充電、成本低廉、使用安全、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)的密封式鉛酸蓄電池?？勺鳛樾铍姵氐难a(bǔ)充,并且起到了維護(hù)蓄電池的作用[1]。傳統(tǒng)的車(chē)載設(shè)施供電方式是直接從240 V動(dòng)力電池降壓供給12 V蓄電池,但動(dòng)力電池的電能對(duì)于電動(dòng)車(chē)很珍貴,也會(huì)產(chǎn)生一定的損耗。本文提出的用太陽(yáng)能電池板對(duì)車(chē)載12 V蓄電池供電的方案可以很大程度上節(jié)省動(dòng)力電池的電能[2]。

本設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)仿真及實(shí)驗(yàn)調(diào)試,最終實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓充電、過(guò)壓保護(hù)等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果包括:仿真結(jié)果、充電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和性能。

1 充電控制策略

電路性能指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電路性能指標(biāo)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(duì)較好,即在電池荷電量較小時(shí)進(jìn)入恒流充電階段,當(dāng)電壓上升至過(guò)充電壓時(shí)進(jìn)入恒壓充電階段,當(dāng)充電電流下降到低于浮充轉(zhuǎn)換電流時(shí),進(jìn)入浮充充電階段,充電電壓保持為浮充電壓。太陽(yáng)能充電由于接受陽(yáng)光照射的時(shí)間有限,而且不能保證陽(yáng)光垂直照射太陽(yáng)能電池板,因而其提供的能量可能無(wú)法滿(mǎn)足三階段充電法所需要的能量。為使太陽(yáng)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(duì)蓄電池進(jìn)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(guò),這樣在充電過(guò)程中就不必調(diào)整電流。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓充電的目標(biāo),本系統(tǒng)采用了單片機(jī)AT89S52為核心的控制電路,通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)控制策略;主電路采用降壓式變換 (BUCK)電路形式,以實(shí)現(xiàn)充電電路的節(jié)能和高效。控制電路采用脈寬調(diào)制PWM(Pulse Width Modulation)原理,以電力場(chǎng)效應(yīng)管 (MOSFET)驅(qū)動(dòng),并設(shè)電流、電壓雙反饋對(duì)電路狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。為了縮短充電時(shí)間,利于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的獲得,也采用12 V,12 Ah的鉛蓄電池做充電實(shí)驗(yàn)。

2.1 太陽(yáng)能電池板

選用單晶硅光伏電池,其詳細(xì)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(shè)計(jì)

2.2.1 器件的選擇

a)BUCK電路輸出濾波電感的設(shè)計(jì)。

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(shí)

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(kāi)關(guān)管的選擇。

本課題中流過(guò)開(kāi)關(guān)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(hào)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(shí)間為t r=100 ns,最大集電極電流下降時(shí)間為tf=100 ns。

d)二極管的選擇。

流過(guò)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(kāi)關(guān)占空比),流過(guò)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(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)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(fù)二極管采用FR207。對(duì)快速M(fèi)OSFET功率模塊來(lái)說(shuō),模塊中續(xù)流二極管的導(dǎo)通延時(shí)時(shí)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(shí)時(shí)間更短,才能保證吸收電路正常投入工作,不然仍會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)的浪涌電壓。此外,在設(shè)計(jì)緩沖電路時(shí),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(shè)計(jì)

控制電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(cè)電路

電壓檢測(cè)電路使用光耦隔離器件PC817,經(jīng)過(guò)反饋后的輸入電壓及蓄電池電壓應(yīng)為恒定,調(diào)節(jié)圖2所示電位器 R4,則輸入、輸出側(cè)電壓比改變,進(jìn)而可調(diào)節(jié)蓄電池的目標(biāo)電壓。電流檢測(cè)電路采用電流/電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX472,借助其漂移、線(xiàn)性度等指標(biāo)較理想且能適應(yīng)大范圍大電流測(cè)量的特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)電流的高精度測(cè)量。

圖2 電壓檢測(cè)原理

2.3.2 PWM產(chǎn)生電路

PWM產(chǎn)生電路采用TL494芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。TL494是典型的固定頻率脈寬調(diào)制控制集成電路,推挽/單端輸出,包含了開(kāi)關(guān)電源控制電路所需的各種功能。在本設(shè)計(jì)中,單片機(jī)的輸出信號(hào)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器輸入到芯片的比較器輸入端。設(shè)計(jì)C=10 nf,R=5 k,頻率 f osc=1.1/(RC)=20 kHz,采用輸出三極管射級(jí)輸出。

2.3.3 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

功率MOSFET是電壓控制型器件,輸入阻抗為純?nèi)菪?阻抗值很高,驅(qū)動(dòng)時(shí)只需要對(duì)輸入電容充電或放電,所需驅(qū)動(dòng)功率很小,驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單,甚至可以用集成電路的輸出直接驅(qū)動(dòng)。在本設(shè)計(jì)中采用日本東芝公司生產(chǎn)的專(zhuān)用集成驅(qū)動(dòng)芯片TLP250來(lái)驅(qū)動(dòng)功率MOSFET。TLP250是內(nèi)部帶有光耦隔離的集成驅(qū)動(dòng)芯片,絕緣電壓高達(dá)2 500 V。具有大電流圖騰柱式輸出,可以驅(qū)動(dòng)較大功率的MOSFET。為了改善驅(qū)動(dòng)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(kāi)通和關(guān)斷是通過(guò)柵極電路的充放電來(lái)實(shí)現(xiàn)的,因此柵極電阻對(duì)功率MOSFET的動(dòng)態(tài)特性將產(chǎn)生極大的影響。在本設(shè)計(jì)中,經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)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(qū)動(dòng)電壓的幅值,防止驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)高造成功率MOSFET的損壞,在G與S之間并聯(lián)一個(gè)12 V穩(wěn)壓二極管V。為了防止功率MOSFET柵極開(kāi)路工作,或因?yàn)轵?qū)動(dòng)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(jiàn)圖3)。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路

2.3.4 控制電路電源設(shè)計(jì)

控制電路由于要實(shí)現(xiàn)電氣隔離,兩個(gè)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(zhuǎn)換器、單片機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換器、顯示電路、放大器、PWM產(chǎn)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(qū)動(dòng)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(zhuǎn)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(shè)計(jì)

以AT89S52單片機(jī)為核心的控制模塊的軟件開(kāi)發(fā)主要包含信號(hào)采集,數(shù)據(jù)處理,控制信號(hào)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(cè)和控制信號(hào)的輸出部分作簡(jiǎn)要闡述。

A/D轉(zhuǎn)換芯片采用 8位并行的 ADC0809芯片。根據(jù) A/D轉(zhuǎn)換器的時(shí)序,單片機(jī)采用一個(gè)I/O口提供A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘,每隔一段固定的時(shí)間向A/D轉(zhuǎn)換器提供一個(gè)START信號(hào),使A/D轉(zhuǎn)換開(kāi)始。A/D轉(zhuǎn)換完成后,A/D轉(zhuǎn)換器輸出一個(gè)完成信號(hào)。單片機(jī)檢測(cè)到信號(hào)時(shí)讀取I/O口上的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)。

為了實(shí)現(xiàn)將輸出電壓穩(wěn)定在某一值,需要設(shè)定一個(gè)參考數(shù)值 (這里為12 V)或一個(gè)參考范圍,大于上限時(shí),輸出信號(hào)控制使PWM占空比下降;小于下限時(shí),輸出信號(hào)控制使PWM占空比上升。為保護(hù)MOSFET和控制電路,應(yīng)設(shè)置輸出占空比的上下限。在此設(shè)計(jì)中,PWM產(chǎn)生器TL494的輸出占空比與給定的信號(hào)大小成反比。本設(shè)計(jì)中使用的D/A轉(zhuǎn)換芯片是DAC0832。程序流程圖見(jiàn)圖4。

圖4 控制信號(hào)的輸出部分

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本設(shè)計(jì)采用p roteus仿真軟件對(duì)大部分控制電路做仿真測(cè)試,包括:電壓采集、D/A轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)碼管顯示、單片機(jī)控制信號(hào)的輸出。

仿真結(jié)果:當(dāng)輸入信號(hào)高于3.03 V時(shí),輸出控制信號(hào)不斷上升直到上限3.8 V;當(dāng)輸入信號(hào)低于2.98 V時(shí),輸出控制信號(hào)不斷下降直到下限0.5 V;當(dāng)輸入信號(hào)在2.98 V到3.8 V之間時(shí),輸出控制信號(hào)保持不變。

仿真結(jié)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(shè)定值時(shí)提高控制信號(hào),使控制MOSFET的PWM占空比下降,進(jìn)而降低充電電壓;在輸入電壓低于設(shè)定值時(shí)減小控制信號(hào),使控制MOS管的PWM占空比上升,進(jìn)而提高充電電壓;這樣的過(guò)程一直繼續(xù)直到輸出控制信號(hào)達(dá)到保護(hù)值或者電池充電電壓在設(shè)定區(qū)域內(nèi)。

[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(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[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(nèi)蒙古赤峰人,2011屆北京交通大學(xué)電力電子與電能變換專(zhuān)業(yè)在讀;

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

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