電動(dòng)汽車車載光伏充電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

殷戰(zhàn)穩(wěn)，劉豪

(河南城建學(xué)院，河南平頂山467036)

隨著石油資源的日益枯竭和節(jié)能環(huán)保要求的提高，電動(dòng)汽車成為熱門研究課題，在近幾年得到迅速發(fā)展，相關(guān)技術(shù)不斷走向成熟。目前制約電動(dòng)汽車發(fā)展的一大瓶頸是電能問(wèn)題：快速充電很難將電池充滿，一次性充電續(xù)駛里程短，受到循環(huán)壽命的限制等。為此采用電動(dòng)汽車車載磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組設(shè)計(jì)了一種車載光伏電池充電系統(tǒng)，隨電動(dòng)汽車移動(dòng)，時(shí)刻跟蹤光伏電池的最大輸出功率，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定、安全地對(duì)動(dòng)力電池長(zhǎng)時(shí)間補(bǔ)給充電，解決電池組充電時(shí)間和充電狀態(tài)之間的矛盾。本文以光伏電池充電系統(tǒng)作為研究對(duì)象，在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制算法方面作了詳細(xì)的分析和研究，并在此基礎(chǔ)上完成了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

1 光伏電池最大功率跟蹤算法研究

光伏電池既非恒壓源、也非恒流源，不能給負(fù)載提供任意大的功率，是一種非線性直流電源，其輸出受日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和負(fù)載等情況影響。只有在某一輸出電壓值時(shí)，光伏陣列的輸出功率才能達(dá)到最大值。這時(shí)光伏陣列的工作點(diǎn)可以達(dá)到輸出功率電壓曲線的最高點(diǎn)，稱之為最大功率點(diǎn)。為了有效利用光伏電池，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤是必要的［1-6］。

當(dāng)光伏電池對(duì)動(dòng)力電池充電時(shí)，由于動(dòng)力電池本身也是一個(gè)電壓源，因此該DC/DC變換器的輸出電壓可以被認(rèn)為在短時(shí)間內(nèi)是一個(gè)常量。在理想情況下，DC/DC變換器的功率損耗為零，那么光伏電池輸出的全部功率與動(dòng)力電池吸收的全部功率相等。由于動(dòng)力電池端的電壓被認(rèn)為短時(shí)間內(nèi)不變，那么只需測(cè)量動(dòng)力電池端的電流即可。當(dāng)動(dòng)力電池端的電流達(dá)到最大值時(shí)，認(rèn)為光伏電池輸出最大功率。因此，電壓采樣(通過(guò)測(cè)量電壓確定不同電壓區(qū)間內(nèi)采用的控制算法)的頻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電流采樣的頻率。

步長(zhǎng)自適應(yīng)電流尋優(yōu)法的流程如圖1所示，即本控制電路所采用的最大功率跟蹤算法。圖1中的I(n)表示當(dāng)前時(shí)刻的電流值;I(n-1)表示前一時(shí)刻的電流值;D(n)表示當(dāng)前時(shí)刻的占空比;D(n-1)表示前一時(shí)刻的占空比;ΔD表示占空比增量，是一個(gè)正數(shù)。由于始終進(jìn)行擾動(dòng)觀測(cè)，因此在到達(dá)最大功率點(diǎn)時(shí)，會(huì)在最大功率點(diǎn)左右振蕩，造成光伏電池的能量損失。擾動(dòng)值ΔD越大，振蕩會(huì)越大，損耗也就越大，但是擾動(dòng)值ΔD過(guò)小，跟蹤會(huì)不靈敏。因此本文采用變步長(zhǎng)跟蹤，即成正比，即

2 磷酸鐵鋰動(dòng)力電池充電控制策略

本文中電動(dòng)汽車的電池系統(tǒng)是由16節(jié)額定電壓為3 V的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池串聯(lián)組成，由于單節(jié)電池存在不一致性，在串聯(lián)充電過(guò)程中，各單節(jié)電池電壓、溫度、SOC(荷電狀態(tài))也存在分散性，所以必須時(shí)刻檢測(cè)每節(jié)電池的電壓、溫度等參數(shù)信息，防止單節(jié)電池出現(xiàn)過(guò)充現(xiàn)象。

光伏系統(tǒng)中的充電方法根據(jù)電池容量的多少及電池端電壓的大小，將充電過(guò)程分為最大功率充電、恒壓充電和浮充電三個(gè)階段。在充電控制過(guò)程中融入了最大功率點(diǎn)跟蹤方法，保證了系統(tǒng)的效率。

當(dāng)最高單節(jié)電池電壓小于3.65 V(充電截止電壓為3.65 V)時(shí)，采用最大功率跟蹤算法對(duì)磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組充電，當(dāng)最高單節(jié)電池電壓達(dá)到3.65 V之后，采用非最大功率跟蹤算法(PI調(diào)節(jié)器)恒壓充電。為避免系統(tǒng)在這兩個(gè)模式下不斷切換，導(dǎo)致系統(tǒng)震蕩，在截止電壓處設(shè)置了一個(gè)遲滯環(huán)節(jié)。充電控制策略流程如圖2所示。

圖1 最大功率點(diǎn)跟蹤算法流程

圖2 充電控制策略流程

在流程中，對(duì)測(cè)量信號(hào)采樣時(shí)，主要采用數(shù)字濾波，這是為了保證采樣的準(zhǔn)確性。另外，將中值濾波和平均值濾波結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成防脈沖干擾的平均值濾波，對(duì)緩變過(guò)程的脈沖干擾有良好的復(fù)合濾波效果。最后，將充電電流信號(hào)的連續(xù)m(m＞3)個(gè)采樣值進(jìn)行排序，取其中n個(gè)值的平均值作為t=kT時(shí)的濾波輸出。

單節(jié)電池電壓可以通過(guò)電動(dòng)汽車中的CAN通迅網(wǎng)絡(luò)獲取，每節(jié)電池中裝有一個(gè)小的電池信息檢測(cè)系統(tǒng)，將檢測(cè)到的電池電壓等信息通過(guò)CAN總線發(fā)送到總控制器單元。光伏電池充電系統(tǒng)通過(guò)CAN總線向總控制器發(fā)送查詢單節(jié)電池電壓數(shù)據(jù)請(qǐng)求，然后接收單節(jié)電池電壓(如圖3)。

3 實(shí)驗(yàn)

基于上述設(shè)計(jì)思想與理論，根據(jù)樣機(jī)的具體性能指標(biāo)，研制了一臺(tái)光伏電池充電系統(tǒng)樣機(jī)，如圖4所示。利用構(gòu)建的試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行充電算法和軟件設(shè)計(jì)調(diào)試與評(píng)估。在各種日照下對(duì)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并給出了實(shí)測(cè)結(jié)果。

3.1 最大功率點(diǎn)跟蹤測(cè)試

為確保驗(yàn)證MPPT算法的有效性，用一個(gè)MPPT測(cè)試電路［6］進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)主電路如圖5所示，采用0～60 V直流穩(wěn)壓源Us串聯(lián)一個(gè)功率電阻Rs(3.7 Ω左右)模擬光伏電池，由戴維南等效電路可知，光伏電池最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)電壓Ui應(yīng)為直流線性穩(wěn)壓源電壓的一半(Us/2)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

從最大功率點(diǎn)跟蹤測(cè)試結(jié)果可以看出，MPPT跟蹤誤差在2%以內(nèi)。

圖3 CAN通訊系統(tǒng)

圖4 光伏電池充電系統(tǒng)實(shí)物圖

圖5 最大功率跟蹤測(cè)試電路

表1 最大功率跟蹤測(cè)試結(jié)果

3.2 系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)試

圖6為日照強(qiáng)度驟變過(guò)程中光伏電池充電系統(tǒng)充電電流和電壓的實(shí)驗(yàn)波形(標(biāo)準(zhǔn)光照下光伏電池最大輸出功率為75 W)。

從系統(tǒng)測(cè)試波形可以看出，系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)附近，且波動(dòng)較小，當(dāng)日照強(qiáng)度驟變時(shí)，光伏電池充電系統(tǒng)充電電壓(即電池電壓)變化不大，但是充電電流變化比較劇烈，輸出功率變化比較大。

光伏電池充電系統(tǒng)在自然環(huán)境下的測(cè)試結(jié)果如表2所示。

圖6 日照驟變時(shí)充電波形

表2 自然環(huán)境下測(cè)試結(jié)果(光照較弱)

從測(cè)試結(jié)果可以看出，當(dāng)日照強(qiáng)度遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)日照度1 000 W/m2時(shí)，輸出功率較低，但系統(tǒng)效率則達(dá)到88%以上。

4 結(jié)束語(yǔ)

從光伏電池充電系統(tǒng)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文所設(shè)計(jì)的光伏電池充電系統(tǒng)能夠在自然環(huán)境下正常工作，系統(tǒng)充電效率高，而且基于步長(zhǎng)自適應(yīng)電流尋優(yōu)法的MPPT算法具有良好的跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)性能。

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