基于太陽(yáng)能電動(dòng)自行車的電源管理系統(tǒng)的研究

劉明順 馬勇 李超　劉雨城

【摘 要】本文以電動(dòng)自行車的太陽(yáng)能電源管理系統(tǒng)為研究對(duì)象，以光伏發(fā)電技術(shù)為基礎(chǔ)，提出了運(yùn)用太陽(yáng)能電池最大功率跟蹤（MPPT）和DC/DC變換器的方法，并利用最大功率追蹤法分析系統(tǒng)的效率及性能。設(shè)計(jì)DC/DC變換器，通過(guò)改變DC/DC變換器中功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通率，進(jìn)而控制整個(gè)電源管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池自動(dòng)充電并為電動(dòng)自行車提供動(dòng)力的功能。

【關(guān)鍵詞】太陽(yáng)能電池；光伏發(fā)電；最大功率追蹤；DC/DC變換器

0 引言

我國(guó)經(jīng)濟(jì)正處于高速發(fā)展的階段，能量消耗也在迅速地增加，雖然我國(guó)的能源豐富，但是由于人口較多，所以人均能源擁有量較低水平。在現(xiàn)代城市中，內(nèi)燃機(jī)汽車的熱效率不到20%，而有55%以上的熱量排到周圍空氣里去了。汽油、柴油汽車所消費(fèi)的資源約占世界石油制品總耗量的30%，而且排放大量的有害物質(zhì)，污染了空氣，影響人體健康和動(dòng)植物的發(fā)育和生長(zhǎng)。[1]面對(duì)此情況，我們必須尋找新能源，大力開(kāi)發(fā)可再生能源。太陽(yáng)能是新型能源中能量最具大的，具有清潔、環(huán)保及可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)。為了響應(yīng)低碳環(huán)保的政策，電動(dòng)自行車成了很好的交通工具，但其充電比較麻煩。然而其配合太陽(yáng)能發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)，太陽(yáng)能電動(dòng)車則就成為了真正的零污染、零排放的理想交通工具。而太陽(yáng)能電動(dòng)自行車發(fā)電的關(guān)鍵就是光伏發(fā)電控制器的設(shè)計(jì)，它的性能直接決定了太陽(yáng)能電池板的效率和性能。太陽(yáng)能電池的功率則需要用最大效率追蹤法來(lái)分析，最終為電動(dòng)車提供最大的動(dòng)力。

1 太陽(yáng)能電動(dòng)自行車的電源管理系統(tǒng)的整體框架設(shè)計(jì)

1.1 普通電動(dòng)自行車的工作原理及現(xiàn)狀

電動(dòng)自行車電瓶（鉛酸蓄電池）是一種電能與化學(xué)能互相轉(zhuǎn)換的可逆裝置，也就是說(shuō)既能將電能儲(chǔ)存起來(lái)（充電），又能將化學(xué)能變?yōu)殡娔茚尫懦鰜?lái)（放電），為電動(dòng)車提供動(dòng)力。鉛酸蓄電池充放電的過(guò)程是電化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，充電時(shí)，硫酸鉛被氧化成氧化鉛，放電是氧化鉛有還原為硫酸鉛。而硫酸鉛是一種非常容易結(jié)晶的物質(zhì)，當(dāng)電池中電解溶液的硫酸鉛濃度過(guò)高或靜態(tài)閑置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，就會(huì)“抱成”團(tuán)，結(jié)成小結(jié)晶，這些小結(jié)晶再吸引周圍的硫酸鉛。就像滾雪球一樣形成大的惰性結(jié)晶，結(jié)晶后的硫酸鉛充電時(shí)不但不能再還原成氧化鉛，還會(huì)沉淀附著在電極板上，造成了電極板工作面積下降，這一現(xiàn)象叫做硫化，也就是常說(shuō)的老化。這時(shí)電池容量會(huì)逐漸下降，直至無(wú)法使用。當(dāng)硫酸鉛大量的堆積時(shí)還會(huì)吸引鉛微粒形成鉛枝，正負(fù)極板間的鉛枝搭橋就造成電池短路。如果極板表面或密封塑殼有縫隙。硫酸鉛結(jié)晶就會(huì)在這些縫隙內(nèi)堆積，并產(chǎn)生膨脹張力，最終使極板斷裂脫落或外殼破裂，造成電池不可修復(fù)性物理?yè)p壞。所以，導(dǎo)致鉛酸蓄電池失效和損壞的主要機(jī)理就是電池本身無(wú)法避免的硫化。圖1是普通電動(dòng)自行車充電工作的結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 普通電動(dòng)車的工作框圖

1.2 太陽(yáng)能電動(dòng)車工作的原理及電源管理系統(tǒng)的整體框架設(shè)計(jì)

1.2.1 太陽(yáng)能電動(dòng)車工作原理

太陽(yáng)能電動(dòng)自行車的工作原理是：太陽(yáng)能電動(dòng)自行車通過(guò)太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)的光能轉(zhuǎn)換成電能，存儲(chǔ)在蓄電池中。用來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)電動(dòng)自行車行駛。它在傳統(tǒng)的電動(dòng)車上增加了太陽(yáng)能電池板，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，儲(chǔ)電裝置將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成的電能儲(chǔ)存起來(lái)，給電動(dòng)車的蓄電池充電，彌補(bǔ)蓄電池的電量。再通過(guò)最大功率追蹤（MPPT）裝置負(fù)荷供給能量。作為MPPT就是跟隨太陽(yáng)能電池的最大輸出功率點(diǎn)。是車輛在功率最大的狀態(tài)下工作的裝置。從MPPT出來(lái)的電能給發(fā)動(dòng)機(jī)的速度控制裝置及蓄電池充電，使發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

1.2.2 電源管理系統(tǒng)的整體框架設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能電動(dòng)自行車的充電放電及提供動(dòng)力給負(fù)載的組成有220V交流電源，經(jīng)AC/DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成直流電，再向鉛酸蓄電池充電，由于負(fù)載是交流供電負(fù)載，需在蓄電池與負(fù)載之間增加DC/AC逆變器裝置。當(dāng)太陽(yáng)能電池板進(jìn)行光伏發(fā)電時(shí)，需設(shè)置DC/DC變換器對(duì)太陽(yáng)能電池板進(jìn)行控制，通過(guò)改變DC/DC變換器中功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通率，來(lái)調(diào)整、控制太陽(yáng)能電池陣列工作在最大功率點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制。如圖2所示。

圖2 太陽(yáng)能電動(dòng)車的工作框圖

太陽(yáng)能電池板：太陽(yáng)能電池板的作用是將太陽(yáng)能通過(guò)光生伏特效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電能，或送至系統(tǒng)的蓄電池中儲(chǔ)存起來(lái)，進(jìn)而提供給負(fù)載工作使用。由于太陽(yáng)能電池板的價(jià)格較高，因此它的質(zhì)量和成本對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和成本影響非常大。

太陽(yáng)能充放電控制器：太陽(yáng)能控制器的作用是調(diào)解控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并在工作過(guò)程中對(duì)蓄電池起到過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)的作用。在溫差較大的地方，所配的太陽(yáng)能控制器還應(yīng)該具備溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?。其他附加功能如光控開(kāi)關(guān)、時(shí)控開(kāi)關(guān)都是合格太陽(yáng)能控制器的可選項(xiàng)。

鉛酸蓄電池：蓄電池的作用是將太陽(yáng)能電池板在有光照時(shí)所轉(zhuǎn)換的電能儲(chǔ)存起來(lái)，需要的時(shí)候再輸出提供給負(fù)載。

逆變器：在大多數(shù)場(chǎng)合，由于太陽(yáng)能電池板的直接輸出一般都是直流，為了方便交流工作的負(fù)載提供電能，就需要將太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，因此需要使用 DC-AC 逆變器。[2]

2 太陽(yáng)能電池板的選擇

2.1 太陽(yáng)能電池板的工作原理

太陽(yáng)能電池通過(guò)某些特殊材料，硅中的光電現(xiàn)象把光能轉(zhuǎn)化為電流，當(dāng)太陽(yáng)光線射到太陽(yáng)能電池上的時(shí)候，電子被“刺激”而成為“自由電子”，并在外部電路中流動(dòng)從而形成電流。

圖3 太陽(yáng)能電池板充電原理

太陽(yáng)能電池由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成，如圖3所示，當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體相接時(shí)，在兩種材料之間形成了界面P-N結(jié)，當(dāng)光線照射到半導(dǎo)體上后，光的能量通過(guò)電子從化學(xué)鍵中被釋放，由此產(chǎn)生了電子-空穴對(duì)，界面層N型材料中的電子和P型材料中的空穴相對(duì)應(yīng)：P區(qū)的電子穿過(guò)P-N結(jié)從而進(jìn)入N區(qū)；N區(qū)的空穴進(jìn)入P區(qū)，使P端電勢(shì)升高，N端電勢(shì)降低，于是在P-N結(jié)兩端形成了光生電動(dòng)勢(shì)，這就是P-N結(jié)的光生伏特效應(yīng)（簡(jiǎn)稱光伏效應(yīng)）。

在P-N結(jié)開(kāi)路的情況下，光生電流和正向電流相等時(shí)，P-N結(jié)兩端建立起穩(wěn)定的電勢(shì)差VOC這就是太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓。如果將P-N結(jié)與外電路接通，只要光照不停止，就會(huì)有電流通過(guò)電路，P-N結(jié)起了電源的作用。這就是太陽(yáng)能電池的基本原理。

2.2 太陽(yáng)能電池板的選擇

硅太陽(yáng)能電池中以單晶硅太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中，單晶硅太陽(yáng)能電池占據(jù)主導(dǎo)地位，但單晶硅材料價(jià)格高而且制備工藝相當(dāng)繁瑣。為了節(jié)省高質(zhì)量材料，尋找單晶硅電池的替代產(chǎn)品，現(xiàn)在發(fā)展了薄膜太陽(yáng)能電池，其中典型代表有以高溫、快速制備為發(fā)展方向的多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池和疊層（多結(jié)）非晶硅太陽(yáng)電池。

3 太陽(yáng)能充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 主電路的設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是對(duì)DC/DC變換器的設(shè)計(jì)。DC/DC變換器，亦稱直流斬波器，其工作原理是通過(guò)調(diào)節(jié)控制開(kāi)關(guān)，將一種持續(xù)的直流電壓變換成另一種（固定或可調(diào)的）直流電壓，其中二極管起續(xù)流的作用，LC電路用來(lái)濾波。DC/DC轉(zhuǎn)換電路可以分多種，從工作方式的角度可分為：升壓式（Boost）、降壓式（Bukc）、升降壓式（Buk-cBoost）、庫(kù)克式（Cuk）。下面主要介紹升壓式變換器（Boost Converter），分析DC/DC控制電路的工作原理。

3.1.1 升壓式變換器（Boost Converter）工作原理

升壓式變換器電路如圖4所示，它由開(kāi)關(guān)S、二極管D、儲(chǔ)能電感L和濾波電容C組成。假設(shè)升壓變換器電路中電感L值很大，電容C值很大。當(dāng)開(kāi)關(guān)S開(kāi)通時(shí) ，輸入電壓氣向電感L充電，同時(shí)電容C上的電壓向負(fù)載供電，由于電容C值很大，因此輸出電壓基本保持恒定，記為V0。假設(shè)開(kāi)關(guān)s開(kāi)通的時(shí)間為ton，則電感L上的能量為Vin*Il*ton。當(dāng)開(kāi)關(guān)S關(guān)斷時(shí)，輸入電壓和電感L一起向電容C充電，并向負(fù)載提供能量。假設(shè)開(kāi)關(guān)S關(guān)斷的時(shí)間為toff，則電感L釋放的能量為（V0-Vin）*Il*toff當(dāng)電路工作處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)電感L上儲(chǔ)存的能量與釋放的能量相等。即

3.1.2 太陽(yáng)能充電系統(tǒng)中DC/DC變換器功能的實(shí)現(xiàn)

DC/DC變換器主要有兩個(gè)作用：一是調(diào)節(jié)太陽(yáng)能電池的工作點(diǎn)，使其工作在最大功率點(diǎn)處；二是限制蓄電池充電電壓范圍。

圖5為與太陽(yáng)能電池輸出相連接的升壓變換器的電路圖。其中，通過(guò)改變變換器開(kāi)關(guān)的PWM占空比可以控制功率通量。

圖5 太陽(yáng)能電池板輸出端的Boost變換器電路

3.2 最大功率追蹤的原理

在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，太陽(yáng)能電池是最基本的環(huán)節(jié)，若要提高整個(gè)系統(tǒng)的效率必須要提高太陽(yáng)能光伏電池的轉(zhuǎn)換效率，使其輸出功率為最大功率。因此，最大功率點(diǎn)跟蹤的研究是至關(guān)重要的。由電路知識(shí)可知，當(dāng)負(fù)載電阻等于供電電阻時(shí)，此負(fù)載上可獲得最大功率。

顯然，由以上公式可得結(jié)論。一些內(nèi)阻變化較小的電源供電系統(tǒng)可以采用此方法獲得最大輸出功率。但太陽(yáng)能電池受到溫度、光照、負(fù)載等諸多因素影響，所以最大功率跟蹤較為復(fù)雜。目前采用的方法是在負(fù)載和太陽(yáng)能電池陣列之間增加一個(gè)DC/DC變換器，通過(guò)改變DC/DC變換器中功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通率，對(duì)太陽(yáng)能電池陣列工作在最大功率點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整、控制，從而實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制。如上圖5所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能電動(dòng)自行車的整體結(jié)構(gòu)分析，充電系統(tǒng)的和主電路控制器的研究，應(yīng)用最大功率追蹤法（MPPT），實(shí)現(xiàn)了將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成的電能最大效率的提供給電動(dòng)車的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。很好的響應(yīng)了當(dāng)代社會(huì)提出的低碳環(huán)保和新能源開(kāi)發(fā)利用的口號(hào)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]趙慧.基于太陽(yáng)能電動(dòng)車充電控制系統(tǒng)的研究[D].廣東：廣東工業(yè)大學(xué)，2005：1-11.

[2]王曉磊.電動(dòng)自行車的太陽(yáng)能充電裝置的研究[D].河南：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011：14-18.

[責(zé)任編輯：薛俊歌]