低速電動汽車太陽能充電裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

呂燚+鄧春健+鄒昆

摘 要：為了滿足低速電動汽車中增加太陽能電池充電裝置，并實現(xiàn)最大功率點跟蹤（MPPT）的需求，設(shè)計并實現(xiàn)一套專用的太陽能電池充電控制系統(tǒng)。首先介紹該行業(yè)的應(yīng)用背景和設(shè)計需求，然后從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、電源拓?fù)洹⑸龎弘娐泛凸β蕶z測等方面詳細(xì)闡述系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案，并著重從高效數(shù)據(jù)采集方案和MPPT跟蹤算法等方面介紹軟件設(shè)計思路，最后給出了效率測試和MPPT效果測試方案。實際應(yīng)用證明，該設(shè)計方案跟蹤效率高，性價比高，長期運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞： 低速電動汽車； 太陽能電池； MPPT； 電流檢測

中圖分類號： TN212?34； TP393.04 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）08?0176?04

Design and implementation of solar energy charging device for low?speed electric vehicle

L? Yi1， DENG Chunjian1， 2， ZOU Kun1， 2

（1. Zhongshan Institute， University of Electronic Science and Technology of China， Zhongshan 528402， China；

2. University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 610500， China）

Abstract： In order to add the solar battery charging device in the electric vehicle and realize the maxim power point tracking （MPPT）， a specialized solar battery charging control system was designed and implemented. The application background and design requirement of this industry are introduced briefly. The hardware design scheme of the system is described in detail in the aspects of the system structure， power supply topology， boosted circuit and power detection. The software design thought is introduced in the aspects of high?efficiency data acquisition scheme and MPPT algorithm. The schemes of the efficiency test and MPPT effect test are given. The practical application results show that the design scheme has high tracking efficiency， high cost performance， and stable and reliable long?term operation.

Keywords： low?speed electric vehicle； solar power battery； maximum power point tracking； current detection

0 引 言

低速電動汽車的發(fā)展一直備受爭議，但是近年來伴隨著新能源汽車的發(fā)展浪潮，低速電動汽車受到了專家學(xué)者、相關(guān)企業(yè)和各級地方政府的廣泛關(guān)注[1?2]。2015年眾多地方政府出臺相關(guān)管理政策，允許小型電動車合法上牌。雖然目前國家層面的政策還沒有出臺，但伴隨著技術(shù)的不斷成熟和市場認(rèn)可度的提升，終于在2015年低速電動汽車產(chǎn)銷量出現(xiàn)了爆發(fā)式增長，被稱為產(chǎn)品元年。中國工程院院士楊裕生在2015節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃成果展覽會上提出我國應(yīng)該量力而行，制定標(biāo)準(zhǔn)，積極發(fā)展低速微型車。

低速電動汽車目前普遍采用72 V或64 V的鉛酸蓄電池，如果能為其增加太陽能充電裝置，將有效增加其單次充電續(xù)航里程，提高產(chǎn)品競爭力[3?4]。本系統(tǒng)以此為切入點，針對72 V車型，設(shè)計了滿足100～150 W太陽能電池的充電控制裝置，同時為了提高太陽能電池的利用率，設(shè)計并實現(xiàn)了最大功率點跟蹤算法，給出了各硬件模塊的設(shè)計方案和相關(guān)算法的設(shè)計思路，最終對設(shè)計方案的可行性和運(yùn)行效果進(jìn)行了測試。經(jīng)過長時間的實際應(yīng)用測試，證明該設(shè)計方案合理可行，且具有可靠性高、效率高等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括了BOOST升壓電路、電壓電流檢測電路和電源模塊三大部分。單片機(jī)采用了Cortex?M0內(nèi)核的STM32F030，片內(nèi)集成具有DMA功能的12位ADC，工作頻率為48 MHz，本系統(tǒng)PWM頻率為100 kHz，480個調(diào)節(jié)等級的PWM分辨率滿足應(yīng)用需求。由于本系統(tǒng)升壓系數(shù)不高，采用了單級BOOST電路。輸出電壓電流檢測用于計算輸出功率，MPPT原理上指的是工作在太陽能電池的最大功率點，電池輸出功率乘以BOOST升壓電路的效率才是輸出功率，但是由于檢測電池輸出電流需要在高邊檢測，成本較高，因而本系統(tǒng)中采用了檢測輸出功率的方案，算法目標(biāo)是使輸出功率最大，和MPPT的設(shè)計理念是一致的，簡化了設(shè)計難度，降低了方案的成本。

2 硬件設(shè)計

2.1 電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)對電源的需求主要包括：MOS管驅(qū)動電源需要10～15 V的電壓；運(yùn)放需要5 V；單片機(jī)需要3.3 V。太陽能電池最大功率時輸出電壓大約為17 V。本來可以直接降壓后得到MOS管驅(qū)動電源，但是實測發(fā)現(xiàn)偶爾會出現(xiàn)由于光線較快變換和MPPT調(diào)節(jié)的滯后性，電池電壓被拉低到10 V的情況，此時如果直接降壓可能導(dǎo)致DCDC輸出中斷，啟動斷電。因而本系統(tǒng)設(shè)計了如圖2所示的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，首先將太陽能電池電壓降壓到7.5 V，然后經(jīng)過LDO得到5 V的運(yùn)放電源，再經(jīng)過LDO SGM2019得到MCU電源和ADC電源。MOS管驅(qū)動電源則通過對7.5 V電壓經(jīng)過電荷泵倍壓得到約14 V電壓，倍壓電路采用分離元件搭建，由單片機(jī)輸出一路占空比為50%，頻率為20 kHz的PWM信號來驅(qū)動。

2.2 BOOST升壓電路

本系統(tǒng)中升壓電路如圖3所示，其中L1為耦合電感，C3，D2和R1構(gòu)成RDC吸收電路，吸收MOS管開關(guān)過程中的的尖峰噪聲[5?6]。C1和C2分別為輸入和輸出濾波電容。T1選用了在LCD背光升壓電路中大量使用的NMOS管FDD86102，性能好，價格低，耐壓100 V，導(dǎo)通電阻僅為24 mΩ。為保證MOS門極驅(qū)動信號質(zhì)量，縮短開啟、關(guān)斷時間，減小MOS管損耗，本系統(tǒng)中設(shè)計了如圖3中由T3～T5，D3和R3～R5構(gòu)成的MOS管驅(qū)動電路。PWM高電平期間T4導(dǎo)通，經(jīng)過D3為MOS管門極提供高電平，PWM信號為低電平時，T4截止，T3導(dǎo)通，在MOS管門極和地之間建立一條低阻抗通路，通過實測該驅(qū)動電路完全可以勝任本系統(tǒng)所采用的100 kHz的PWM信號頻率，正常帶載工作情況下，開啟時間小于400 ns，關(guān)斷時間小于300 ns，滿足設(shè)計要求。

2.3 功率檢測

本系統(tǒng)中檢測輸出功率，輸出電壓采用分壓電阻方式檢測，分壓比為30∶1，電壓檢測量程為0～100 V。電流檢測采用如圖4所示的電路。其中R7為電流采樣電阻，采用低溫度系數(shù)精密電阻，功率2 W。R6和C1用于抑制電流尖峰噪聲。運(yùn)放采用了軌至軌精密運(yùn)放AD8605，失調(diào)電壓65 μV，偏置電流1 pA。R1，R2，R3電阻網(wǎng)絡(luò)為被測信號提供了一定的直流偏置，避免使用運(yùn)放輸出接近0 V的區(qū)間，根據(jù)彌爾曼定理得到運(yùn)放同相端電壓V+=0.019 8+0.099i。其中i為被測電流，運(yùn)放直流放大倍數(shù)10.1，被測電流范圍為0～3 A。當(dāng)被測電流為3 A時，Vo為3.2 V，D2用于當(dāng)電流過大導(dǎo)致Vo過高時保護(hù)ADC輸入端。

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)中軟件部分主要包括三大部分，分別是信號采集與濾波、MPPT跟蹤和蓄電池充電控制。MPPT保證了使太陽能電池工作在最大功率狀態(tài)，提高其利用率；蓄電池充電控制有助于防止極端情況下的電池過充。通常由于太陽能電池相對于蓄電池來說容量較小，無需嚴(yán)格控制充電電流，只需防止出現(xiàn)過壓。以72 V電池為例，當(dāng)充電電壓超過83 V時限制輸出電壓，此時停止對太陽能電池的MPPT跟蹤。

3.1 信號采集與濾波

本系統(tǒng)中共有4路模擬信號需要采集，分別是輸入電壓、輸出電壓、輸出電流和溫度。其中電壓電流信號采樣頻率設(shè)定為50 kHz，溫度信號采樣頻率要求不高，但是為了提高采樣效率，本系統(tǒng)中采用統(tǒng)一定時器觸發(fā)采樣方式，如圖5所示。首先采用TIM2的輸出比較匹配功能產(chǎn)生50 kHz的信號，用此信號作為ADC啟動轉(zhuǎn)換的觸發(fā)源。ADC采集4路模擬信號采用其掃描模式，即定時器觸發(fā)啟動一次ADC，將連續(xù)轉(zhuǎn)換4個通道，由于STM32單片機(jī)中所有通道共用同一個轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器，本設(shè)計中采用了DMA來實現(xiàn)轉(zhuǎn)換結(jié)果的自動存儲。實際測試中發(fā)現(xiàn)，STM32單片機(jī)ADC在掃描模式下，由于數(shù)據(jù)總線仲裁錯誤DMA傳輸會發(fā)生錯誤現(xiàn)象，例如在一組采集數(shù)據(jù)中，輸出電壓信號丟失，只采集了3個通道。因而在DMA中斷服務(wù)程序中需要通過判別DMA的CNDTR寄存器是否為零來判別采集數(shù)據(jù)是否發(fā)生錯位，然后通過直接修改DMA模塊的內(nèi)存基地址，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換結(jié)果的快速保存。連續(xù)采集20次模擬信號后，便在DMA中斷服務(wù)程序中對信號進(jìn)行濾波，本系統(tǒng)中采用了剔除3個最大值和3個最小值后的均值濾波。

3.2 最大功率跟蹤算法設(shè)計與實現(xiàn)

目前常用的太陽能電池MPPT算法包括恒定電壓（CV）法，擾動觀察（P&O）法及增量電導(dǎo)（INC）法等基本方法[7?8]，其特點是運(yùn)算量小、易于實現(xiàn)。此外還有學(xué)者研究了將模糊控制、滑模變結(jié)構(gòu)方法以及進(jìn)化算法引入到MPPT算法中，實現(xiàn)最大功率點的尋優(yōu)，但此類方法運(yùn)算量較大，對于本系統(tǒng)的低成本MCU實施難度較大。本設(shè)計中的MPPT算法基于P&O算法[9?11]，并對其進(jìn)行了改進(jìn)，使其更加適應(yīng)汽車太陽能電池的光照情況變化較快的情況。P&O 法的原理是擾動升壓電路的占空比，判斷擾動前后系統(tǒng)輸出功率的變化情況，并按照使輸出功率增加的方向來改變占空比。該方法存在兩個不足，首先是在啟動初期速度不夠，不能快速到達(dá)最大功率點；其次是擾動步長的取舍需要權(quán)衡調(diào)節(jié)速度和穩(wěn)定性兩方面因素。本系統(tǒng)中做了如下改進(jìn)，首先在啟動階段采用PID控制器控制太陽能電池電壓，當(dāng)電壓到達(dá)16.5 V±1 V范圍內(nèi)后，啟動P&O法；其次P&O法調(diào)節(jié)的步長不同于文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]的方法，本系統(tǒng)中擾動步長由輸出功率和功率變化值共同決定，其流程如圖6所示，即在輸出功率較大時，采用大擾動步長，輸出功率較小時，也就是光照條件較差時，采用較小的擾動步長，同時判斷擾動后的功率變化，功率變化較大則增加步長，功率變化較小則減小步長。

4 測 試

本系統(tǒng)的測試分為兩部分，首先是BOOST升壓電路效率測試，其次是MPPT跟蹤效果測試。BOOST升壓電路效率和MPPT跟蹤效果共同決定了系統(tǒng)工作效率。在升壓電路工作效率測試中，控制板輸入接可調(diào)電源，輸入電壓從14～20 V共設(shè)7個等級，涵蓋了太陽能電池輸出的范圍，控制板設(shè)定為固定72 V電壓輸出工作模式，輸出接電子負(fù)載，電子負(fù)載工作在恒定電流模式，電流設(shè)定為0.9 A。這種測試條件下控制板輸出功率為64.8 W，測試結(jié)果如表1所示。由于本系統(tǒng)選用自耦合式電感的升壓電路，同時采用較低導(dǎo)通電阻的MOS管，實現(xiàn)了在較高升壓比情況下效率仍然達(dá)到89%以上，且發(fā)熱量最大的是電感和MOS管，實測溫度小于55 ℃，溫升小于35 ℃，測試結(jié)果滿足實際應(yīng)用需求。

在MPPT測試中，控制板輸入端接太陽能電池板，輸出端用6節(jié)串聯(lián)的鉛酸蓄電池模擬實際汽車電池。測試中采用兩塊控制板在相同的光照條件、相同太陽能電池板和相同蓄電池電壓的情況下進(jìn)行同步測試，其中一塊為被測控制板，運(yùn)行MPPT算法；另一塊為輔助測試板。從10%～90%循環(huán)修改PWM占空比，占空比在一個循環(huán)周期內(nèi)的最大輸出功率點便是MPPT算法的最優(yōu)目標(biāo)。通過比較兩塊控制板的輸出功率來測試MPPT算法是否能夠在不同光照和溫度條件下追蹤最大功率點。測試結(jié)果顯示，本項目所設(shè)計的MPPT算法能夠在不同光照條件下有效跟蹤最大功率點，在光照條件突變情況下，調(diào)節(jié)速度較快，不會發(fā)生由于輸入電壓過低而導(dǎo)致的單片機(jī)重啟，滿足汽車運(yùn)動過程中光線變化快的要求。

5 結(jié) 語

本文針對72 V供電的低速電動汽車設(shè)計了滿足100～150 W的太陽能電池充電裝置，硬件上設(shè)計了高效升壓電路和功率檢測電路，軟件上實現(xiàn)了對太陽能電池最大功率點的實時跟蹤和蓄電池充電保護(hù)。實際測試效果證明，該設(shè)計方案升壓效率高，溫升較小，并能夠在不同光照環(huán)境下對太陽能電池的最大功率點進(jìn)行實時跟蹤。

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