利用太陽能實現(xiàn)電動自行車供電的研究

李孝祿，王東平，李 娟，任美琪

（1．中國計量大學(xué) 機電工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2．河北工業(yè)大學(xué) 建筑與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，天津 300401）

電動自行車具有輕便、快捷、經(jīng)濟、環(huán)保等優(yōu)點，成為廣大工薪階層的主要交通工具。但電動自行車在使用過程中依然存在充電不便、續(xù)駛里程短等問題。本研究將電動自行車技術(shù)與太陽能光伏發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，利用太陽能給電動自行車供電，有望克服現(xiàn)部分電動自行車充電時間長、頻次高，續(xù)行里程短的不足，提高電動自行車的環(huán)保性。

1.太陽電池特性分析及控制方法

（1）太陽電池特性

實驗所用太陽電池的參數(shù)如表1所示。利用文獻［1］得到太陽電池的輸出特性，如圖1所示。從圖1可看出，隨著光照強度增大，太陽電池的短路電流顯著增加，開路電壓略有增加，太陽電池的輸出功率也相應(yīng)增加。太陽電池的功率電壓特性曲線是一個單極點函數(shù)。在最大功率點的左邊，太陽電池可看作恒流源；在最大功率點右邊，太陽電池可看作恒壓源；在恒壓源與恒流源的交接處即是太陽電池的最大功率點。本研究為充分利用太陽電池的能量，對其進行最大功率點跟蹤（MPPT）控制［2］。

表1 太陽電池特性參數(shù)

圖1 不同光照條件下的太陽電池的輸出特性曲線

（2）MPPT控制方法

為縮短到達最大功率點的時間，系統(tǒng)開始工作或外界環(huán)境、負載發(fā)生突變時首先選用固定電壓法把工作點調(diào)整到最大功率點附近，然后采用變步長擾動觀察法進行下一步工作。在相對遠離最大功率點處采用較大的擾動步長以迅速找到最大功率點，在靠近最大功率點處采用較小的擾動步長以減小在最大功率點處的振蕩幅度和功率損耗。本研究采用的固定電壓法結(jié)合變步長擾動觀察法控制流程圖如圖2所示。

圖2 MPPT控制流程圖

從圖1太陽電池的P-U特性曲線可看出：在最大功率點處，|dP/dU|=0；在遠離最大功率點處|dP/dU|較大，而在靠近最大功率點處|dP/dU|較小，這一變化趨勢與擾動步長變化趨勢一致。故可根據(jù)|dP/dU|來設(shè)置擾動步長，實現(xiàn)MPPT控制。由于太陽電池的P-U特性曲線的斜率dP/dU可由相鄰兩次采樣得到的功率差和電壓差的比值得到，即：

式中，k——整數(shù)，k=1，2，3，…。設(shè)置擾動步長為|ΔP/ΔU|·Step，其中Step為小于1的系數(shù)。

設(shè)置固定電壓法的參考電壓Um=0．78Uoc，電壓誤差范圍ΔV為1．5 V，當(dāng)U（k）≤Um－ΔV或U（k）≥Um+ΔV時采用固定電壓法，輸出電壓參考值Uref=Um。反之采用變步長擾動觀察法進行控制。計算m=|ΔP/ΔU|得到擾動步長m·Step，然后判斷擾動方向進行調(diào)節(jié)。

2.鋰電池充放電特性及控制方法

實驗所用電動自行車為購自市場的型號為樂比TDN010Z的電動自行車，自帶10 Ah鋰電池。鋰電池的充電特性［3］如圖3所示。在電壓低于2．75 V時，電池的充電電流接受率非常小，僅約為0．1C（C為充放電倍率）；當(dāng)電壓超過2．75 V后，電池的充電電流接受率大大提高，約為1 C；而當(dāng)電壓超過4．2 V后，電池的電流接受率又急劇下降。當(dāng)充電電流超過鋰電池可接受充電電流時，電池有氣析反應(yīng)，縮短使用壽命。

圖3 鋰離子電池充放電特性曲線

電池電壓不能低于截止放電電壓，當(dāng)電池電壓低于截止放電電壓時，電池內(nèi)部晶格將受到影響，影響鋰電池的使用壽命和電池容量。根據(jù)鋰電池的充電特性，本系統(tǒng)采用分階段充電法對鋰電池進行充電。分為涓流充電、恒流充電、恒壓充電和浮充4個階段，充電參數(shù)如表2所示。圖4為鋰電池充電控制框圖。系統(tǒng)根據(jù)檢測得到的蓄電池電壓Ub選取合適的充電方式對鋰電池進行充電。

表2 鋰電池充放電參數(shù)

圖4 鋰電池充電控制框圖

恒流充電階段，蓄電池可接受的充電電流為1C，系統(tǒng)設(shè)定的充電電流為Iref=8 A；當(dāng)充電電流達不到設(shè)定電流時，采用最大功率點跟蹤控制以保證太陽電池以最大的輸出功率給蓄電池充電?？刂七^程為：系統(tǒng)將采集到的太陽電池輸出電壓Upv和輸出電流Ipv傳送至MPPT控制器，通過改進型擾動觀察法運算得到最大功率點處參考電壓UPref，太陽電池當(dāng)前工作點的電壓Upv與參考電壓UPref求差得到電壓差ΔU，將ΔU送入電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器，經(jīng)PI運算得到充電電流參考值Ibref1。將當(dāng)前充電電流Ib與充電電流參考值Ibref1之差ΔI送入電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器，經(jīng)PI運算得到占空比D的調(diào)節(jié)量，輸出占空比調(diào)節(jié)后的PWM波到開關(guān)管來調(diào)節(jié)充電狀態(tài)。

涓流充電階段蓄電池只能接受0．1C的充電電流，設(shè)定充電電流為Ibref2=If，將蓄電池當(dāng)前充電電流Ib與設(shè)定的充電電流Ibref2之差送至電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器，經(jīng)PI運算后得到占空比D的調(diào)節(jié)量，輸出占空比調(diào)節(jié)后的PWM波到開關(guān)管來調(diào)節(jié)充電狀態(tài)。

恒壓充電和浮充階段蓄電池可接受的充電電流逐漸減小，隨著蓄電池電壓升高，恒壓充電電流逐漸減小，可滿足蓄電池的充電電流變化要求。設(shè)定恒壓和浮充充電電壓Ubref=Uref，將蓄電池當(dāng)前充電電壓Ub與設(shè)定的充電電壓Ubref之差輸送至電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器，經(jīng)PI運算后得到占空比D的調(diào)節(jié)量，輸出占空比調(diào)節(jié)后的PWM波到開關(guān)管來調(diào)節(jié)充電狀態(tài)。

3.混合供電控制器設(shè)計

（1）系統(tǒng)整體設(shè)計方案

本系統(tǒng)主要由太陽電池組件、DC-DC變換器、蓄電池、電機控制器、電動自行車電機、電源控制器等組成［4-5］。電動車電機供電系統(tǒng)中存在太陽電池和蓄電池兩個輸入源，因此需要制定合理的能源管理策略，以保證兩種電池協(xié)調(diào)工作。由于太陽能是可再生能源，應(yīng)該盡可能多地利用太陽電池給負載供電，當(dāng)太陽電池提供的功率小于負載所需功率時，由蓄電池向負載提供不足部分。

太陽能電動自行車整體結(jié)構(gòu)如圖5所示（注：蓄電池電流Ib=Id-Ir）。通過檢測電機控制器的電壓U來判斷電動自行車是否工作；通過檢測到的太陽電池的輸出電壓Upv和輸出電流Ipv進行MPPT控制；根據(jù)檢測到的蓄電池電壓Ub選擇相應(yīng)的充電和供電方式。具體充電和供電管理方式為：當(dāng)電動自行車行駛時，且太陽能充足，電源鎖閉合，蓄電池斷開，太陽電池單獨通過DC-DC變換器為電動自行車供電；若太陽能不足，電源鎖閉合，蓄電池閉合，太陽電池和蓄電池一起為電動自行車供電；無太陽能時（陰雨天和夜間），DC-DC變換器PWM1占空比為零，蓄電池閉合，蓄電池單獨為電動自行車供電。當(dāng)電動自行車停駛時，若蓄電池電壓不足，表明其未充滿，太陽電池為蓄電池充電。

圖5 利用太陽能給電動自行車供電整體結(jié)構(gòu)圖

（2）系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

微控制器選用具有豐富外設(shè)的STM32F103VET6型單片機。

①SEPIC變換器設(shè)計

由實驗所選太陽電池和鋰電池的特性參數(shù)可知，系統(tǒng)需要既可以實現(xiàn)升壓又可以實現(xiàn)降壓的變換器。SEPIC變換器［6-7］適合于寬輸入電壓范圍，具有可升降壓、輸出極性與輸入極性相同、輸入電流脈動小的特點，滿足系統(tǒng)設(shè)計需要。圖6為SEPIC電路拓撲結(jié)構(gòu)。其工作過程為開關(guān)管VT導(dǎo)通時，二極管VD截止，Uin給L1充電，將輸入能量存儲在電感L1中，C1通過VT和L2放電，C2向負載供電；開關(guān)管VT截止時，二極管VD導(dǎo)通，電源和儲能電感L1同時向C1和負載傳送能量，C1儲能增加，C2充電，儲能電感L2向負載釋放能量。在電流連續(xù)工作模式，SEPIC變換器的輸出電壓與輸入電壓關(guān)系為：

圖6 SEPIC 電路拓撲結(jié)構(gòu)

SEPIC變換器對主要元件的耐壓值、耐流值、開關(guān)頻率、功率損耗及紋波影響都有一定的要求。電感L1，L2選用100 μH環(huán)形電感，電流有效值為20 A，飽和電流為22 A。耦合電容C1選用3個10 μF耐壓值為100 V的陶瓷電容，3個陶瓷電容并聯(lián)。輸出電容C2選用3個47μF耐壓值為100 V的固體電解電容，3個固體電解電容并聯(lián)。開關(guān)管選用型號為IRFP260N的MOS管。二極管選用60CPQ150。計算表明，工作時，開關(guān)管的最大功耗為11．55 W，二極管的最大損耗為4．02 W。

②電源電路

系統(tǒng)中各工作模塊需要的電源有15 V、5 V、3．3 V這3種不同電壓，各電源電壓由蓄電池來提供。蓄電池經(jīng)由功率電阻、L7815、L7805、AMS1117得到各工作模塊所需電壓。

③功率開關(guān)管驅(qū)動電路

本系統(tǒng)采用IR2110S作為MOS管的驅(qū)動芯片。為防止大電流功率電路對小信號控制電路的影響，提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，本文在微控制器PWM輸出引腳與功率開關(guān)管驅(qū)動電路之間設(shè)計了隔離電路。隔離電路采用6N137型光耦隔離器，轉(zhuǎn)換速率可達10 Mbit/s。

④檢測電路

系統(tǒng)對電流、電壓、光照強度、溫度、速度進行了檢測［8］，所用傳感器及部分工作模塊如表3所示。檢測電流選用電阻檢測法，檢測電壓采用分壓檢測法。

表3 系統(tǒng)用傳感器及部分工作模塊

⑤過流保護電路

設(shè)計過流保護電路以減小大電流或沖擊電流對蓄電池和元器件的損害。通過檢測DC-DC變換器輸入電流和輸出電流的大小，來控制保護電路。當(dāng)DC-DC變換器的輸入電流或輸出電流大于設(shè)定的閾值時，通過光耦隔離器驅(qū)動IR2110S的輸出保護引腳來控制PWM波的輸出。

（3）系統(tǒng)軟件設(shè)計

由于電動自行車運行過程中電機電流是時刻變化的，考慮到蓄電池在不同荷電狀態(tài)時的充電電流接受能力不同，為避免對蓄電池造成損害，太陽能電動自行車行駛過程中太陽電池選用與充電過程一致的供電方式。系統(tǒng)控制流程如圖7所示。

圖7 利用太陽能給電動自行車供電控制流程圖

4.實驗測試

（1）充電測試

將太陽電池垂直于太陽光照射角度放置，給鋰電池充電。當(dāng)天最大光照強度為58 612 lx，蓄電池充電前電壓為35．02 V。充電過程如圖8所示。初始充電電流為1．64 A，隨后逐漸增至4 A。當(dāng)蓄電池電壓達到42 V時，蓄電池進入恒壓充電階段，充電電流由4 A逐漸減至0．06 A，充電完成。因此，實驗所用太陽電池給10 Ah鋰電池充電，3．5 h即可將蓄電池充滿。

圖8 鋰電池充電電壓、充電電流變化曲線

（2）路面測試

檢測光照強度的傳感器BH1750FVI與太陽電池平行放置，安裝在太陽電池邊框上，檢測速度的密封式霍爾傳感器安裝在后輪支架上。太陽電池單獨給電動自行車供電的測試結(jié)果如圖9所示。圖9中為太陽光照強度G、電動自行車速度v、太陽電池輸出功率P、太陽電池輸出電流I、太陽電池輸出電壓V、環(huán)境溫度T共6個參數(shù)隨時間的變化曲線。電動車從啟動到穩(wěn)定到最大速度用時23 s，光照強度在55 000 lx時，輸出功率在200～220 W，最高速度19．8 km/h。運行78 s后進入陰影區(qū)（樹影等），光照強度由54 612 lx降為6 000 lx，太陽電池的輸出功率隨光照強度的變化由205 W降至20 W，車速減小。電動車行駛到90 s時走出陰影區(qū)，光照強度迅速恢復(fù)為54 612 lx，太陽電池的輸出功率恢復(fù)為210 W，電動車速度增大，穩(wěn)定在 19．8 km/h。

圖9 太陽電池單獨供電測試

太陽電池與蓄電池并聯(lián)供電時，電動自行車的電源總功率PZ、蓄電池輸出功率PB、太陽電池輸出功率PS、電動自行車速度v、太陽光照強度G這些參數(shù)隨時間變化曲線如圖10所示。太陽電池與蓄電池并聯(lián)給電機供電時電源總功率250～280 W，蓄電池的輸出功率130～230 W，太陽電池在陽光下的輸出功率130～150 W，電動車最大速度可達到25．7 km/h。太陽電池進入陰影區(qū)時蓄電池輸出功率增大，速度降為21．2 km/h。電動車剎車斷電后，蓄電池輸出功率為零，電動自行車減速運行，太陽電池輸出功率仍為150 W，此時太陽電池給蓄電池充電。

圖10 太陽能與蓄電池聯(lián)合供電測試

5.結(jié)論

通過DC-DC變換器的控制，太陽電池的輸出功率穩(wěn)定，工作點可調(diào)，可以實現(xiàn)最大功率點跟蹤。所選太陽電池在3．5 h內(nèi)可將10 Ah的鋰電池充滿；太陽電池單獨給電動自行車供電時，其輸出功率可以達到210 W，車速可達19．8 km/h；太陽電池和蓄電池通過DC-DC變換器并聯(lián)給電動自行車供電時，電源的總輸出功率可提高到278 W，車速可提高到25．7 km/h。

本研究表明，電動自行車在晴天行駛時，太陽能能夠滿足其電能的需要。考慮到太陽能電動自行車的實用性和便捷性，還需對太陽電池輕量化和太陽能電動自行車結(jié)構(gòu)進行研究。

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（稿件來源：太陽能學(xué)報）