電動汽車光伏充電系統(tǒng)的分析與設計

黃俊

摘 要：針對電動汽車動力電池組長期不能完全充滿而影響其使用壽命的問題，擬設計一種光伏電池車載充電裝置，能夠?qū)恿﹄姵亟M長時間小電流涓流充電以改善其充電狀態(tài)，同時部分補充電池組能量，延長電動汽車續(xù)航里程與使用壽命。采用TMS320F2808 DSP芯片作為控制核心、以BOOST升壓變換器作為主電路的硬件設計方案，完成主要元器件的選型和參數(shù)整定，對設計參數(shù)進行仿真驗證和優(yōu)化，制定高性能算法與控制策略，既能完成光伏電池最大輸出功率的跟蹤，又能提高電池的充電效率，此外配備車載監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)良好的人機交互功能。

關鍵詞：電動汽車；電池；光伏充電設計

目前，純電動汽車在電機驅(qū)動控制技術、動力蓄電池管理技術和整車管理控制技術等方面都有待改進。特別是電池管理技術的瓶頸嚴重制約著電動汽車的發(fā)展：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。采用光伏電池對電動汽車動力電池補給充電，可長時間對電動汽車動力電池小電流充電，延長一次性充電的續(xù)駛里程和維護動力電池，延長其使用壽命，可見光伏電池充電裝置發(fā)揮著重要的作用。

一、系統(tǒng)整體構思與設計

電動汽車光伏車載充電總成系統(tǒng)主要涉及以下幾部分：動力電池組、光伏電池、光伏電池充電裝置、車載儀表（車載操作系統(tǒng)）、CAN總線、USB-CAN適配器、電池管理系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

動力電池組由16節(jié)磷酸鐵鋰電池串聯(lián)而成，其標稱電壓為3.2V，充電截止電壓為3.65V，放電截止電壓為2.8V（電機控制器的欠壓保護動作值），光伏電池充電裝置的輸出電壓范圍為44.8V到58.4V之間。單節(jié)電池分別配備了單節(jié)電池管理系統(tǒng)，能夠監(jiān)測電池的電壓、溫度、荷電狀態(tài)并通過CAN總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

光伏電池模塊：根據(jù)車頂尺寸選用GSM75規(guī)格的兩塊光伏電池，其在1000W/m2強度的太陽光照下：開路電壓為20.5V，短路電流為5.0A，額定功率為75W，額定工作電壓為16.5V，額定工作電流為4.5A。將兩塊光伏電池串聯(lián)使用，用升壓直流變換器將光伏電池輸入的能量泵升到電池組電壓。由于在光伏電池額定工作時所需的升壓比為1.8，在光照較弱時升壓比也不會超過3，故選擇BOOST升壓直流變換器作為主電路，其結構簡單，轉換效率高，控制容易。

光伏電池充電裝置是本系統(tǒng)中最主要的部分，是一個高效率智能的DC/DC變換器，采用美國Texas Instruments公司的TMS320F2808數(shù)字信號處理器芯片，它是一款功能強大的32位定點DSP芯片，有高速的12位A/D轉換器，強大的數(shù)字處理和事件管理能力，特別適用于有大批量數(shù)據(jù)處理的測控場合。制定了高性能算法與控制策略，既能完成光伏電池最大輸出功率的跟蹤，又能使磷酸鐵鋰動力電池組的使用達到最佳狀態(tài)。

車載儀表（車載操作系統(tǒng)）：本系統(tǒng)中車載系統(tǒng)是帶XP系統(tǒng)的上網(wǎng)本，由于不支持CAN總線，所以使用了一個USB-CAN總線適配器。

上位機軟件：光伏充電監(jiān)控系統(tǒng)?；贚ABVIEW平臺開發(fā)。

二、磷酸鐵鋰動力電池組充電控制策略

探討光伏系統(tǒng)中電池組的充電方法，根據(jù)電池容量的多少及電池端電壓的大小，使充電過程按照最大功率充電、恒壓充電和浮充電三個階段進行。該充電控制策略綜合了恒流充電快速、及時補償磷酸鐵鋰動力電池電量、恒壓充電能夠控制過充電以及在浮充狀態(tài)保持電池100%電量的優(yōu)點。

當單體電池電壓最高值小于3.65 V時（充電截止電壓為3.65V），采用最大功率跟蹤算法對磷酸鐵鋰動力電池組充電。當檢測到最高單節(jié)電池電壓達到3.65V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)在這兩個模式下不斷切換，導致系統(tǒng)震蕩，截止電壓設置了一個遲滯環(huán)節(jié)。充電控制策略流程圖如圖2所示。

本流程中，對測量信號采樣時，采用數(shù)字濾波，保證采樣的準確性。把中值濾波和平均值濾波結合起來，構成防脈沖干擾的平均值濾波，對緩變過程的脈沖干擾有良好的復合濾波效果。將充電電流信號的連續(xù)m（m>3）采樣值進行排序，取其中位n個值的平均值作為t=kT時的濾波輸出。

單節(jié)電池電壓通過CAN通訊網(wǎng)絡獲取，每節(jié)電池中裝有一個電池信息檢測系統(tǒng)，將檢測到的電池電壓等信息通過CAN總線發(fā)送到總控制器單元。光伏電池充電裝置通過CAN總線向總控制器發(fā)送單節(jié)電池電壓數(shù)據(jù)請求，再通過CAN總線接收單節(jié)電池電壓，CAN通訊系統(tǒng)如圖3所示。

三、電動汽車用光伏車載充電工作原理及硬件設計框圖

本系統(tǒng)設計并制作一個光伏電池充電裝置，輸出電壓范圍為40V-60V；能夠跟蹤光伏電池最大輸出功率，誤差小于5%；變換器效率達到85%；能夠輸出穩(wěn)定的電壓和電流，波動幅度小于5%；能夠檢測電池組的充電電壓和電流，誤差小于5%；具有防止電池組過充電功能和過流保護。系統(tǒng)工作原理圖如圖4所示。

參考文獻：

[1]孫曉明.電動汽車充電電價時段劃分方法及有序充電策略研究[D].北京交通大學碩士學位論文，2014.

[2]何麗娜.電動汽車充電負荷頻率響應控制策略研究[D].湖南大學碩士學位論文，2014.