車載太陽能電源設(shè)計(jì)

張夢源，于少娟，薛曉龍，曹林濤，李彥鋒，汪 信

(1.太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院；2.太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024)

隨著中國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的日益發(fā)展，人們生活水平的逐漸提高，推動(dòng)了汽車消費(fèi)力，使汽車保有量進(jìn)一步增長，截至2021年底，全國汽車保有量超過100萬輛的城市已達(dá)79個(gè)，汽車帶來的環(huán)境問題也急需解決?！笆濉币?guī)劃明確提出要樹立綠色、低碳發(fā)展理念，新型能源的發(fā)展受到了高度重視，以太陽能為例的新型能源發(fā)電技術(shù)取得了快速發(fā)展。本設(shè)計(jì)就是以實(shí)現(xiàn)太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的車載利用為目的。通過太陽能光伏板把太陽能轉(zhuǎn)化為電能并通過蓄電池儲(chǔ)存以實(shí)現(xiàn)對(duì)車載電器的供電。汽車行駛過程中光照以及溫度的變化會(huì)使太陽能光伏板輸出功率不穩(wěn)定，本設(shè)計(jì)通過引用最大功率跟蹤算法追蹤光伏板不同環(huán)境條件下的最大輸出功率來提高發(fā)電效率，拓寬太陽能電源的應(yīng)用場景。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)共有6部分組成，包括有太陽能光伏板、最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)模塊、充電保護(hù)模塊、逆變器模塊、鋰電池組、電池管理系統(tǒng)基本構(gòu)成關(guān)系如圖1所示。太陽能電池板產(chǎn)生能量并經(jīng)過充電保護(hù)模塊為蓄電池儲(chǔ)能，再由逆變模塊升壓并轉(zhuǎn)支流為交流，供車載電器使用。在鋰電池組充電的階段，太陽能光伏板通過MPPT模塊之后始終以最大輸出功率為鋰電池組進(jìn)行充電。同時(shí)充電保護(hù)模塊時(shí)刻監(jiān)視著鋰電池組的電壓大小與溫度，當(dāng)鋰電池組的電壓達(dá)到充電截止電壓或充電時(shí)溫度過高時(shí)，充電保護(hù)模塊截止對(duì)鋰電池組的充電，以確保本設(shè)計(jì)處于安全的工作環(huán)境。

圖1 總體的電路原理圖設(shè)計(jì)框圖

1.2 太陽能電池板

太陽能光伏板(Solar panel)是把太陽光的能量通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接或間接轉(zhuǎn)換成電能的裝置。系統(tǒng)中使用的是光電轉(zhuǎn)換率約為17%～18%的多晶硅太陽能光伏板。

1.3 鋰電池

汽車在行駛或者?？繒r(shí)只要太陽能電池板受到陽光的照射就會(huì)一直產(chǎn)生電能，因此就需要蓄電池存儲(chǔ)電能，同時(shí)也需要蓄電池作為中轉(zhuǎn)，存儲(chǔ)的電能經(jīng)過逆變電路轉(zhuǎn)為交流電，從而滿足常用小功率電器的使用。本設(shè)計(jì)使用額定電壓為12.6 V的鋰電池。

1.4 充電保護(hù)模塊

實(shí)現(xiàn)基本充電保護(hù)、短路保護(hù)的功能；電池額外充電接口：支持5 V(USB接口)、12 V(汽車電瓶)、18 V(大功率充電器)對(duì)電池充電。確保實(shí)現(xiàn)減少損耗，太陽能光伏板的輸出優(yōu)先供給逆變器，減少能量損耗。

1.5 最大功率跟蹤模塊

擾動(dòng)觀察法、恒壓法、電導(dǎo)增量法是主要的3類最大功率跟蹤方法。恒壓法是調(diào)整光伏陣列的工作電壓使其穩(wěn)定在最大工作電壓附近，該方法結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)，但難以應(yīng)對(duì)多變的環(huán)境因素。擾動(dòng)觀察法是給光伏陣列一個(gè)擾動(dòng)輸出電壓信號(hào)，測量此時(shí)的輸出功率，然后與擾動(dòng)前輸出功率比較，如果功率變大則擾動(dòng)是正增長方向，反之就是負(fù)增長方向。該方法結(jié)構(gòu)簡單、成本低、效果顯著，因此使用廣泛。電導(dǎo)增量法根據(jù)電導(dǎo)增量的變化改變電壓變化步長。從而可以更加精確地跟蹤最大功率，適用包括汽車行進(jìn)在內(nèi)的環(huán)境因素多變的場合，但該算法要求傳感器具有較高的精度以及較快的電路響應(yīng)速度，因而使得系統(tǒng)成本較高。理想狀態(tài)下電導(dǎo)增量法能達(dá)到最佳的功率追蹤效果，但是當(dāng)傳感器的精度較低時(shí)，太陽能光伏板的電導(dǎo)增量和瞬間電導(dǎo)的計(jì)算會(huì)存在誤差，對(duì)最大功率的追蹤會(huì)有很大的誤差。反之較于電導(dǎo)增量法，擾動(dòng)觀察法就能通過簡單的結(jié)構(gòu)、較低的成本實(shí)現(xiàn)較好的效果。本系統(tǒng)采用擾動(dòng)觀察法進(jìn)行MPPT的設(shè)計(jì)。

1.6 太陽能光伏電源逆變系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

首先由鋰電池或太陽能光伏電池板提供直流電壓，經(jīng)過逆變電路進(jìn)行升壓處理后，產(chǎn)生近似工頻正弦波輸出。太陽能光伏板在有光照時(shí)會(huì)一直輸出直流電，為防止鋰電池出現(xiàn)欠電壓和過電壓的情況，需要充電保護(hù)電路實(shí)時(shí)檢測鋰電池電壓情況，并做出相應(yīng)處理。太陽能光伏電源逆變系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 太陽能光伏電源逆變器的基本結(jié)構(gòu)框圖

1.6.1 太陽能光伏電源逆變器的設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)的車載太陽能電源是將鋰電池的直流電逆變?yōu)?20 V、50 Hz的交流電以滿足小型家電的正常使用。輸出性能參數(shù)如表1所示。

表1 光伏逆變電源性能參數(shù)

1.6.2 逆變部分電路設(shè)計(jì)。在太陽能光伏板發(fā)電過程中，由于光照強(qiáng)度的變化，導(dǎo)致其輸出電壓存在一定程度的波動(dòng)，因此，采用耐壓寬、轉(zhuǎn)換效率高的金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)在驅(qū)動(dòng)脈沖的控制下交替產(chǎn)生導(dǎo)通與關(guān)斷兩種狀態(tài)，使逆變器在輸入電壓具有一定波動(dòng)的情況下穩(wěn)定產(chǎn)生正弦波供負(fù)載使用。為了平衡輸入瞬時(shí)功率與輸出瞬時(shí)功率的差異等問題，系統(tǒng)中通常需要并聯(lián)多個(gè)薄膜電解電容來解決。

1.7 鋰電池充放電管理系統(tǒng)(BMS)

鋰電池充放電管理系統(tǒng)是通過對(duì)鋰電池溫度、電壓、電流等信息的采集，保證鋰電池充電、放電過程的安全穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)過充、過放。

BQ76925是一款適用于3～6節(jié)串聯(lián)鋰電池組的充放電管理系統(tǒng)模擬量數(shù)據(jù)采集芯片?？梢员O(jiān)視電池組中各個(gè)電池的電壓與容量，同時(shí)由此款芯片組成的均衡電路，保護(hù)電路可以為電池組提供溫度過熱保護(hù)、電壓過壓、欠壓保護(hù)、電流過流保護(hù)等電池組質(zhì)量安全監(jiān)測。BQ76925采用SMbus協(xié)議與控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，控制系統(tǒng)可通過此總線讀取電池組的各項(xiàng)信息。同業(yè)也通過此總線對(duì)電池組做出相應(yīng)的控制。

2 系統(tǒng)仿真(基于Simulink軟件仿真)

使用Simulink仿真搭建了由太陽能光伏板給鋰電池充電的系統(tǒng)，在給定不同的光照強(qiáng)度的作用下，功率會(huì)隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而發(fā)生不同強(qiáng)度的變化。

本系統(tǒng)基于上面系統(tǒng)的改裝得出的，由太陽能光伏板陣列接收太陽能轉(zhuǎn)化為電能經(jīng)過MPPT控制電路，MPPT控制仿真電路如圖3所示。再經(jīng)過一系列的整流和濾波進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)化，給鋰電池進(jìn)行不斷地充電。

圖3 MPPT控制電路仿真

3 實(shí)物性能測試

3.1 太陽能光伏電池板對(duì)鋰電池充電測試

本設(shè)計(jì)采用一塊20 W太陽能光伏板通過MPPT系統(tǒng)輸出穩(wěn)定的直流電給鋰電池進(jìn)行充放電測試。

把太陽能光伏板，最大功率跟蹤模塊，充電保護(hù)模塊以及鋰電池按順序連接在一起，接入負(fù)載進(jìn)行測試，記錄數(shù)據(jù)。如圖4進(jìn)行測試，記錄數(shù)據(jù)如表2所示。

圖4 光伏充電系統(tǒng)實(shí)物圖

表2 太陽能光伏電池板對(duì)鋰電池對(duì)充電測試

分析：由表2可得出，鋰電池充滿一次電的時(shí)間范圍在5.5 h～6.4 h左右，分析數(shù)可知，鋰電池的充電時(shí)長和太陽能光伏板與光線之間的夾角有關(guān)，此夾角越接近垂直充電所用時(shí)間就越短。這與仿真結(jié)果相一致。若要縮短充電時(shí)間可以將太陽能光伏板與光線垂直擺放或增加太陽能光伏板相并聯(lián)給鋰電池進(jìn)行充電。充電結(jié)束后，太陽能充電控制器由BMS判斷并進(jìn)行斷電處理，防止過充對(duì)鋰電池造成損壞。

3.2 對(duì)普通用電器進(jìn)行充電測試

在系統(tǒng)穩(wěn)定工作后接入負(fù)載。本測試使用手機(jī)作為負(fù)載，測試成果如表3所示。

表3 太陽能光伏逆變器充電測試

3.3 分析

經(jīng)由對(duì)不同平臺(tái)的手機(jī)充電測試及結(jié)果進(jìn)行分析，該太陽能光伏逆變器可以對(duì)不同功率手機(jī)進(jìn)行充電，達(dá)到本設(shè)計(jì)計(jì)劃的效果。手機(jī)電量充滿所用時(shí)間大約為 2.5 h～3 h之間。若要再收縮充電時(shí)長，必須增大逆變電路的輸出電流，增大其輸出功率。本設(shè)計(jì)把車載光伏逆變系統(tǒng)分為光伏發(fā)電模塊、鋰電池儲(chǔ)能模塊和光伏逆變模塊多個(gè)模塊。在后期維護(hù)上也便利了用戶，某一模塊出現(xiàn)問題后改換或維修單一模塊便可。