基于太陽能電動自行車的電源管理系統的研究

劉明順 馬勇 李超　劉雨城

【摘 要】本文以電動自行車的太陽能電源管理系統為研究對象，以光伏發電技術為基礎，提出了運用太陽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的效率及性能。設計DC/DC變換器，通過改變DC/DC變換器中功率開關的導通率，進而控制整個電源管理系統，實現太陽能電池自動充電并為電動自行車提供動力的功能。

【關鍵詞】太陽能電池；光伏發電；最大功率追蹤；DC/DC變換器

0 引言

我國經濟正處于高速發展的階段，能量消耗也在迅速地增加，雖然我國的能源豐富，但是由于人口較多，所以人均能源擁有量較低水平。在現代城市中，內燃機汽車的熱效率不到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，污染了空氣，影響人體健康和動植物的發育和生長。[1]面對此情況，我們必須尋找新能源，大力開發可再生能源。太陽能是新型能源中能量最具大的，具有清潔、環保及可持續發展等優點。為了響應低碳環保的政策，電動自行車成了很好的交通工具，但其充電比較麻煩。然而其配合太陽能發電的優點，太陽能電動車則就成為了真正的零污染、零排放的理想交通工具。而太陽能電動自行車發電的關鍵就是光伏發電控制器的設計，它的性能直接決定了太陽能電池板的效率和性能。太陽能電池的功率則需要用最大效率追蹤法來分析，最終為電動車提供最大的動力。

1 太陽能電動自行車的電源管理系統的整體框架設計

1.1 普通電動自行車的工作原理及現狀

電動自行車電瓶（鉛酸蓄電池）是一種電能與化學能互相轉換的可逆裝置，也就是說既能將電能儲存起來（充電），又能將化學能變為電能釋放出來（放電），為電動車提供動力。鉛酸蓄電池充放電的過程是電化學反應的過程，充電時，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晶的物質，當電池中電解溶液的硫酸鉛濃度過高或靜態閑置時間過長時，就會“抱成”團，結成小結晶，這些小結晶再吸引周圍的硫酸鉛。就像滾雪球一樣形成大的惰性結晶，結晶后的硫酸鉛充電時不但不能再還原成氧化鉛，還會沉淀附著在電極板上，造成了電極板工作面積下降，這一現象叫做硫化，也就是常說的老化。這時電池容量會逐漸下降，直至無法使用。當硫酸鉛大量的堆積時還會吸引鉛微粒形成鉛枝，正負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。硫酸鉛結晶就會在這些縫隙內堆積，并產生膨脹張力，最終使極板斷裂脫落或外殼破裂，造成電池不可修復性物理損壞。所以，導致鉛酸蓄電池失效和損壞的主要機理就是電池本身無法避免的硫化。圖1是普通電動自行車充電工作的結構框圖。

圖1 普通電動車的工作框圖

1.2 太陽能電動車工作的原理及電源管理系統的整體框架設計

1.2.1 太陽能電動車工作原理

太陽能電動自行車的工作原理是：太陽能電動自行車通過太陽能電池將太陽的光能轉換成電能，存儲在蓄電池中。用來驅動電動機旋轉從而帶動電動自行車行駛。它在傳統的電動車上增加了太陽能電池板，將太陽能轉換成電能，儲電裝置將太陽能轉換成的電能儲存起來，給電動車的蓄電池充電，彌補蓄電池的電量。再通過最大功率追蹤（MPPT）裝置負荷供給能量。作為MPPT就是跟隨太陽能電池的最大輸出功率點。是車輛在功率最大的狀態下工作的裝置。從MPPT出來的電能給發動機的速度控制裝置及蓄電池充電，使發動機驅動。

1.2.2 電源管理系統的整體框架設計

太陽能電動自行車的充電放電及提供動力給負載的組成有220V交流電源，經AC/DC轉換器轉換成直流電，再向鉛酸蓄電池充電，由于負載是交流供電負載，需在蓄電池與負載之間增加DC/AC逆變器裝置。當太陽能電池板進行光伏發電時，需設置DC/DC變換器對太陽能電池板進行控制，通過改變DC/DC變換器中功率開關管的導通率，來調整、控制太陽能電池陣列工作在最大功率點，從而實現最大功率跟蹤控制。如圖2所示。

圖2 太陽能電動車的工作框圖

太陽能電池板：太陽能電池板的作用是將太陽能通過光生伏特效應轉換為電能，或送至系統的蓄電池中儲存起來，進而提供給負載工作使用。由于太陽能電池板的價格較高，因此它的質量和成本對整個系統的質量和成本影響非常大。

太陽能充放電控制器：太陽能控制器的作用是調解控制整個系統的工作狀態，并在工作過程中對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。在溫差較大的地方，所配的太陽能控制器還應該具備溫度補償的功能。其他附加功能如光控開關、時控開關都是合格太陽能控制器的可選項。

鉛酸蓄電池：蓄電池的作用是將太陽能電池板在有光照時所轉換的電能儲存起來，需要的時候再輸出提供給負載。

逆變器：在大多數場合，由于太陽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載提供電能，就需要將太陽能發電系統所發出的直流電轉換成交流電，因此需要使用 DC-AC 逆變器。[2]

2 太陽能電池板的選擇

2.1 太陽能電池板的工作原理

太陽能電池通過某些特殊材料，硅中的光電現象把光能轉化為電流，當太陽光線射到太陽能電池上的時候，電子被“刺激”而成為“自由電子”，并在外部電路中流動從而形成電流。

圖3 太陽能電池板充電原理

太陽能電池由P型半導體和N型半導體組成，如圖3所示，當P型半導體和N型半導體相接時，在兩種材料之間形成了界面P-N結，當光線照射到半導體上后，光的能量通過電子從化學鍵中被釋放，由此產生了電子-空穴對，界面層N型材料中的電子和P型材料中的空穴相對應：P區的電子穿過P-N結從而進入N區；N區的空穴進入P區，使P端電勢升高，N端電勢降低，于是在P-N結兩端形成了光生電動勢，這就是P-N結的光生伏特效應（簡稱光伏效應）。

在P-N結開路的情況下，光生電流和正向電流相等時，P-N結兩端建立起穩定的電勢差VOC這就是太陽能電池的開路電壓。如果將P-N結與外電路接通，只要光照不停止，就會有電流通過電路，P-N結起了電源的作用。這就是太陽能電池的基本原理。

2.2 太陽能電池板的選擇

硅太陽能電池中以單晶硅太陽能電池轉換效率最高，技術也最為成熟。在大規模應用和工業生產中，單晶硅太陽能電池占據主導地位，但單晶硅材料價格高而且制備工藝相當繁瑣。為了節省高質量材料，尋找單晶硅電池的替代產品，現在發展了薄膜太陽能電池，其中典型代表有以高溫、快速制備為發展方向的多晶硅薄膜太陽能電池和疊層（多結）非晶硅太陽電池。

3 太陽能充電系統設計

3.1 主電路的設計

太陽能充電系統的設計主要是對DC/DC變換器的設計。DC/DC變換器，亦稱直流斬波器，其工作原理是通過調節控制開關，將一種持續的直流電壓變換成另一種（固定或可調的）直流電壓，其中二極管起續流的作用，LC電路用來濾波。DC/DC轉換電路可以分多種，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，它由開關S、二極管D、儲能電感L和濾波電容C組成。假設升壓變換器電路中電感L值很大，電容C值很大。當開關S開通時 ，輸入電壓氣向電感L充電，同時電容C上的電壓向負載供電，由于電容C值很大，因此輸出電壓基本保持恒定，記為V0。假設開關s開通的時間為ton，則電感L上的能量為Vin*Il*ton。當開關S關斷時，輸入電壓和電感L一起向電容C充電，并向負載提供能量。假設開關S關斷的時間為toff，則電感L釋放的能量為（V0-Vin）*Il*toff當電路工作處于穩態時，一個周期內電感L上儲存的能量與釋放的能量相等。即

3.1.2 太陽能充電系統中DC/DC變換器功能的實現

DC/DC變換器主要有兩個作用：一是調節太陽能電池的工作點，使其工作在最大功率點處；二是限制蓄電池充電電壓范圍。

圖5為與太陽能電池輸出相連接的升壓變換器的電路圖。其中，通過改變變換器開關的PWM占空比可以控制功率通量。

圖5 太陽能電池板輸出端的Boost變換器電路

3.2 最大功率追蹤的原理

在太陽能光伏發電系統中，太陽能電池是最基本的環節，若要提高整個系統的效率必須要提高太陽能光伏電池的轉換效率，使其輸出功率為最大功率。因此，最大功率點跟蹤的研究是至關重要的。由電路知識可知，當負載電阻等于供電電阻時，此負載上可獲得最大功率。

顯然，由以上公式可得結論。一些內阻變化較小的電源供電系統可以采用此方法獲得最大輸出功率。但太陽能電池受到溫度、光照、負載等諸多因素影響，所以最大功率跟蹤較為復雜。目前采用的方法是在負載和太陽能電池陣列之間增加一個DC/DC變換器，通過改變DC/DC變換器中功率開關管的導通率，對太陽能電池陣列工作在最大功率點進行調整、控制，從而實現最大功率跟蹤控制。如上圖5所示。

4 結語

本文通過對太陽能電動自行車的整體結構分析，充電系統的和主電路控制器的研究，應用最大功率追蹤法（MPPT），實現了將太陽能轉換成的電能最大效率的提供給電動車的電機進行驅動。很好的響應了當代社會提出的低碳環保和新能源開發利用的口號。

【參考文獻】

[1]趙慧.基于太陽能電動車充電控制系統的研究[D].廣東：廣東工業大學，2005：1-11.

[2]王曉磊.電動自行車的太陽能充電裝置的研究[D].河南：河南農業大學，2011：14-18.

[責任編輯：薛俊歌]