太陽能電動車的光蓄互補供電控制裝置的研究

趙金國

（西京學院，陜西 西安 710123）

太陽能電動車的光蓄互補供電控制裝置的研究

趙金國

（西京學院，陜西 西安 710123）

通過一種太陽能電動車光蓄互補供電控制裝置的研究，設計的新型 DC/DC變換裝置實現(xiàn)在太陽能電池與蓄電池聯(lián)合為負載供電時，能夠優(yōu)先使用太陽能，既可以實現(xiàn)單獨向負載供電，又可以實現(xiàn)同時向負載供電。本裝置的研究更充分有效實現(xiàn)了太陽能的利用。

太陽能電動車；光蓄互補；互補供電控制裝置

引言

近年來，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，國內(nèi)外對太陽能交通工具的研究方興未艾，與傳統(tǒng)的交通工具相比，太陽能汽車具有清潔、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)點，可以說是真正“零排放”的交通工具。控制器是一太陽能汽車系統(tǒng)中重要的電力變換裝置，由于太陽能的不穩(wěn)定性，所發(fā)出的的電壓也是不穩(wěn)定的，所以為了能使給汽車穩(wěn)定的，可靠地電能、控制器的作用便應用而生了。而傳統(tǒng)太陽能電池與蓄電池互補供電的控制方法主要有兩種。一種是在負載工作時由蓄電池為其供電，當蓄電池能量不足時由太陽能電池為蓄電池充電。另一種是太陽能電池與蓄電池可切換供電，當太陽能電池功率充足時由太陽能電池供電，太陽能電池功率不足時切換到蓄電池供電[1]。

上述兩種供電方法都在一定程度上利用了太陽能，但是也都有各自的局限性。第一種方法本質(zhì)上還是由蓄電池帶動負載，太陽能電池作為了充電器。第二種方法比第一種方法有很大進步，但是當太陽能稍有不足時便不能利用太陽能電池帶動負載，對太陽能的利用不充分。為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本文所研究提供一種太陽能電池組與蓄電池組互補供電的控制系統(tǒng)，使它真正實現(xiàn)太陽能優(yōu)先以最大功率輸出，不足部分再由蓄電池進行補充，多余部分充電給蓄電池。從而在有限的能源范圍內(nèi)充分利用太陽能。

1 互補供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它是由太陽能電池組，太陽能電池組輸出與MPPT控制器輸入連接，MPPT控制器輸出和BUCK2模塊的第一輸入連接，太陽能電池組與MPPT控制器共同組成太陽能供電電源，蓄電池組的輸出和BUCK 1模塊的第一輸入連接，BUCK1模塊的輸出和BUCK 2模塊的第二輸入連接，蓄電池組與BUCK1模塊共同組成蓄電池組供電電源， MPPT控制器的輸出電壓反饋和BUCK1模塊的第二輸入連接，改變其輸出電壓大小，太陽能供電電源與蓄電池組供電電源串聯(lián)后通過BUCK2模塊進行降壓，最終產(chǎn)生電壓與功率都穩(wěn)定的電能。

所述的蓄電池組供電電源輸出電壓隨著太陽能供電電源電壓變化而調(diào)節(jié)，當太陽能電池組功率充足時，其輸出電壓為恒定值，反饋信號作用于BUCK1模塊，使占空比為零，從而蓄電池組供電電源輸出電壓為零，蓄電池組不輸出電能，由太陽能電池組單獨為負載供電；當太陽能電池組功率不足時，其輸出電壓下降，反饋信號作用于BUCK 1模塊，產(chǎn)生占空比為M，輸出電壓為UB[2]，從而使蓄電池組供電電源為負載提供電能，補充太陽能供電電源能量的不足部分。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

所述的BUCK2模塊的輸入電壓為變化值， BUCK2模塊輸出電壓恒定、輸出功率恒定 ，從而帶動負載工作。

圖2 雙輸入Buck變換器

雙輸入BUCK變換器如圖2所示，其中Vin1、Vin2分別為兩個輸入源，Q1、Q2為開關(guān)管，D1、D2為續(xù)流二極管，Lf是輸出濾波電感，Cf是輸出濾波電容，Rld是負載。Q1、Q2的開關(guān)頻率可以相同也可以不相同，如果開關(guān)頻率相同，Q1、Q2可以同時開通，也可以錯開一定角度工作。

圖3 開關(guān)頻率相同時雙輸入Buck變換器的主要波形

兩只開關(guān)管的頻率相同，且其開通時刻相同的主要波形，如圖3所示。

由于雙輸入 Buck變換器存在兩個占空比，因此具有兩個控制自由度，可以用于調(diào)節(jié)輸出電壓和控制兩個輸入源的功率分配，便可實現(xiàn)能量管理。

2 該系統(tǒng)的電路實現(xiàn)圖

太陽能電動車的電機驅(qū)動裝置為電動機驅(qū)動器，電動機驅(qū)動器電路如圖 4所示，只需接入驅(qū)動器的電壓 U與功率P[3]達到電機運行需要即可使電車運轉(zhuǎn)。

圖4 電動機驅(qū)動器電路圖

當太陽能電池組電量充足時，MPPT控制器的輸出電壓Us通過電阻R1、R2采樣輸入PWM1模塊，使占空比為零，BUCK1電路輸出電壓為零[4]，全部由太陽能電池組提供能量，其輸出電壓又經(jīng)過BUCK2電路使輸出電壓Uo符合太陽能電動機所需電壓要求；當太陽能電池組能量不足時，MPPT控制器輸出電壓Us通過電阻R1、R2采樣輸入PWM1模塊，產(chǎn)生占空比為m的驅(qū)動信號，導致BUCK1電路輸出電壓u1，Us與u1串聯(lián)疊加后作為BUCK2的輸入。由于u1的疊加使BUCK2的輸入回路電壓升高，在功率不變的前提下，其輸入回路電流減小，即流過MPPT控制器的電流減小，待達到穩(wěn)態(tài)時MPPT輸出電壓不變[5]，其電流減小量正變與其功率減小量。而BUCK1的占空比穩(wěn)定為M，輸出電壓穩(wěn)定為U1，且二者都反變與電流減小量或功率減小量。

因此，MPPT控制器在太陽能電池組功率減小時保持輸出電壓 Us穩(wěn)定，輸出太陽能電池組的全額功率，而蓄電池組通過 BUCK1電路補充輸出太陽能電池組功率的不足部分；最后，太陽能電池組與蓄電池組串聯(lián)輸入 BUCK2，經(jīng)過電阻R3、R4形成的反饋調(diào)節(jié)產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出電壓Uo，輸送給電機驅(qū)動器，從而驅(qū)動太陽能電車穩(wěn)定運行。

根據(jù)充放電等效電路中，電容C1上電荷平衡的原理，我們可推出：

輸出脈沖頻率fout與輸入電壓Vin成正比，從而實現(xiàn)了電壓一頻率變換。

3 結(jié)論

由以上可以看出，本研究實現(xiàn)了一種MPPT控制器和后端的BUCK控制器聯(lián)動控制的思想方案探索，本系統(tǒng)的優(yōu)點在于采用模塊化研究，實現(xiàn)方便，通用性強。充分發(fā)揮了太陽能優(yōu)先使用的特性，采用最大功率跟蹤（MPPT）技術(shù)，使其能夠最大限度的將大自然所賦予的光伏能源為人類所利用，具有很高的研究價值。

[1] 王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.7.1.

[2] 裴云慶,楊旭,王兆安.開關(guān)穩(wěn)壓電源的設計和應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.

[3] 柏莉.一種適用于太陽能電動車的光蓄互補太陽能優(yōu)先控制器研究[D].西京學院,2013.04.27.

[4] 李艷.多輸入直流變換器電路拓撲及控制策略研究[D].南京航空航天大學,2009.09.01.

[5] 李春芳.太陽能電動車關(guān)鍵技術(shù)研究[D].吉林:吉林大學,2011.6.

[6] Hongzhuan Cai,Xiaohui Li.Simulation of the Output Characteristics of Solar Panels Based on Simulink [D].International Conference on Industrial Electronics and Computer Applications (ICIECA2014),2014,(3):13～14.

[7] Peng F Z,A new ZVS bidirectional DC.DC converter for fuel cell and battery application[J].IEEE Transactions on Powee Electrionics,2008,(23):3035～3046.

Research on Complementary Power Supply Control System of Solar Cell And Battery Pack

Zhao Jinguo
( Xijing University, Shaanxi Xi'an 710123 )

Through the study of a solar battery and storage battery group added power control system, which can be realized in the solar battery and accumulatorcombination for load power supply, can give priority to the use of solar energy,at the same time, when the solar energy is insufficient, can let the whole power output of solar cell, battery to compensate the insufficient part, realizes the full use of solar energy effectively the.

Photovoltaic; The solar battery board; Complementary power supply system

TK02

B

文章編號：1671-7988 (2017)21-123-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.041

CLC NO.: TK02

B

1671-7988 (2017)21-123-03

趙金國，男，高級工程師/副教授，就職于西京學院，主要從事車輛工程及汽車新技術(shù)的研究。基金項目：西京學院校科研基金項目（XJ130243）。項目名稱：電動汽車增加續(xù)航能力的研究。