太陽能冷鏈三輪車設計*

方曉敏，鄭思思

（1.衢州職業技術學院，浙江 衢州324000；2.衢州市工程技術學校，浙江 衢州324000）

電動三輪車具有適應性強、機動靈活、維護簡單、維修方便和價格低廉等優點，廣泛用于家庭、城鄉、個體出租、廠區、礦區、環衛、社區保潔等短途運輸領域。電動三輪車充電時間長，充電頻次高，續駛里程短，有市電（220V）插座才能充電，可能會出現半路斷電的問題。此外電動三輪車在運輸冷鏈食品、疫苗、鮮奶等需要冷藏的物品時，現有技術一般采用冰塊、保溫箱等進行冷藏，成本較高而且保鮮度難以得到保障。在電動三輪車上安裝車載冷藏室，可以有效提高保鮮度，降低保鮮成本。開發太陽能冷鏈三輪車，隨時隨地在陽光下為蓄電池充電，對我國交通和節能減排有明顯的意義。

1 太陽能冷鏈三輪車關鍵技術分析

1.1 太陽能電池最大功率點跟蹤技術

太陽能光伏發電面臨的主要問題是如何提高太陽能電池工作效率，以及如何提高整個系統工作穩定性。太陽能電池的發電特性比較特殊，需要特定的控制方式才能充分發揮其效率。最大功率點跟蹤技術（Maximum Power Point tracking，MPPT）作為提高光伏發電系統效率的有效途徑之一，已成為國內外研究的熱點。國內外專家研究了多種MPPT控制方法。MPPT控制方法逐步由簡單的控制算法，如恒定電壓法（Constant Voltage Tracking）、擾動觀察法（Perturb-Observer Algorithms）和電導增量法（Incremental Conductance），向復雜的智能控制發展，如神經網絡算法、模糊控制算法和粒子群算法等。

1.2 蓄電池充放電技術

由于鋰電池具有工作電壓高、重量能量比和體積能量比大、循環壽命長、安全特性好、充放電電流大等優點，目前是小型用電裝置的主流電源。鋰電池充電方式和放電方式受工況影響大，是幾種充放電方式的組合。采用何種充放電方式，必須檢測鋰電池狀態和負載工況，因此鋰電池充放電研究越來越深入，充放電控制也越來越智能化。

鋰電池基本的充電方式有：恒壓充電、恒流充電、脈沖充電。在實際應用時一般將幾種基本充電方式組合使用。鋰電池的放電方式有：恒阻放電、恒流放電、恒功率放電，但在實際使用過程中鋰電池放電方式受工況影響，不會是固定的某一種放電方式，可以看作是幾種放電方式的組合。在電池管理過程中需要估算一個重要參數：電池的荷電狀態（State Of Charge，SOC），即剩余電量與電池總容量的比值。SOC直接影響蓄電池的動力性能和使用壽命。但是電池的SOC不能直接測量，只能通過電池內阻、充放電電流、電池端電壓等參數來估算。電池的荷電狀態直接影響其可接受充電電流。當SOC<10%時，只能用小電流涓流充電，因為電池內阻較大；當10%≤SOC≤90%時，鋰電池可接受最大為1C的充電電流，此階段適合大電流快速充電，因為電池的內阻較小；當SOC>90%時，電池可接受充電電流按照麥斯定律減小，保持大電流充電會有導致鋰沉積的電化學反應發生，損害鋰電池的使用壽命。

1.3 光伏制冷技術

將光伏發電技術和制冷技術結合在一起就是太陽能光伏制冷技術，該技術主要是對常規的制冷設備加以利用。光伏制冷技術包括光伏半導體制冷和光伏壓縮式制冷。半導體制冷是根據珀爾帖效應，采用特種半導體材料形成P-N結，利用直流電進行制冷或制熱。半導體制冷不使用制冷劑，可小型化，無運動部件，噪聲小，能分布式制冷；不足之處是制冷效率低，COP（能效比，即名義制冷量（制熱量）與運行功率之比）一般為0.2~0.3，另外價格較高。相反，壓縮式制冷技術已經很成熟，目前的制冷劑也很環保。在壓縮式制冷技術上發展光伏制冷技術具有難度小，易于推廣的優勢。

2 太陽能冷鏈三輪車系統設計

2.1 太陽能冷鏈三輪車系統結構

太陽能冷鏈三輪車系統結構如圖1所示。主要包括電動三輪車、制冷系統、鋰電池、控制器和光伏組件。

圖1 太陽能冷鏈三輪車系統結構圖

電動車選用額定功率為500W，額定電壓為48V的電動三輪車。實驗所用太陽能電池的參數為標稱300W，輸出電壓范圍0～44.6V的太陽能電池板，作為充電電源，太陽能電池有效工作電壓設置在25～44.6V。使用2個鋰電池組為儲電單元，存儲太陽能轉化而來的能量，為電動三輪車電機及冰箱電機供電。鋰電池標稱為48V，欠壓保護為45V，過充電壓為58V。擬設計的變換器需要升壓功能，設計的變換器選擇為升壓Boost拓撲，Boost變換器電路將太陽能電池板能量轉換為可用的電壓電流，為后級電路提供能量。制冷系統選為直流冰箱，直流冰箱制冷系統中的壓縮機為直流壓縮機，制冷工質為R134a，冰箱容積為86L，上部的冷凍室容積為12L，名義設計溫度為-12℃，下部的冷藏室容積為74L，名義設計溫度為0~10℃。

2.2 系統硬件解決方案

系統硬件框圖如圖2所示。系統實現的硬件功能包括：采集太陽能電池輸出的電壓電流；采集鋰電池組1和鋰電池組2的電壓電流，根據不同的狀況，通過開關Q1、Q2及Q3和Q4調整負載供電模式；實現Boost升壓功能模塊；PWM驅動模塊，實現Boost升壓模塊占空比調制。通過控制開關管占空比實現太陽能最大功率點跟蹤算法及恒壓限流算法控制。

當電動車運行時，Q3閉合，Q4斷開，Q1斷開，Q2閉合，鋰電池組1為負載供電，鋰電池2充電（鋰電池組2滿電時，Q2斷開）；Q3斷開，Q4閉合，Q1閉合，Q2斷開，鋰電池組2為負載供電，鋰電池組1充電（鋰電池組1滿電時，Q1斷開）。當三輪車停駛時，根據鋰電池組1和鋰電池組2的電量，確定是否閉合或斷開Q1、Q2、Q3、Q4。

DSP外圍電路包括啟動模式電路、JTAG電路（在線調試接口）、A/D模塊、EPWM模塊、電源模塊、外部存儲器擴展和時鐘模塊等。為了提高系統的可擴展性，使用性能優越的TMS320F28335作為控制芯片，以實現較復雜的控制算法。通過分壓電路后的電壓信號，經過電壓跟隨電路進入A/D模塊，進行電壓采樣，而電流信號則通過取小電阻兩端電壓，經過差分放大電路后進入A/D模塊，進行電流采樣。

系統中各工作模塊需要的電源有15V、5V、3.3V三種不同電壓，其電源電壓由鋰電池來提供。鋰電池經由DC-DC模塊降壓，再經過三端穩壓芯片L7815，得到15V電壓，再經三端穩壓芯片L7805得到5V電壓，最后由高效線性穩壓器AMS1117將5V電壓轉換至3.3V。EPWM模塊和電機驅動模塊采用6N137光耦隔離芯片，進行高低信號電平間的隔離，避免控制器產生誤操作。

2.3 電動車光伏供電解決方案

使用固定電壓法與變步長擾動觀察法相結合的控制方法，迅速到達最大功率點，該方法可以減少最大功率點處的輸出功率振蕩幅度，降低功率損耗，且控制算法相對不太復雜。對系統的核心功能電路DC-DC變換器進行研究，選用可實現升壓的BOOST變換器，對變換器進行交流小信號建模，得出其頻率特性，按照需要設計變換器，并對其功率開關管和輸出電壓的工作波形進行檢測，以滿足系統的工作要求。

圖2 系統硬件框圖

對車用鋰電池的充電特性進行研究，提出一種適合鋰電池充電的控制策略，最大限度地利用太陽能電池的能量。其控制策略如圖3所示。

圖3 鋰電池充電方式控制框圖

在鋰電池恒流充電階段，為充分利用太陽能電池，采用最大功率點跟蹤算法。這里使用電流模式控制，其目的是為了控制太陽能電池板輸出（Upv），此輸出為DC-DC處的輸入。這使得太陽能電池板可始終運行在它的最大功率點上。通過調整電源開關的占空比，可調節輸入電流。通過調整輸入電流，調節輸入電壓。通過最大功率點跟蹤算法確定PV電池板電壓的設定點（Upv_ref）。在這個控制機制下，當太陽能電池板電壓（Upv）上升，高于MPPT算法設定的基準電池板電壓（Upv_ref）時，此控制環路增加電池板電流指令（針對內部電流環路Ipv_ref的基準電流），從而將電路板電壓控制在基準電平上（Upv_ref）；當電池板電壓下降，低于此基準時，控制環路減少電池板電流指令，將電池板電壓復原至它的基準電平。在鋰電池恒壓充電和浮充階段，分別設置Ubref1和Ubref2作為恒壓充電階段和浮充階段的參考電壓。采用電壓PI調節，使DC變換器輸出電壓控制在參考電壓處。

3 市場前景分析

目前，電三輪車的市場保有量預計在5000~6000萬輛的規模水平，其中太陽能冷鏈三輪車可用于運輸冷鏈食品、疫苗、鮮奶等需要冷藏的物品，具有廣闊的市場前景，如表1所示。

表1 太陽能冷鏈三輪車應用