用于新能源汽車的智能光伏充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

楊宇宇，何寧業(yè)

（黃山學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽黃山，245041）

0 引言

全球環(huán)境問(wèn)題面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，溫室效應(yīng)愈發(fā)嚴(yán)重，自然災(zāi)害頻發(fā)，因此優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保障能源供給、保護(hù)生態(tài)環(huán)境已成為事關(guān)全局的重大戰(zhàn)略性任務(wù)。另一方面，能源的過(guò)度消耗使能源緊缺成為全人類所面臨的巨大問(wèn)題，也是能源安全的核心內(nèi)容。如果不改變傳統(tǒng)汽車的出行方式，繼續(xù)大量消耗能源，將難以持續(xù)我國(guó)的汽車行業(yè)的興起。因此利用太陽(yáng)能、風(fēng)力發(fā)電等清潔能源為新能源汽車供電，勢(shì)必成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。如何開(kāi)發(fā)利用新能源減少碳排放量以實(shí)現(xiàn)綠色出行也將成為最重要的環(huán)保話題之一。本文中提出的柔性薄膜太陽(yáng)能光伏板和蓄電池組成的智能光伏充電系統(tǒng)與電動(dòng)汽車的結(jié)合，既充分利用了新能源，又為解決中小型城市以及農(nóng)村新能源汽車電量不足的突發(fā)狀況提供便利，避免不必要的風(fēng)險(xiǎn)。因此，太陽(yáng)能與電動(dòng)汽車的結(jié)合將會(huì)是未來(lái)發(fā)展的主流。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能光伏充電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能光伏板，電量監(jiān)測(cè)模塊，STM32單片機(jī)，MPPT模塊，蓄電池五部分組成。首先太陽(yáng)能光伏板將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為清潔電能，由STM32單片機(jī)系統(tǒng)自帶電流傳感器和外加電壓傳感器實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光伏板電量情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)蓄電池的荷電狀態(tài)大于90%，則不需要供電；當(dāng)蓄電池荷電狀態(tài)小于90%，單片機(jī)發(fā)出指令控制充電系統(tǒng)啟動(dòng)。MPPT模塊通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能光伏板的最大功率點(diǎn)追蹤。該智能光伏充電系統(tǒng)核心控制單元為STM32單片機(jī)，通過(guò)STM32的定時(shí)器來(lái)控制MPPT中逆變器電路的占空比，逆變器實(shí)現(xiàn)將交流電轉(zhuǎn)換為直流電后存儲(chǔ)在蓄電池中，電量充滿時(shí)自動(dòng)關(guān)閉充電系統(tǒng)。

本文所提用于新能源汽車的智能光伏充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 智能光伏充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

2 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 最大功率追蹤（MPPT）

以STM32芯片作為控制核心，由充電保護(hù)電路作為充放電的開(kāi)關(guān)。充電狀態(tài)時(shí)，由單片機(jī)對(duì)采集的電壓電流數(shù)據(jù)處理得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)，輸出PWM波送至功率管用以調(diào)節(jié)占空比和逆變器的電路阻抗，從而調(diào)整太陽(yáng)能光伏電池的工作點(diǎn)，追蹤至最大功率點(diǎn)處工作。

本文采用一種基于功率變化的改進(jìn)型變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法作為MPPT的控制模塊，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的追蹤。利用MATLAB軟件對(duì)其進(jìn)行仿真，驗(yàn)證該算法的有效性。該算法的工作機(jī)制是測(cè)量當(dāng)前時(shí)刻電壓電流值和前一時(shí)刻電壓電流值，計(jì)算當(dāng)前功率值和前一時(shí)刻功率值并比較，如果此時(shí)功率大于前一時(shí)刻功率，說(shuō)明擾動(dòng)方向正確，從而繼續(xù)向前擾動(dòng)，否則，則反向擾動(dòng)。如此往復(fù)，直至找到最大功率點(diǎn)為止。此方法不僅可以減弱在MPPT附近的震蕩，而且還具有良好的追蹤速度，簡(jiǎn)單可控。

2.2 最大功率點(diǎn)追蹤仿真實(shí)現(xiàn)

智能光伏充電系統(tǒng)中最核心的問(wèn)題就是如何將太陽(yáng)能更高效地轉(zhuǎn)換為電能，以便為新能源汽車供給充足的電量，有效提升續(xù)航里程。智能光伏充電系統(tǒng)的充電效率與外界溫度和光照強(qiáng)度有直接關(guān)聯(lián)，下圖是根據(jù)不同溫度和光照強(qiáng)度在Simulink平臺(tái)上進(jìn)行仿真的模型圖。本文利用變改進(jìn)型步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電池最大功率點(diǎn)追蹤，本文采用的MPPT控制模塊仿真模型圖如圖2所示。

圖2 最大功率點(diǎn)追蹤模塊仿真模型圖

2.2.1 不同溫度下的仿真分析

設(shè)置一天光照強(qiáng)度變化范圍為800-1000w/m2,溫度依次選取17℃，27℃，37℃進(jìn)行仿真。橫軸為時(shí)間t/s,縱軸為輸出功率P/W。仿真結(jié)果如下圖3所示。

圖3 17℃光伏電池輸出功率曲線圖

從圖3中可以看出，溫度為17℃時(shí)，功率發(fā)生快速突變，時(shí)間在0.02處功率上升到0.24附近，又繼續(xù)突變至0.3附近，穩(wěn)定后最大功率在0.3處持續(xù)輸出。

從圖4中可以看出，溫度為27℃時(shí)，功率發(fā)生快速突變，時(shí)間在0.03處功率上升到0.26附近，又繼續(xù)突變至0.33附近，穩(wěn)定后最大功率在0.33處持續(xù)輸出。

圖4 27℃光伏電池輸出功率曲線圖

從圖5中可以看出，溫度為37℃時(shí)，功率發(fā)生快速突變，時(shí)間在0.035處功率上升到0.28附近，又繼續(xù)突變至0.34附近，穩(wěn)定后最大功率在0.34處持續(xù)輸出。

圖5 37℃光伏電池輸出功率曲線圖

通過(guò)對(duì)比17℃、27℃、3℃的仿真結(jié)果分析可知，追蹤最大功率點(diǎn)都要經(jīng)過(guò)迅速突變。在光照強(qiáng)度一定的情況下，隨著溫度的升高，追蹤到最大功率點(diǎn)的速度有所減緩，但追蹤到的最大功率點(diǎn)不斷升高。

2.2.2 不同光照強(qiáng)度下的仿真分析

設(shè)置溫度為27℃,光照強(qiáng)度的范圍依次選取600-800w/m2，800-100w/m2，1000-1200w/m2進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如下圖6所示。

圖6 600-800w/m2光伏電池輸出功率曲線圖

從圖6中可以看出，光照強(qiáng)度為 600-800w/m2時(shí)，發(fā)生迅速突變后，時(shí)間在0.03處功率上升到0.16，又繼續(xù)突變至0.26附近，最大功率以較小波動(dòng)輸出。

從圖7中可以看出，光照強(qiáng)度為 800-1000w/m2時(shí)，發(fā)生迅速突變后，時(shí)間在0.04處功率上升到0.26，又繼續(xù)突變至0.32附近，最大功率以小波動(dòng)輸出。

圖7 800-1000w/m2光伏電池輸出功率曲線圖

從圖8中可以看出，光照強(qiáng)度為 1000-1200w/m2時(shí)，發(fā)生迅速突變后，時(shí)間在0.03處功率上升到0.32，又繼續(xù)突變至0.36附近，最大功率以較大波動(dòng)輸出。

圖8 100-1200w/m2光伏電池輸出功率曲線圖

通過(guò)對(duì)比600-800w/m2，800-100w/m2，1000-1200w/m2的仿真結(jié)果分析可知，發(fā)生迅速突變的有所加速。在溫度一定的情況下，隨著光照強(qiáng)度的增加，追蹤到的最大功率輸出點(diǎn)大幅度增加，但輸出的波動(dòng)強(qiáng)度也隨之增加。

通過(guò)對(duì)改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法仿真分析，有效驗(yàn)證了該算法對(duì)追蹤最大功率點(diǎn)的有效性和對(duì)提高新能源汽車充電效率的實(shí)用性。

3 小結(jié)

本文的研究?jī)?nèi)容是將光伏發(fā)電系統(tǒng)與電動(dòng)汽車相結(jié)合，取代傳統(tǒng)電力汽車或混合動(dòng)力汽車，更大程度利用太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。研究的主要問(wèn)題是提高光伏發(fā)電將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的轉(zhuǎn)換效率，節(jié)省電動(dòng)汽車的耗電量。完成了智能光伏充電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，選用改進(jìn)型變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤技術(shù)（MPPT），該算法可以靈活準(zhǔn)確地追蹤最大功率點(diǎn)，降低光伏充電損耗，提高轉(zhuǎn)換效率。新能源汽車可以稱作真正的“零排放”交通工具，近年來(lái)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，隨著太陽(yáng)能充電系統(tǒng)技術(shù)的不斷改進(jìn)，車載智能光伏充電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)指日可待。