車載太陽能電源設計

張夢源，于少娟，薛曉龍，曹林濤，李彥鋒，汪 信

(1.太原科技大學 電子信息工程學院；2.太原科技大學 機械工程學院，山西 太原 030024)

隨著中國經濟建設的日益發展，人們生活水平的逐漸提高，推動了汽車消費力，使汽車保有量進一步增長，截至2021年底，全國汽車保有量超過100萬輛的城市已達79個，汽車帶來的環境問題也急需解決。“十二五”規劃明確提出要樹立綠色、低碳發展理念，新型能源的發展受到了高度重視，以太陽能為例的新型能源發電技術取得了快速發展。本設計就是以實現太陽能光伏發電技術的車載利用為目的。通過太陽能光伏板把太陽能轉化為電能并通過蓄電池儲存以實現對車載電器的供電。汽車行駛過程中光照以及溫度的變化會使太陽能光伏板輸出功率不穩定，本設計通過引用最大功率跟蹤算法追蹤光伏板不同環境條件下的最大輸出功率來提高發電效率，拓寬太陽能電源的應用場景。

1 系統結構設計

1.1 系統設計

本設計共有6部分組成，包括有太陽能光伏板、最大功率點跟蹤(MPPT)模塊、充電保護模塊、逆變器模塊、鋰電池組、電池管理系統基本構成關系如圖1所示。太陽能電池板產生能量并經過充電保護模塊為蓄電池儲能，再由逆變模塊升壓并轉支流為交流，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行充電。同時充電保護模塊時刻監視著鋰電池組的電壓大小與溫度，當鋰電池組的電壓達到充電截止電壓或充電時溫度過高時，充電保護模塊截止對鋰電池組的充電，以確保本設計處于安全的工作環境。

圖1 總體的電路原理圖設計框圖

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或者光化學效應直接或間接轉換成電能的裝置。系統中使用的是光電轉換率約為17%～18%的多晶硅太陽能光伏板。

1.3 鋰電池

汽車在行駛或者停靠時只要太陽能電池板受到陽光的照射就會一直產生電能，因此就需要蓄電池存儲電能，同時也需要蓄電池作為中轉，存儲的電能經過逆變電路轉為交流電，從而滿足常用小功率電器的使用。本設計使用額定電壓為12.6 V的鋰電池。

1.4 充電保護模塊

實現基本充電保護、短路保護的功能；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)對電池充電。確保實現減少損耗，太陽能光伏板的輸出優先供給逆變器，減少能量損耗。

1.5 最大功率跟蹤模塊

擾動觀察法、恒壓法、電導增量法是主要的3類最大功率跟蹤方法。恒壓法是調整光伏陣列的工作電壓使其穩定在最大工作電壓附近，該方法結構簡單、容易實現，但難以應對多變的環境因素。擾動觀察法是給光伏陣列一個擾動輸出電壓信號，測量此時的輸出功率，然后與擾動前輸出功率比較，如果功率變大則擾動是正增長方向，反之就是負增長方向。該方法結構簡單、成本低、效果顯著，因此使用廣泛。電導增量法根據電導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，適用包括汽車行進在內的環境因素多變的場合，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速度，因而使得系統成本較高。理想狀態下電導增量法能達到最佳的功率追蹤效果，但是當傳感器的精度較低時，太陽能光伏板的電導增量和瞬間電導的計算會存在誤差，對最大功率的追蹤會有很大的誤差。反之較于電導增量法，擾動觀察法就能通過簡單的結構、較低的成本實現較好的效果。本系統采用擾動觀察法進行MPPT的設計。

1.6 太陽能光伏電源逆變系統的基本結構

首先由鋰電池或太陽能光伏電池板提供直流電壓，經過逆變電路進行升壓處理后，產生近似工頻正弦波輸出。太陽能光伏板在有光照時會一直輸出直流電，為防止鋰電池出現欠電壓和過電壓的情況，需要充電保護電路實時檢測鋰電池電壓情況，并做出相應處理。太陽能光伏電源逆變系統的基本結構框圖如圖2所示。

圖2 太陽能光伏電源逆變器的基本結構框圖

1.6.1 太陽能光伏電源逆變器的設計要求。本設計的車載太陽能電源是將鋰電池的直流電逆變為220 V、50 Hz的交流電以滿足小型家電的正常使用。輸出性能參數如表1所示。

表1 光伏逆變電源性能參數

1.6.2 逆變部分電路設計。在太陽能光伏板發電過程中，由于光照強度的變化，導致其輸出電壓存在一定程度的波動，因此，采用耐壓寬、轉換效率高的金屬-氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)在驅動脈沖的控制下交替產生導通與關斷兩種狀態，使逆變器在輸入電壓具有一定波動的情況下穩定產生正弦波供負載使用。為了平衡輸入瞬時功率與輸出瞬時功率的差異等問題，系統中通常需要并聯多個薄膜電解電容來解決。

1.7 鋰電池充放電管理系統(BMS)

鋰電池充放電管理系統是通過對鋰電池溫度、電壓、電流等信息的采集，保證鋰電池充電、放電過程的安全穩定，不會出現過充、過放。

BQ76925是一款適用于3～6節串聯鋰電池組的充放電管理系統模擬量數據采集芯片。可以監視電池組中各個電池的電壓與容量，同時由此款芯片組成的均衡電路，保護電路可以為電池組提供溫度過熱保護、電壓過壓、欠壓保護、電流過流保護等電池組質量安全監測。BQ76925采用SMbus協議與控制系統進行數據傳輸，控制系統可通過此總線讀取電池組的各項信息。同業也通過此總線對電池組做出相應的控制。

2 系統仿真(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，在給定不同的光照強度的作用下，功率會隨著光照強度的增強而發生不同強度的變化。

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

圖3 MPPT控制電路仿真

3 實物性能測試

3.1 太陽能光伏電池板對鋰電池充電測試

本設計采用一塊20 W太陽能光伏板通過MPPT系統輸出穩定的直流電給鋰電池進行充放電測試。

把太陽能光伏板，最大功率跟蹤模塊，充電保護模塊以及鋰電池按順序連接在一起，接入負載進行測試，記錄數據。如圖4進行測試，記錄數據如表2所示。

圖4 光伏充電系統實物圖

表2 太陽能光伏電池板對鋰電池對充電測試

分析：由表2可得出，鋰電池充滿一次電的時間范圍在5.5 h～6.4 h左右，分析數可知，鋰電池的充電時長和太陽能光伏板與光線之間的夾角有關，此夾角越接近垂直充電所用時間就越短。這與仿真結果相一致。若要縮短充電時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給鋰電池進行充電。充電結束后，太陽能充電控制器由BMS判斷并進行斷電處理，防止過充對鋰電池造成損壞。

3.2 對普通用電器進行充電測試

在系統穩定工作后接入負載。本測試使用手機作為負載，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

經由對不同平臺的手機充電測試及結果進行分析，該太陽能光伏逆變器可以對不同功率手機進行充電，達到本設計計劃的效果。手機電量充滿所用時間大約為 2.5 h～3 h之間。若要再收縮充電時長，必須增大逆變電路的輸出電流，增大其輸出功率。本設計把車載光伏逆變系統分為光伏發電模塊、鋰電池儲能模塊和光伏逆變模塊多個模塊。在后期維護上也便利了用戶，某一模塊出現問題后改換或維修單一模塊便可。