电动汽车车载光伏充电系统的研究与设计

殷战稳，刘豪

(河南城建学院，河南平顶山467036)

随着石油资源的日益枯竭和节能环保要求的提高，电动汽车成为热门研究课题，在近几年得到迅速发展，相关技术不断走向成熟。目前制约电动汽车发展的一大瓶颈是电能问题：快速充电很难将电池充满，一次性充电续驶里程短，受到循环寿命的限制等。为此采用电动汽车车载磷酸铁锂动力电池组设计了一种车载光伏电池充电系统，随电动汽车移动，时刻跟踪光伏电池的最大输出功率，实现高效、稳定、安全地对动力电池长时间补给充电，解决电池组充电时间和充电状态之间的矛盾。本文以光伏电池充电系统作为研究对象，在系统的结构和控制算法方面作了详细的分析和研究，并在此基础上完成了整个系统的设计与验证。

1 光伏电池最大功率跟踪算法研究

光伏电池既非恒压源、也非恒流源，不能给负载提供任意大的功率，是一种非线性直流电源，其输出受日照强度、环境温度和负载等情况影响。只有在某一输出电压值时，光伏阵列的输出功率才能达到最大值。这时光伏阵列的工作点可以达到输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点。为了有效利用光伏电池，对光伏发电系统进行最大功率点跟踪是必要的［1-6］。

当光伏电池对动力电池充电时，由于动力电池本身也是一个电压源，因此该DC/DC变换器的输出电压可以被认为在短时间内是一个常量。在理想情况下，DC/DC变换器的功率损耗为零，那么光伏电池输出的全部功率与动力电池吸收的全部功率相等。由于动力电池端的电压被认为短时间内不变，那么只需测量动力电池端的电流即可。当动力电池端的电流达到最大值时，认为光伏电池输出最大功率。因此，电压采样(通过测量电压确定不同电压区间内采用的控制算法)的频率要远远低于电流采样的频率。

步长自适应电流寻优法的流程如图1所示，即本控制电路所采用的最大功率跟踪算法。图1中的I(n)表示当前时刻的电流值;I(n-1)表示前一时刻的电流值;D(n)表示当前时刻的占空比;D(n-1)表示前一时刻的占空比;ΔD表示占空比增量，是一个正数。由于始终进行扰动观测，因此在到达最大功率点时，会在最大功率点左右振荡，造成光伏电池的能量损失。扰动值ΔD越大，振荡会越大，损耗也就越大，但是扰动值ΔD过小，跟踪会不灵敏。因此本文采用变步长跟踪，即成正比，即

2 磷酸铁锂动力电池充电控制策略

本文中电动汽车的电池系统是由16节额定电压为3 V的磷酸铁锂动力电池串联组成，由于单节电池存在不一致性，在串联充电过程中，各单节电池电压、温度、SOC(荷电状态)也存在分散性，所以必须时刻检测每节电池的电压、温度等参数信息，防止单节电池出现过充现象。

光伏系统中的充电方法根据电池容量的多少及电池端电压的大小，将充电过程分为最大功率充电、恒压充电和浮充电三个阶段。在充电控制过程中融入了最大功率点跟踪方法，保证了系统的效率。

当最高单节电池电压小于3.65 V(充电截止电压为3.65 V)时，采用最大功率跟踪算法对磷酸铁锂动力电池组充电，当最高单节电池电压达到3.65 V之后，采用非最大功率跟踪算法(PI调节器)恒压充电。为避免系统在这两个模式下不断切换，导致系统震荡，在截止电压处设置了一个迟滞环节。充电控制策略流程如图2所示。

图1 最大功率点跟踪算法流程

图2 充电控制策略流程

在流程中，对测量信号采样时，主要采用数字滤波，这是为了保证采样的准确性。另外，将中值滤波和平均值滤波结合起来，构成防脉冲干扰的平均值滤波，对缓变过程的脉冲干扰有良好的复合滤波效果。最后，将充电电流信号的连续m(m＞3)个采样值进行排序，取其中n个值的平均值作为t=kT时的滤波输出。

单节电池电压可以通过电动汽车中的CAN通迅网络获取，每节电池中装有一个小的电池信息检测系统，将检测到的电池电压等信息通过CAN总线发送到总控制器单元。光伏电池充电系统通过CAN总线向总控制器发送查询单节电池电压数据请求，然后接收单节电池电压(如图3)。

3 实验

基于上述设计思想与理论，根据样机的具体性能指标，研制了一台光伏电池充电系统样机，如图4所示。利用构建的试验平台进行充电算法和软件设计调试与评估。在各种日照下对样机进行实验，并给出了实测结果。

3.1 最大功率点跟踪测试

为确保验证MPPT算法的有效性，用一个MPPT测试电路［6］进行实验验证，实验主电路如图5所示，采用0～60 V直流稳压源Us串联一个功率电阻Rs(3.7 Ω左右)模拟光伏电池，由戴维南等效电路可知，光伏电池最大功率点对应电压Ui应为直流线性稳压源电压的一半(Us/2)，测试结果如表1所示。

从最大功率点跟踪测试结果可以看出，MPPT跟踪误差在2%以内。

图3 CAN通讯系统

图4 光伏电池充电系统实物图

图5 最大功率跟踪测试电路

表1 最大功率跟踪测试结果

3.2 系统的统一调试

图6为日照强度骤变过程中光伏电池充电系统充电电流和电压的实验波形(标准光照下光伏电池最大输出功率为75 W)。

从系统测试波形可以看出，系统工作在最大功率点附近，且波动较小，当日照强度骤变时，光伏电池充电系统充电电压(即电池电压)变化不大，但是充电电流变化比较剧烈，输出功率变化比较大。

光伏电池充电系统在自然环境下的测试结果如表2所示。

图6 日照骤变时充电波形

表2 自然环境下测试结果(光照较弱)

从测试结果可以看出，当日照强度远低于标准日照度1 000 W/m2时，输出功率较低，但系统效率则达到88%以上。

4 结束语

从光伏电池充电系统样机实验结果可知，本文所设计的光伏电池充电系统能够在自然环境下正常工作，系统充电效率高，而且基于步长自适应电流寻优法的MPPT算法具有良好的跟踪速度和稳态性能。

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［4］李晶，窦伟，徐正国，等.光伏发电系统中最大功率点跟踪算法的研究［J］.太阳能学报，2007，28(3)：268-273.

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