电动自行车太阳能充电系统最大功率跟踪电路

简智敏



电动自行车太阳能充电系统最大功率跟踪电路

简智敏

（漳州职业技术学院 机械与自动化工程系，福建 漳州 363000）

在电动自行车充电系统中，采用太阳能对蓄电池进行充电，由于太阳能输出特性是非线性的，为了使太阳能工作点始终在最大功率点附近，在分析太阳能电池的输出特性基础上，在硬件电路上采用DC/DC升压电路，软件上采用单片机输出PWM脉冲调节DC/DC电路内部开关管的占空比，来控制太阳能电池的输出电流，实现最大功率跟踪。

MPPT；BOOST变换器；软件设计

引 言

电动自行车是我国城乡居民的一种主要交通工具，是由电动机驱动，蓄电池供电的自行车。蓄电池普遍采用工业电网进行供电，由于现在能源日益稀缺，且有一定污染，因此采用太阳光这种洁净且用之不竭的能源对蓄电池充电是最为理想的。由于太阳光是时刻变化的，即太阳能电池两端的输出电压是时刻变化的，这样使得太阳能电池的输出功率也产生相应的变化，为了提高太阳能电池的利用率，一个重要的途径就是实时调整太阳能电池的工作点，使其始终工作在最大功率点附近。因此，电动自行车的太阳能充电系统，要解决的一个重要问题就是如何实现最大功率点的跟踪。

1 太阳能电池的输出特性

太阳能电池的输出曲线如图1。从图（A）可看出相同日照不同温度时，随着温度的增加，太阳能电池的开路电压下降，最大输出功率降低；从图（B）可看出相同温度不同日照时，随着日照强度增加，开路电压变化不大，最大输出功率增加。可见，太阳能电池在一定的结温和一定的日照强度下，具有唯一的最大功率点，当太阳能电池工作在该点时,能输出当前温度和日照条件下的最大功率[1]。

最大功率跟踪（MPPT）就是指控制电路能够实时的侦测太阳能板两端的发电电压，并追踪最高电压和电流值，使系统以最高的效率对蓄电池充电[2]。

由于太阳能电池的输出特性受到外界多种因素的影响（包括日照强度、环境温度、负载阻抗等），因此其输出特性是非线性的，输出表现为一个不稳定的直流电源。为了便于分析问题，对太阳能电池的模型进行简化，将太阳能电池看作一个带内阻的直流电压源，该内阻的大小随着外界环境变化而变化。

因此，在利用太阳光对电动自行车的蓄电池进行充电时，要实现最大功率点的跟踪，其实就是在太阳能电池与蓄电池之间增加一个DC/DC电路，通过控制该DC/DC电路对整个电路阻抗进行匹配[3]。图2是利用DC/DC电路所构成的MPPT功能电路。

图1 太阳能电池输出特性曲线

图2 MPPT原理性框图

2 MPPT电路的实现

2.1 MPPT电路硬件的实现

在DC/DC电路中，利用晶体管工作在相应的导通和关闭状态，将太阳能电池的不可控的直流输出信号，通过改变占空比变为可控的直流输出，DC/DC电路中的开关调节采用脉宽调制（PWM）进行控制。

由于太阳能电池工作时受天气影响比较大，而且在电动自行车直流系统中，常常会出现光伏电池的输出电压低于蓄电池充电电压的情形，因此对应DC/DC电路采用升压型Boost电路，这样可以始终工作在输入电流连续状态，只要输入电感足够大，电感上的电流就能小到接近平滑的直流电流。

图3 MPPT硬件部分框图

开关管在导通及截止瞬间容易产生较大的电压或电流突变，在开关管两端并联的缓冲电路（R、D1、C2 )，用于保护开关管。

电压采集采用精密电阻进行比例衰减，把输入量程为0～50V的电压转换为0～5V,经过RC滤波后送AD转换器，同时采用线性光耦，较好地实现输入侧和输出侧之间的隔离, AD转换采用芯片ADC0809实现。电流采集采用霍尔电流传感器。PWM信号的输出由单片机通过定时器及软件实现，通过光电耦合来控制开关管的通断。

开关管驱动电路如图4所示，由单片机输出的PWM信号通过光耦与驱动电路隔离，以提高抗干扰能力。当PWM信号为高电平时,三极管T3、 T2截止, T1导通,使得绝缘栅场效应管快速导通。当PWM信号为低电平时,三极管T3导通, T1关断,T2导通, 绝缘栅场效应管快速关断。

MPPT电路需要及时准确地采样蓄电池当前的充电电压和充电电流，将两者相乘，得到当前的充电功率，再与前一时刻的充电功率相比较，进而调节PWM的占空比，使太阳能电池始终工作在最大功率点。

2.2 MPPT电路软件的实现

本文所用的电动车用的蓄电池为36V,由6只6V或3只12V再串联形成电池组。采用太阳电池向蓄电池充电时需以脉宽调制的方式充电。当检测到蓄电池的电压小于41.4V时，此时PWM以100%占空比输出，场效应开关管始终接通，即采取全通充电方式；如果检测到蓄电池电压大于41.4V 并小于44.4V 时，随着蓄电池电压的增加，脉宽不断的变窄，直到蓄电池端电压上升至44.4V 时，脉宽变窄至0，即关闭PWM输出，停止充电。充电流程如图5所示。

图4 MOFT驱动电路

图5 太阳能充电流程

实现MPPT时，将DC/DC电路的输入电压、输出电压和输入电流、输出电流的测量结果通过单片机进行分析。单片机先快速读取充电电流的大小，再与事先设定的充电电流进行比较，若实际电流小于设定电流，则向增加充电电流的方向调整PWM的占空比；若实际电流大于设定电流，则向减小充电电流的方向调整PWM占空比。这里将PWM占空比初始值设为70%，再不断改变占空比采集相应电压和电流，由单片机算出对应功率，与前次结果进行比较，得到最大功率点的方向，从而确定占空比的大小，直至找到最大功率点，才停止搜索。

在整个过程中，由于负载可能会产生变化，因此电压和电流的采集依旧进行。由于日照强度和环境温度的变化是一个缓慢过程，因此参数采样不需要高实时性，只需几秒中断采样一次。产生中断的时间可将初期设得较短，后期设得较长，这样初期可以快速的靠近最大功率点，后期可避免在最大功率点附近振荡。

3 结束语

通过实验跟踪该设计电路的输出电压和电流，并计算出相应功率，验证了该方案的可行性和实用性。该方案电路结构简单，工作稳定可靠，在具体应用中，既可以节约能源，减少污染，而且在白天电动车不管是否有骑行，都可以最大限度的利用太阳能，有利于提高整个太阳能电动自行车的整体性能。

[1] 杨帆，彭宏伟，胡为兵. DC-DC转换电路在光伏发电MPPT中的应用[J]. 武汉工程大学学报，2008(3):104-106．

[2] 赵为. 太阳能光伏并网发电系统的研究[D]. 合肥:合肥工业大学，2003:18-52．

[3] 张春龙，廖志凌，刘国海. 一种基于ON/OFF 控制的太阳能电池MPPT 控制器[J]. 电测与仪表，2009(5):76-79．

[4] 曹倩茹. 光伏发电的最大功率跟踪研究[D]. 西安：西安科技大学，2006:15-40.

[5] 赵庚申，王庆章. 最大功率跟踪控制在光伏系统中的应用[J]. 光电子激光，2003(8):813-816．

[6] 赵宏，潘俊民. 基于MPPT电路的光伏电池最大功率点跟踪系统[J]. 电力电子技术，2004(3):55-57．

[7] 孙佩石，何庆领. 具有最大功率跟踪功能的光伏户外逆变电源[J]. 合肥工业大学学报，2001(6):1115-1118．

[8] 洪刚. 基于脉冲宽度调制技术的太阳能充电系统的设计[J]. 重庆科技学院学报:自然科学版，2009(4):89-90．

The maximum power tracing circuit of solar energy charging system in electric bicycle

JIAN Zhi-min

(Department of Mechanical and Automation Engineering，Zhangzhou Institute of Technology,Zhangzhou 363000，China)

In the charging system of electric bicycle, when using solar energy to charge the storage battery, because the output character of solar energy is non-linear. in order to make the working point of solar energy be constantly around the maximum power, based on the analysis on the output character of solar battery, by using DC/DC boosted circuit on hardware circuit, and on software, using single chip to output PWM impulse so that to adjust duty cycle of internal switch of DC-DC circuit and then control the output current of solar battery, which will make the maximum power tracing be achieved.

MPPT; boost-convertor; software design

TM910.6

A

1673-1417（2013）03-0018-05

2013－05－16

简智敏（1979－），女，福建南靖人，讲师，硕士。

（责任编辑：季平）