太阳能电动车的光蓄互补供电控制装置的研究

赵金国

（西京学院，陕西 西安 710123）

太阳能电动车的光蓄互补供电控制装置的研究

赵金国

（西京学院，陕西 西安 710123）

通过一种太阳能电动车光蓄互补供电控制装置的研究，设计的新型 DC/DC变换装置实现在太阳能电池与蓄电池联合为负载供电时，能够优先使用太阳能，既可以实现单独向负载供电，又可以实现同时向负载供电。本装置的研究更充分有效实现了太阳能的利用。

太阳能电动车；光蓄互补；互补供电控制装置

引言

近年来，光伏产业发展迅速，国内外对太阳能交通工具的研究方兴未艾，与传统的交通工具相比，太阳能汽车具有清洁、环保、可持续发展等优点，可以说是真正“零排放”的交通工具。控制器是一太阳能汽车系统中重要的电力变换装置，由于太阳能的不稳定性，所发出的的电压也是不稳定的，所以为了能使给汽车稳定的，可靠地电能、控制器的作用便应用而生了。而传统太阳能电池与蓄电池互补供电的控制方法主要有两种。一种是在负载工作时由蓄电池为其供电，当蓄电池能量不足时由太阳能电池为蓄电池充电。另一种是太阳能电池与蓄电池可切换供电，当太阳能电池功率充足时由太阳能电池供电，太阳能电池功率不足时切换到蓄电池供电[1]。

上述两种供电方法都在一定程度上利用了太阳能，但是也都有各自的局限性。第一种方法本质上还是由蓄电池带动负载，太阳能电池作为了充电器。第二种方法比第一种方法有很大进步，但是当太阳能稍有不足时便不能利用太阳能电池带动负载，对太阳能的利用不充分。为了克服上述现有技术的缺点，本文所研究提供一种太阳能电池组与蓄电池组互补供电的控制系统，使它真正实现太阳能优先以最大功率输出，不足部分再由蓄电池进行补充，多余部分充电给蓄电池。从而在有限的能源范围内充分利用太阳能。

1 互补供电系统的结构框图

该系统的结构框图如图1所示，它是由太阳能电池组，太阳能电池组输出与MPPT控制器输入连接，MPPT控制器输出和BUCK2模块的第一输入连接，太阳能电池组与MPPT控制器共同组成太阳能供电电源，蓄电池组的输出和BUCK 1模块的第一输入连接，BUCK1模块的输出和BUCK 2模块的第二输入连接，蓄电池组与BUCK1模块共同组成蓄电池组供电电源， MPPT控制器的输出电压反馈和BUCK1模块的第二输入连接，改变其输出电压大小，太阳能供电电源与蓄电池组供电电源串联后通过BUCK2模块进行降压，最终产生电压与功率都稳定的电能。

所述的蓄电池组供电电源输出电压随着太阳能供电电源电压变化而调节，当太阳能电池组功率充足时，其输出电压为恒定值，反馈信号作用于BUCK1模块，使占空比为零，从而蓄电池组供电电源输出电压为零，蓄电池组不输出电能，由太阳能电池组单独为负载供电；当太阳能电池组功率不足时，其输出电压下降，反馈信号作用于BUCK 1模块，产生占空比为M，输出电压为UB[2]，从而使蓄电池组供电电源为负载提供电能，补充太阳能供电电源能量的不足部分。

图1 系统结构框图

所述的BUCK2模块的输入电压为变化值， BUCK2模块输出电压恒定、输出功率恒定 ，从而带动负载工作。

图2 双输入Buck变换器

双输入BUCK变换器如图2所示，其中Vin1、Vin2分别为两个输入源，Q1、Q2为开关管，D1、D2为续流二极管，Lf是输出滤波电感，Cf是输出滤波电容，Rld是负载。Q1、Q2的开关频率可以相同也可以不相同，如果开关频率相同，Q1、Q2可以同时开通，也可以错开一定角度工作。

图3 开关频率相同时双输入Buck变换器的主要波形

两只开关管的频率相同，且其开通时刻相同的主要波形，如图3所示。

由于双输入 Buck变换器存在两个占空比，因此具有两个控制自由度，可以用于调节输出电压和控制两个输入源的功率分配，便可实现能量管理。

2 该系统的电路实现图

太阳能电动车的电机驱动装置为电动机驱动器，电动机驱动器电路如图 4所示，只需接入驱动器的电压 U与功率P[3]达到电机运行需要即可使电车运转。

图4 电动机驱动器电路图

当太阳能电池组电量充足时，MPPT控制器的输出电压Us通过电阻R1、R2采样输入PWM1模块，使占空比为零，BUCK1电路输出电压为零[4]，全部由太阳能电池组提供能量，其输出电压又经过BUCK2电路使输出电压Uo符合太阳能电动机所需电压要求；当太阳能电池组能量不足时，MPPT控制器输出电压Us通过电阻R1、R2采样输入PWM1模块，产生占空比为m的驱动信号，导致BUCK1电路输出电压u1，Us与u1串联叠加后作为BUCK2的输入。由于u1的叠加使BUCK2的输入回路电压升高，在功率不变的前提下，其输入回路电流减小，即流过MPPT控制器的电流减小，待达到稳态时MPPT输出电压不变[5]，其电流减小量正变与其功率减小量。而BUCK1的占空比稳定为M，输出电压稳定为U1，且二者都反变与电流减小量或功率减小量。

因此，MPPT控制器在太阳能电池组功率减小时保持输出电压 Us稳定，输出太阳能电池组的全额功率，而蓄电池组通过 BUCK1电路补充输出太阳能电池组功率的不足部分；最后，太阳能电池组与蓄电池组串联输入 BUCK2，经过电阻R3、R4形成的反馈调节产生稳定的输出电压Uo，输送给电机驱动器，从而驱动太阳能电车稳定运行。

根据充放电等效电路中，电容C1上电荷平衡的原理，我们可推出：

输出脉冲频率fout与输入电压Vin成正比，从而实现了电压一频率变换。

3 结论

由以上可以看出，本研究实现了一种MPPT控制器和后端的BUCK控制器联动控制的思想方案探索，本系统的优点在于采用模块化研究，实现方便，通用性强。充分发挥了太阳能优先使用的特性，采用最大功率跟踪（MPPT）技术，使其能够最大限度的将大自然所赋予的光伏能源为人类所利用，具有很高的研究价值。

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Research on Complementary Power Supply Control System of Solar Cell And Battery Pack

Zhao Jinguo
( Xijing University, Shaanxi Xi'an 710123 )

Through the study of a solar battery and storage battery group added power control system, which can be realized in the solar battery and accumulatorcombination for load power supply, can give priority to the use of solar energy,at the same time, when the solar energy is insufficient, can let the whole power output of solar cell, battery to compensate the insufficient part, realizes the full use of solar energy effectively the.

Photovoltaic; The solar battery board; Complementary power supply system

TK02

B

文章编号：1671-7988 (2017)21-123-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.041

CLC NO.: TK02

B

1671-7988 (2017)21-123-03

赵金国，男，高级工程师/副教授，就职于西京学院，主要从事车辆工程及汽车新技术的研究。基金项目：西京学院校科研基金项目（XJ130243）。项目名称：电动汽车增加续航能力的研究。