基于太阳能的电动车光蓄能源供电管理系统

童俊杰，叶成彬，陈贤钰，张铭锋，李子琦

（华南理工大学广州学院 电气工程学院，广州 510800）

引言

随着国家近年来对新能源发电技术的发展，使得它能够在各个领域得到很大的应用。太阳能作为一种清洁的可再生能源，在很多行业领域尤其是太阳能光伏发电方面得到了更多创新的发展和应用，其中典型的是太阳能电动车的光蓄能源控制系统的研究和应用。

目前，传统的光伏电池与蓄电池互补供电系统主要有两种，一种是由蓄电池为负载进行供电，当蓄电池电量不足时，由光伏电池为蓄电池进行充电；另一种是光伏电池与蓄电池互相切换为负载供电，当光伏电池发电功率充足时，由光伏电池为负载供电，否则切换到蓄电池为负载供电。两种控制模式都一定程度上利用了太阳能，但对太阳能的利用不充分[1]。

本文提出一种具有多种能源控制方式的光蓄能源供电系统，实现太阳能光伏板实时以最大的功率输出，太阳能电动车可优先使用太阳能，并根据实际工况选择合适的能源控制模式。

1 太阳能光伏电池模型

1.1 光伏电池的数学模型

太阳能光伏电池的等效电路如图1所示，其中U为光伏电池的输出电压；I 为光伏电池的输出电流；Iph为光生电流；Id为二级管电流；Ish为光伏电池的漏电流；Rsh为等效并联电阻；Rs为等效串联电阻。根据基尔霍夫电压定律及基尔霍夫电流定律，可推导太阳能光伏电池输出电流的数学表达式[2-4]：

图1 太阳能光伏电池的等效电路图

式中：

I0—二极管的反向饱和电流，不受光照影响；

A—二极管曲线因子，一般取值为1；

K—玻尔兹曼常数1.38×10-38J/K；

T—绝对温度。

1.2 光伏电池的工程模型

在实际的工程模型应用中，通常采用的是在光伏电池数学模型基础上进行分析和修正的光伏电池工程模型。光伏电池数学模型具体的分析如下[5]：

1）在光伏电池内部，等效串联电阻Rs远远小于等效并联电阻Rsh，所以光生电流Iph远远大于光伏电池的漏电流Ish。因此，在建立光伏电池的工程模型时，等效并联电阻Rs可忽略不计。

2）在光伏电池内部，等效串联电阻Rs远远小于PN结导通电阻，当光伏电池发生短路时，其短路电流Isc可等效为光生电流Iph。

3）在标准状况条件下，将光伏电池的开路电压等于标准环境条件下的开路电压Uoc，光伏电池的峰值电压等于标准环境条件下的峰值电压Um，光伏电池的峰值电流等于标准环境条件下的峰值电流Im。

光伏电池的工程模型：

根据光伏电池的开路条件，光伏电池工程模型的参数A：

根据在标准环境条件下光伏电池的工程模型，光伏电池工程模型的参数B：

在标准状况条件下，可通过光伏电池的峰值电压Um、峰值电流Im、开路电压Uoc、短路电流Isc求得参数A和参数B，因此得到光伏电池在标准环境条件下的输出特性。为了得到光伏电池在任意环境条件下的输出特性，需要对太阳能光伏电池的工程模型进行修正[5]。

通过光伏电池数学模型的分析和光伏电池工程模型的修正，建立光伏电池的MATLAB模型。

2 MPPT技术算法及仿真

2.1 最大功率点跟踪方法（干扰观察法）

本供电电路系统采用的最大功率点跟踪方法是典型的闭环控制自寻优MPPT控制方法中的干扰观察法。干扰观察法的MPPT算法是通过实时对太阳能光伏电池的输出电压和输出电流进行测量并进行闭环控制从而实现太阳能光伏电池的最大功率输出。P&O法的MPPT工作原理如图2所示。

图2 P&O法的MPPT工作原理结构图

干扰观察法的工作原理是对太阳能光伏电池输出电压在固定的步长时间内施加扰动，再根据光伏电池扰动后输出功率的变化，进一步调整扰动的方向，使光伏电池以最大的功率输出。此干扰观察法具有原理易懂，电路结构易实现，算法及操作简单等优点，但由于其工作原理所固有特性决定了固定步长的干扰观察法无法兼顾追踪响应的速度和稳态的精度。

2.2太阳能光伏电池供电系统在MPPT控制下的MATLAB仿真

为了验证太阳能光伏电池供电系统在P&O法控制下的最大功率跟踪性能，采用光照强度和温度分别作为单一变量的实验方法进行仿真验证。实验过程中将温度的高低分为多组进行仿真，每组具有不同的温度且保持不变，通过改变每组的光照强度强弱来检验光伏电池发电系统的MPPT性能。 MPPT控制作用下的太阳能光伏发电系统MATLAB仿真模型如图3所示[6-8]。

图3 MPPT控制的光伏发电系统MATLAB仿真模型

在仿真实验中，光伏电池采用PV Array模块，其参数为开路电压50 V、短路电流18 A、峰值电压40 V、峰值电流15 A，电容C1值为10 uF，电容C2值为0.1 uF，电感L1值为0.1 H，电阻R1值为10 Ω。

MPPT控制下太阳能光伏电池供电系统的仿真实验结果分析：

通过图4 MPPT控制下的光伏电池电压与光照强度及温度的关系可以得出，保持光照强度不变且在200 ~1 000 W/m2的范围，光伏发电系统在不同温度条件下，MPPT控制的光伏电池输出电压输出在相应温度下的最大功率点输出电压左右，光伏电池输出功率在相应的温度下以最大功率输出，表明干扰观察法在不同温度下，最大功率跟踪性能达到预期；保持温度不变，光伏发电系统在200~1 000 W/m2范围内的不同光照强度条件下，MPPT控制的光伏电池输出电压输出在相应光照强度下的最大功率点输出电压40 V左右，光伏电池输出功率在相应的光照强度下以最大的功率输出，表明干扰观察法在不同光照强度下，最大功率跟踪性能达到预期。

图4 MPPT控制下的光伏电池电压与光照强度及温度的关系

3 电机模型

3.1 电机的数学模型

本电路系统采用直流电动机作为太阳能电动车的动力机械电机。在电枢控制作用下的直流电动机，电枢电压V在电枢回路中产生电枢电流I，电枢电流I与激磁磁通相互作用产生力矩τ，驱动电枢旋转，完成从电能到机械能的转换。

忽略电机动力学模型的电枢反应、磁滞、涡流效应的影响，当激磁电流If不变，激磁磁通也不变，则变量关系为线性关系，电磁转矩与电枢电流成正比。

根据图5电机的动力学模型，可推导电机各参数的数学表达式。

图5 电机的动力学模型图

式中：

Vm—反向电动势；

Kb—反向电动势常数，取值为0.081；

KT—力矩常数，取值为0.081；

Ra—电机电阻，取值为0.920 Ω；

La—电机电感，取值为0.000 9 H；

θ—电机转动角度；

J—惯性动量，取值为2.8×10-5kg/m2；

B—粘性抵抗，取值为6.5×10-4N/m。

3.2 电机的MATLAB模型

根据电机的运动方程是三阶非齐次线性微分方程，可通过对时间t的积分建立电机运动方程的模型，电机运动方程的积分流程如图6所示。

图6 电机运动方程的积分流程图

4 蓄电池充放电控制电路

图7所示的BOOST/BUCK电路中蓄电池的充放电控制主要是通过控制功率开关管的导通与关断实现。蓄电池的放电控制采用的是BOOST升压电路，蓄电池的充电控制采用的是BUCK降压电路[9,10]。

图7 BOOST/BUCK电路

蓄电池充电控制过程中，对Tb进行脉冲控制，Ta关断，也就是BUCK电路工作，在功率开关管Tb导通时间Ton内，电流流过功率开关管Tb、电感L1对蓄电池和电容C1进行充电；在功率开关管Tb关断时间Toff内，蓄电池充电是通过二极管D1和电感L1的续流和电容C2的放电。

蓄电池电压与充电输入电压的关系：

蓄电池放电控制过程中，对Ta进行脉冲控制，Tb关断，也就是BOOST电路工作，在功率开关管Ta关断时间Toff内，蓄电池放电电流流过电感L1、二极管D2对电容C1进行充电并输出电流；在功率开关管Ta导通时间Ton内，蓄电池对电感L1进行充电，蓄电池放电是通过电容C2的放电。

蓄电池电压与放电输出电压的关系：

在本电路系统中，主要是通过在合适的条件下控制功率开关管Ta、功率开关管Tb和功率开关管Tc的全导通或全关断实现对蓄电池组的充放电控制。

5 光蓄能源供电系统MATLAB仿真实验

在光蓄能源供电系统的MATLAB仿真实验中，仿真实验是在保证标准温度条件不变，光照强度由无光照逐步变大的条件下进行，如图9为光蓄供电系统MATLAB仿真实验的光照强度变化。本供电电路系统实验仿真中光伏电池模型采用的是MATLAB/Simulink中的PV Array模块。PV Array模块的参数为开路电压50 V，短路电流18 A，峰值电压40 V，峰值电流15 A、电容C1值为10 uF、电容C2值为10 uF、电容C3值为0.1 uF、电感L1值为0.1 H、电感L2值为0.1 H、电阻R1值为10 Ω，蓄电池标称电压35 V、额定容量100 Ah、初始电荷状态50 %。图8为光蓄供电系统电路图。

图8 光蓄供电系统电路图

图9 光蓄供电系统的光照强度变化

5.1 光蓄能源供电系统工作模式的实验结果分析

1）光伏电池供电模式实验结果分析：

从图10的Current1线为光伏电池供电模式的蓄电池工作电流、图11的Motor1/2线为光伏电池供电模式的电动机转速可得出，通过控制Ta关断、Tb关断、Tc关断，整个供电系统的工作方式为光伏电池供电模式。在0~2 s无光照强度时间段内，光伏电池的发电功率为0，同时蓄电池不对负载和电机进行供电；在光照强度充足、充电电压允许的条件下，蓄电池也没有进行充电。

2）蓄电池放电模式实验结果分析：

从图10的Current2线为蓄电池放电模式的蓄电池工作电流、图11的Motor2/2线为蓄电池放电模式的电动机转速可得出，通过控制Ta关断、Tb关断、Tc导通，整个供电系统中的工作方式为蓄电池放电模式。在0~2 s无光照强度时间段内，光伏电池的发电功率为0，负载和电机由蓄电池进行供电；在光照强度充足、充电电压允许的条件下，负载和电机由光伏电池进行供电，但不向蓄电池进行充电。

3）蓄电池充电模式实验结果分析：

从图10的Current3线为蓄电池充电模式的蓄电池工作电流、图11的Motor3/2线为蓄电池充电模式的电动机转速可得出，通过控制Ta关断、Tb导通、Tc关断，整个供电系统中的工作方式为蓄电池充电模式。在0~2 s无光照强度时间段内，蓄电池不向负载和电机进行供电；在2~4 s光照强度不足的时间段内，光伏发电系统的输出电压低于蓄电池的充电电压，因此光伏电池的输出电流接近于0；在光照强度充足、充电电压允许的条件下，光伏电池向负载和电机进行供电，同时对蓄电池进行充电。

4）光蓄互补供电模式实验结果分析：

从图10的Current4线为光蓄互补供电模式的蓄电池工作电流、图11的Motor4/2线为光蓄互补供电模式的电动机转速可得出，通过控制Ta关断、Tb导通、Tc导通，整个供电系统中的工作方式为光伏电池和蓄电池互补供电模式。在0~2 s无光照强度时间段内，光伏电池的发电功率为0，负载和电机由蓄电池进行供电；在光照强度充足、充电电压允许的条件下，光伏电池向负载和电机进行供电，同时对蓄电池进行充电。

图10 蓄电池工作电流

图11 电动机转速

6 结束语

利用MATLAB/Simulink软件仿真工具对太阳能电动车的光蓄能源供电系统的能源控制方案进行仿真，仿真结果表明，光蓄能源供电系统具有4种能源控制的工作模式，分别为光伏电池供电模式、蓄电池放电模式、蓄电池充电模式和光蓄互补供电模式。太阳能电动车可在优先使用太阳能光伏电池能源的情况下，根据电路系统的具体工况或环境情况，通过调节功率开关管Ta、Tb、Tc的通断，选择合适的能源控制的工作方式和实现蓄电池的充放电控制。为了便于对基于太阳能电动车的光蓄能源供电系统的4种能源控制的工作模式进行理解，本文中设功率开关管的导通状态用1表示，功率开关管的关断状态用0表示，则光蓄能源供电系统的工作状态可总结于表1。

表1 光蓄能源供电系统工作状态

目前，市场上太阳能电动摆渡车的电机通常采用直流串励电动机，电压参数在（24~72）V之间，功率参数在（500~3 000）W之间。其中常用的电压为48 V或60 V。

该设计方案和仿真分析结果可为此相似类型的小型太阳能电动摆渡车的能源控制方案的设计研究提供参考。