利用太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車供電的研究

李孝祿，王東平，李 娟，任美琪

（1．中國(guó)計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2．河北工業(yè)大學(xué) 建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，天津 300401）

電動(dòng)自行車具有輕便、快捷、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，成為廣大工薪階層的主要交通工具。但電動(dòng)自行車在使用過(guò)程中依然存在充電不便、續(xù)駛里程短等問(wèn)題。本研究將電動(dòng)自行車技術(shù)與太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，利用太陽(yáng)能給電動(dòng)自行車供電，有望克服現(xiàn)部分電動(dòng)自行車充電時(shí)間長(zhǎng)、頻次高，續(xù)行里程短的不足，提高電動(dòng)自行車的環(huán)保性。

1.太陽(yáng)電池特性分析及控制方法

（1）太陽(yáng)電池特性

實(shí)驗(yàn)所用太陽(yáng)電池的參數(shù)如表1所示。利用文獻(xiàn)［1］得到太陽(yáng)電池的輸出特性，如圖1所示。從圖1可看出，隨著光照強(qiáng)度增大，太陽(yáng)電池的短路電流顯著增加，開(kāi)路電壓略有增加，太陽(yáng)電池的輸出功率也相應(yīng)增加。太陽(yáng)電池的功率電壓特性曲線是一個(gè)單極點(diǎn)函數(shù)。在最大功率點(diǎn)的左邊，太陽(yáng)電池可看作恒流源；在最大功率點(diǎn)右邊，太陽(yáng)電池可看作恒壓源；在恒壓源與恒流源的交接處即是太陽(yáng)電池的最大功率點(diǎn)。本研究為充分利用太陽(yáng)電池的能量，對(duì)其進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制［2］。

表1 太陽(yáng)電池特性參數(shù)

圖1 不同光照條件下的太陽(yáng)電池的輸出特性曲線

（2）MPPT控制方法

為縮短到達(dá)最大功率點(diǎn)的時(shí)間，系統(tǒng)開(kāi)始工作或外界環(huán)境、負(fù)載發(fā)生突變時(shí)首先選用固定電壓法把工作點(diǎn)調(diào)整到最大功率點(diǎn)附近，然后采用變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法進(jìn)行下一步工作。在相對(duì)遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)處采用較大的擾動(dòng)步長(zhǎng)以迅速找到最大功率點(diǎn)，在靠近最大功率點(diǎn)處采用較小的擾動(dòng)步長(zhǎng)以減小在最大功率點(diǎn)處的振蕩幅度和功率損耗。本研究采用的固定電壓法結(jié)合變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法控制流程圖如圖2所示。

圖2 MPPT控制流程圖

從圖1太陽(yáng)電池的P-U特性曲線可看出：在最大功率點(diǎn)處，|dP/dU|=0；在遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)處|dP/dU|較大，而在靠近最大功率點(diǎn)處|dP/dU|較小，這一變化趨勢(shì)與擾動(dòng)步長(zhǎng)變化趨勢(shì)一致。故可根據(jù)|dP/dU|來(lái)設(shè)置擾動(dòng)步長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)MPPT控制。由于太陽(yáng)電池的P-U特性曲線的斜率dP/dU可由相鄰兩次采樣得到的功率差和電壓差的比值得到，即：

式中，k——整數(shù)，k=1，2，3，…。設(shè)置擾動(dòng)步長(zhǎng)為|ΔP/ΔU|·Step，其中Step為小于1的系數(shù)。

設(shè)置固定電壓法的參考電壓Um=0．78Uoc，電壓誤差范圍ΔV為1．5 V，當(dāng)U（k）≤Um－ΔV或U（k）≥Um+ΔV時(shí)采用固定電壓法，輸出電壓參考值Uref=Um。反之采用變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法進(jìn)行控制。計(jì)算m=|ΔP/ΔU|得到擾動(dòng)步長(zhǎng)m·Step，然后判斷擾動(dòng)方向進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.鋰電池充放電特性及控制方法

實(shí)驗(yàn)所用電動(dòng)自行車為購(gòu)自市場(chǎng)的型號(hào)為樂(lè)比TDN010Z的電動(dòng)自行車，自帶10 Ah鋰電池。鋰電池的充電特性［3］如圖3所示。在電壓低于2．75 V時(shí)，電池的充電電流接受率非常小，僅約為0．1C（C為充放電倍率）；當(dāng)電壓超過(guò)2．75 V后，電池的充電電流接受率大大提高，約為1 C；而當(dāng)電壓超過(guò)4．2 V后，電池的電流接受率又急劇下降。當(dāng)充電電流超過(guò)鋰電池可接受充電電流時(shí)，電池有氣析反應(yīng)，縮短使用壽命。

圖3 鋰離子電池充放電特性曲線

電池電壓不能低于截止放電電壓，當(dāng)電池電壓低于截止放電電壓時(shí)，電池內(nèi)部晶格將受到影響，影響鋰電池的使用壽命和電池容量。根據(jù)鋰電池的充電特性，本系統(tǒng)采用分階段充電法對(duì)鋰電池進(jìn)行充電。分為涓流充電、恒流充電、恒壓充電和浮充4個(gè)階段，充電參數(shù)如表2所示。圖4為鋰電池充電控制框圖。系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)得到的蓄電池電壓Ub選取合適的充電方式對(duì)鋰電池進(jìn)行充電。

表2 鋰電池充放電參數(shù)

圖4 鋰電池充電控制框圖

恒流充電階段，蓄電池可接受的充電電流為1C，系統(tǒng)設(shè)定的充電電流為Iref=8 A；當(dāng)充電電流達(dá)不到設(shè)定電流時(shí)，采用最大功率點(diǎn)跟蹤控制以保證太陽(yáng)電池以最大的輸出功率給蓄電池充電?？刂七^(guò)程為：系統(tǒng)將采集到的太陽(yáng)電池輸出電壓Upv和輸出電流Ipv傳送至MPPT控制器，通過(guò)改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法運(yùn)算得到最大功率點(diǎn)處參考電壓UPref，太陽(yáng)電池當(dāng)前工作點(diǎn)的電壓Upv與參考電壓UPref求差得到電壓差ΔU，將ΔU送入電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器，經(jīng)PI運(yùn)算得到充電電流參考值Ibref1。將當(dāng)前充電電流Ib與充電電流參考值Ibref1之差ΔI送入電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器，經(jīng)PI運(yùn)算得到占空比D的調(diào)節(jié)量，輸出占空比調(diào)節(jié)后的PWM波到開(kāi)關(guān)管來(lái)調(diào)節(jié)充電狀態(tài)。

涓流充電階段蓄電池只能接受0．1C的充電電流，設(shè)定充電電流為Ibref2=If，將蓄電池當(dāng)前充電電流Ib與設(shè)定的充電電流Ibref2之差送至電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器，經(jīng)PI運(yùn)算后得到占空比D的調(diào)節(jié)量，輸出占空比調(diào)節(jié)后的PWM波到開(kāi)關(guān)管來(lái)調(diào)節(jié)充電狀態(tài)。

恒壓充電和浮充階段蓄電池可接受的充電電流逐漸減小，隨著蓄電池電壓升高，恒壓充電電流逐漸減小，可滿足蓄電池的充電電流變化要求。設(shè)定恒壓和浮充充電電壓Ubref=Uref，將蓄電池當(dāng)前充電電壓Ub與設(shè)定的充電電壓Ubref之差輸送至電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器，經(jīng)PI運(yùn)算后得到占空比D的調(diào)節(jié)量，輸出占空比調(diào)節(jié)后的PWM波到開(kāi)關(guān)管來(lái)調(diào)節(jié)充電狀態(tài)。

3.混合供電控制器設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要由太陽(yáng)電池組件、DC-DC變換器、蓄電池、電機(jī)控制器、電動(dòng)自行車電機(jī)、電源控制器等組成［4-5］。電動(dòng)車電機(jī)供電系統(tǒng)中存在太陽(yáng)電池和蓄電池兩個(gè)輸入源，因此需要制定合理的能源管理策略，以保證兩種電池協(xié)調(diào)工作。由于太陽(yáng)能是可再生能源，應(yīng)該盡可能多地利用太陽(yáng)電池給負(fù)載供電，當(dāng)太陽(yáng)電池提供的功率小于負(fù)載所需功率時(shí)，由蓄電池向負(fù)載提供不足部分。

太陽(yáng)能電動(dòng)自行車整體結(jié)構(gòu)如圖5所示（注：蓄電池電流Ib=Id-Ir）。通過(guò)檢測(cè)電機(jī)控制器的電壓U來(lái)判斷電動(dòng)自行車是否工作；通過(guò)檢測(cè)到的太陽(yáng)電池的輸出電壓Upv和輸出電流Ipv進(jìn)行MPPT控制；根據(jù)檢測(cè)到的蓄電池電壓Ub選擇相應(yīng)的充電和供電方式。具體充電和供電管理方式為：當(dāng)電動(dòng)自行車行駛時(shí)，且太陽(yáng)能充足，電源鎖閉合，蓄電池?cái)嚅_(kāi)，太陽(yáng)電池單獨(dú)通過(guò)DC-DC變換器為電動(dòng)自行車供電；若太陽(yáng)能不足，電源鎖閉合，蓄電池閉合，太陽(yáng)電池和蓄電池一起為電動(dòng)自行車供電；無(wú)太陽(yáng)能時(shí)（陰雨天和夜間），DC-DC變換器PWM1占空比為零，蓄電池閉合，蓄電池單獨(dú)為電動(dòng)自行車供電。當(dāng)電動(dòng)自行車停駛時(shí)，若蓄電池電壓不足，表明其未充滿，太陽(yáng)電池為蓄電池充電。

圖5 利用太陽(yáng)能給電動(dòng)自行車供電整體結(jié)構(gòu)圖

（2）系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

微控制器選用具有豐富外設(shè)的STM32F103VET6型單片機(jī)。

①SEPIC變換器設(shè)計(jì)

由實(shí)驗(yàn)所選太陽(yáng)電池和鋰電池的特性參數(shù)可知，系統(tǒng)需要既可以實(shí)現(xiàn)升壓又可以實(shí)現(xiàn)降壓的變換器。SEPIC變換器［6-7］適合于寬輸入電壓范圍，具有可升降壓、輸出極性與輸入極性相同、輸入電流脈動(dòng)小的特點(diǎn)，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。圖6為SEPIC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其工作過(guò)程為開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)，二極管VD截止，Uin給L1充電，將輸入能量存儲(chǔ)在電感L1中，C1通過(guò)VT和L2放電，C2向負(fù)載供電；開(kāi)關(guān)管VT截止時(shí)，二極管VD導(dǎo)通，電源和儲(chǔ)能電感L1同時(shí)向C1和負(fù)載傳送能量，C1儲(chǔ)能增加，C2充電，儲(chǔ)能電感L2向負(fù)載釋放能量。在電流連續(xù)工作模式，SEPIC變換器的輸出電壓與輸入電壓關(guān)系為：

圖6 SEPIC 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

SEPIC變換器對(duì)主要元件的耐壓值、耐流值、開(kāi)關(guān)頻率、功率損耗及紋波影響都有一定的要求。電感L1，L2選用100 μH環(huán)形電感，電流有效值為20 A，飽和電流為22 A。耦合電容C1選用3個(gè)10 μF耐壓值為100 V的陶瓷電容，3個(gè)陶瓷電容并聯(lián)。輸出電容C2選用3個(gè)47μF耐壓值為100 V的固體電解電容，3個(gè)固體電解電容并聯(lián)。開(kāi)關(guān)管選用型號(hào)為IRFP260N的MOS管。二極管選用60CPQ150。計(jì)算表明，工作時(shí)，開(kāi)關(guān)管的最大功耗為11．55 W，二極管的最大損耗為4．02 W。

②電源電路

系統(tǒng)中各工作模塊需要的電源有15 V、5 V、3．3 V這3種不同電壓，各電源電壓由蓄電池來(lái)提供。蓄電池經(jīng)由功率電阻、L7815、L7805、AMS1117得到各工作模塊所需電壓。

③功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路

本系統(tǒng)采用IR2110S作為MOS管的驅(qū)動(dòng)芯片。為防止大電流功率電路對(duì)小信號(hào)控制電路的影響，提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，本文在微控制器PWM輸出引腳與功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路之間設(shè)計(jì)了隔離電路。隔離電路采用6N137型光耦隔離器，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)10 Mbit/s。

④檢測(cè)電路

系統(tǒng)對(duì)電流、電壓、光照強(qiáng)度、溫度、速度進(jìn)行了檢測(cè)［8］，所用傳感器及部分工作模塊如表3所示。檢測(cè)電流選用電阻檢測(cè)法，檢測(cè)電壓采用分壓檢測(cè)法。

表3 系統(tǒng)用傳感器及部分工作模塊

⑤過(guò)流保護(hù)電路

設(shè)計(jì)過(guò)流保護(hù)電路以減小大電流或沖擊電流對(duì)蓄電池和元器件的損害。通過(guò)檢測(cè)DC-DC變換器輸入電流和輸出電流的大小，來(lái)控制保護(hù)電路。當(dāng)DC-DC變換器的輸入電流或輸出電流大于設(shè)定的閾值時(shí)，通過(guò)光耦隔離器驅(qū)動(dòng)IR2110S的輸出保護(hù)引腳來(lái)控制PWM波的輸出。

（3）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于電動(dòng)自行車運(yùn)行過(guò)程中電機(jī)電流是時(shí)刻變化的，考慮到蓄電池在不同荷電狀態(tài)時(shí)的充電電流接受能力不同，為避免對(duì)蓄電池造成損害，太陽(yáng)能電動(dòng)自行車行駛過(guò)程中太陽(yáng)電池選用與充電過(guò)程一致的供電方式。系統(tǒng)控制流程如圖7所示。

圖7 利用太陽(yáng)能給電動(dòng)自行車供電控制流程圖

4.實(shí)驗(yàn)測(cè)試

（1）充電測(cè)試

將太陽(yáng)電池垂直于太陽(yáng)光照射角度放置，給鋰電池充電。當(dāng)天最大光照強(qiáng)度為58 612 lx，蓄電池充電前電壓為35．02 V。充電過(guò)程如圖8所示。初始充電電流為1．64 A，隨后逐漸增至4 A。當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到42 V時(shí)，蓄電池進(jìn)入恒壓充電階段，充電電流由4 A逐漸減至0．06 A，充電完成。因此，實(shí)驗(yàn)所用太陽(yáng)電池給10 Ah鋰電池充電，3．5 h即可將蓄電池充滿。

圖8 鋰電池充電電壓、充電電流變化曲線

（2）路面測(cè)試

檢測(cè)光照強(qiáng)度的傳感器BH1750FVI與太陽(yáng)電池平行放置，安裝在太陽(yáng)電池邊框上，檢測(cè)速度的密封式霍爾傳感器安裝在后輪支架上。太陽(yáng)電池單獨(dú)給電動(dòng)自行車供電的測(cè)試結(jié)果如圖9所示。圖9中為太陽(yáng)光照強(qiáng)度G、電動(dòng)自行車速度v、太陽(yáng)電池輸出功率P、太陽(yáng)電池輸出電流I、太陽(yáng)電池輸出電壓V、環(huán)境溫度T共6個(gè)參數(shù)隨時(shí)間的變化曲線。電動(dòng)車從啟動(dòng)到穩(wěn)定到最大速度用時(shí)23 s，光照強(qiáng)度在55 000 lx時(shí)，輸出功率在200～220 W，最高速度19．8 km/h。運(yùn)行78 s后進(jìn)入陰影區(qū)（樹(shù)影等），光照強(qiáng)度由54 612 lx降為6 000 lx，太陽(yáng)電池的輸出功率隨光照強(qiáng)度的變化由205 W降至20 W，車速減小。電動(dòng)車行駛到90 s時(shí)走出陰影區(qū)，光照強(qiáng)度迅速恢復(fù)為54 612 lx，太陽(yáng)電池的輸出功率恢復(fù)為210 W，電動(dòng)車速度增大，穩(wěn)定在 19．8 km/h。

圖9 太陽(yáng)電池單獨(dú)供電測(cè)試

太陽(yáng)電池與蓄電池并聯(lián)供電時(shí)，電動(dòng)自行車的電源總功率PZ、蓄電池輸出功率PB、太陽(yáng)電池輸出功率PS、電動(dòng)自行車速度v、太陽(yáng)光照強(qiáng)度G這些參數(shù)隨時(shí)間變化曲線如圖10所示。太陽(yáng)電池與蓄電池并聯(lián)給電機(jī)供電時(shí)電源總功率250～280 W，蓄電池的輸出功率130～230 W，太陽(yáng)電池在陽(yáng)光下的輸出功率130～150 W，電動(dòng)車最大速度可達(dá)到25．7 km/h。太陽(yáng)電池進(jìn)入陰影區(qū)時(shí)蓄電池輸出功率增大，速度降為21．2 km/h。電動(dòng)車剎車斷電后，蓄電池輸出功率為零，電動(dòng)自行車減速運(yùn)行，太陽(yáng)電池輸出功率仍為150 W，此時(shí)太陽(yáng)電池給蓄電池充電。

圖10 太陽(yáng)能與蓄電池聯(lián)合供電測(cè)試

5.結(jié)論

通過(guò)DC-DC變換器的控制，太陽(yáng)電池的輸出功率穩(wěn)定，工作點(diǎn)可調(diào)，可以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。所選太陽(yáng)電池在3．5 h內(nèi)可將10 Ah的鋰電池充滿；太陽(yáng)電池單獨(dú)給電動(dòng)自行車供電時(shí)，其輸出功率可以達(dá)到210 W，車速可達(dá)19．8 km/h；太陽(yáng)電池和蓄電池通過(guò)DC-DC變換器并聯(lián)給電動(dòng)自行車供電時(shí)，電源的總輸出功率可提高到278 W，車速可提高到25．7 km/h。

本研究表明，電動(dòng)自行車在晴天行駛時(shí)，太陽(yáng)能能夠滿足其電能的需要?？紤]到太陽(yáng)能電動(dòng)自行車的實(shí)用性和便捷性，還需對(duì)太陽(yáng)電池輕量化和太陽(yáng)能電動(dòng)自行車結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

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（稿件來(lái)源：太陽(yáng)能學(xué)報(bào)）