基于太陽能的電動(dòng)車光蓄能源供電管理系統(tǒng)

童俊杰，葉成彬，陳賢鈺，張銘鋒，李子琦

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 電氣工程學(xué)院，廣州 510800）

引言

隨著國家近年來對(duì)新能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，使得它能夠在各個(gè)領(lǐng)域得到很大的應(yīng)用。太陽能作為一種清潔的可再生能源，在很多行業(yè)領(lǐng)域尤其是太陽能光伏發(fā)電方面得到了更多創(chuàng)新的發(fā)展和應(yīng)用，其中典型的是太陽能電動(dòng)車的光蓄能源控制系統(tǒng)的研究和應(yīng)用。

目前，傳統(tǒng)的光伏電池與蓄電池互補(bǔ)供電系統(tǒng)主要有兩種，一種是由蓄電池為負(fù)載進(jìn)行供電，當(dāng)蓄電池電量不足時(shí)，由光伏電池為蓄電池進(jìn)行充電；另一種是光伏電池與蓄電池互相切換為負(fù)載供電，當(dāng)光伏電池發(fā)電功率充足時(shí)，由光伏電池為負(fù)載供電，否則切換到蓄電池為負(fù)載供電。兩種控制模式都一定程度上利用了太陽能，但對(duì)太陽能的利用不充分[1]。

本文提出一種具有多種能源控制方式的光蓄能源供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)太陽能光伏板實(shí)時(shí)以最大的功率輸出，太陽能電動(dòng)車可優(yōu)先使用太陽能，并根據(jù)實(shí)際工況選擇合適的能源控制模式。

1 太陽能光伏電池模型

1.1 光伏電池的數(shù)學(xué)模型

太陽能光伏電池的等效電路如圖1所示，其中U為光伏電池的輸出電壓；I 為光伏電池的輸出電流；Iph為光生電流；Id為二級(jí)管電流；Ish為光伏電池的漏電流；Rsh為等效并聯(lián)電阻；Rs為等效串聯(lián)電阻。根據(jù)基爾霍夫電壓定律及基爾霍夫電流定律，可推導(dǎo)太陽能光伏電池輸出電流的數(shù)學(xué)表達(dá)式[2-4]：

圖1 太陽能光伏電池的等效電路圖

式中：

I0—二極管的反向飽和電流，不受光照影響；

A—二極管曲線因子，一般取值為1；

K—玻爾茲曼常數(shù)1.38×10-38J/K；

T—絕對(duì)溫度。

1.2 光伏電池的工程模型

在實(shí)際的工程模型應(yīng)用中，通常采用的是在光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行分析和修正的光伏電池工程模型。光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型具體的分析如下[5]：

1）在光伏電池內(nèi)部，等效串聯(lián)電阻Rs遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于等效并聯(lián)電阻Rsh，所以光生電流Iph遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光伏電池的漏電流Ish。因此，在建立光伏電池的工程模型時(shí)，等效并聯(lián)電阻Rs可忽略不計(jì)。

2）在光伏電池內(nèi)部，等效串聯(lián)電阻Rs遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于PN結(jié)導(dǎo)通電阻，當(dāng)光伏電池發(fā)生短路時(shí)，其短路電流Isc可等效為光生電流Iph。

3）在標(biāo)準(zhǔn)狀況條件下，將光伏電池的開路電壓等于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下的開路電壓Uoc，光伏電池的峰值電壓等于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下的峰值電壓Um，光伏電池的峰值電流等于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下的峰值電流Im。

光伏電池的工程模型：

根據(jù)光伏電池的開路條件，光伏電池工程模型的參數(shù)A：

根據(jù)在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下光伏電池的工程模型，光伏電池工程模型的參數(shù)B：

在標(biāo)準(zhǔn)狀況條件下，可通過光伏電池的峰值電壓Um、峰值電流Im、開路電壓Uoc、短路電流Isc求得參數(shù)A和參數(shù)B，因此得到光伏電池在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下的輸出特性。為了得到光伏電池在任意環(huán)境條件下的輸出特性，需要對(duì)太陽能光伏電池的工程模型進(jìn)行修正[5]。

通過光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型的分析和光伏電池工程模型的修正，建立光伏電池的MATLAB模型。

2 MPPT技術(shù)算法及仿真

2.1 最大功率點(diǎn)跟蹤方法（干擾觀察法）

本供電電路系統(tǒng)采用的最大功率點(diǎn)跟蹤方法是典型的閉環(huán)控制自尋優(yōu)MPPT控制方法中的干擾觀察法。干擾觀察法的MPPT算法是通過實(shí)時(shí)對(duì)太陽能光伏電池的輸出電壓和輸出電流進(jìn)行測量并進(jìn)行閉環(huán)控制從而實(shí)現(xiàn)太陽能光伏電池的最大功率輸出。P&O法的MPPT工作原理如圖2所示。

圖2 P&O法的MPPT工作原理結(jié)構(gòu)圖

干擾觀察法的工作原理是對(duì)太陽能光伏電池輸出電壓在固定的步長時(shí)間內(nèi)施加擾動(dòng)，再根據(jù)光伏電池?cái)_動(dòng)后輸出功率的變化，進(jìn)一步調(diào)整擾動(dòng)的方向，使光伏電池以最大的功率輸出。此干擾觀察法具有原理易懂，電路結(jié)構(gòu)易實(shí)現(xiàn)，算法及操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，但由于其工作原理所固有特性決定了固定步長的干擾觀察法無法兼顧追蹤響應(yīng)的速度和穩(wěn)態(tài)的精度。

2.2太陽能光伏電池供電系統(tǒng)在MPPT控制下的MATLAB仿真

為了驗(yàn)證太陽能光伏電池供電系統(tǒng)在P&O法控制下的最大功率跟蹤性能，采用光照強(qiáng)度和溫度分別作為單一變量的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)過程中將溫度的高低分為多組進(jìn)行仿真，每組具有不同的溫度且保持不變，通過改變每組的光照強(qiáng)度強(qiáng)弱來檢驗(yàn)光伏電池發(fā)電系統(tǒng)的MPPT性能。 MPPT控制作用下的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)MATLAB仿真模型如圖3所示[6-8]。

圖3 MPPT控制的光伏發(fā)電系統(tǒng)MATLAB仿真模型

在仿真實(shí)驗(yàn)中，光伏電池采用PV Array模塊，其參數(shù)為開路電壓50 V、短路電流18 A、峰值電壓40 V、峰值電流15 A，電容C1值為10 uF，電容C2值為0.1 uF，電感L1值為0.1 H，電阻R1值為10 Ω。

MPPT控制下太陽能光伏電池供電系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：

通過圖4 MPPT控制下的光伏電池電壓與光照強(qiáng)度及溫度的關(guān)系可以得出，保持光照強(qiáng)度不變且在200 ~1 000 W/m2的范圍，光伏發(fā)電系統(tǒng)在不同溫度條件下，MPPT控制的光伏電池輸出電壓輸出在相應(yīng)溫度下的最大功率點(diǎn)輸出電壓左右，光伏電池輸出功率在相應(yīng)的溫度下以最大功率輸出，表明干擾觀察法在不同溫度下，最大功率跟蹤性能達(dá)到預(yù)期；保持溫度不變，光伏發(fā)電系統(tǒng)在200~1 000 W/m2范圍內(nèi)的不同光照強(qiáng)度條件下，MPPT控制的光伏電池輸出電壓輸出在相應(yīng)光照強(qiáng)度下的最大功率點(diǎn)輸出電壓40 V左右，光伏電池輸出功率在相應(yīng)的光照強(qiáng)度下以最大的功率輸出，表明干擾觀察法在不同光照強(qiáng)度下，最大功率跟蹤性能達(dá)到預(yù)期。

圖4 MPPT控制下的光伏電池電壓與光照強(qiáng)度及溫度的關(guān)系

3 電機(jī)模型

3.1 電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

本電路系統(tǒng)采用直流電動(dòng)機(jī)作為太陽能電動(dòng)車的動(dòng)力機(jī)械電機(jī)。在電樞控制作用下的直流電動(dòng)機(jī)，電樞電壓V在電樞回路中產(chǎn)生電樞電流I，電樞電流I與激磁磁通相互作用產(chǎn)生力矩τ，驅(qū)動(dòng)電樞旋轉(zhuǎn)，完成從電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。

忽略電機(jī)動(dòng)力學(xué)模型的電樞反應(yīng)、磁滯、渦流效應(yīng)的影響，當(dāng)激磁電流If不變，激磁磁通也不變，則變量關(guān)系為線性關(guān)系，電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。

根據(jù)圖5電機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型，可推導(dǎo)電機(jī)各參數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

圖5 電機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型圖

式中：

Vm—反向電動(dòng)勢(shì)；

Kb—反向電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，取值為0.081；

KT—力矩常數(shù)，取值為0.081；

Ra—電機(jī)電阻，取值為0.920 Ω；

La—電機(jī)電感，取值為0.000 9 H；

θ—電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度；

J—慣性動(dòng)量，取值為2.8×10-5kg/m2；

B—粘性抵抗，取值為6.5×10-4N/m。

3.2 電機(jī)的MATLAB模型

根據(jù)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程是三階非齊次線性微分方程，可通過對(duì)時(shí)間t的積分建立電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程的模型，電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程的積分流程如圖6所示。

圖6 電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程的積分流程圖

4 蓄電池充放電控制電路

圖7所示的BOOST/BUCK電路中蓄電池的充放電控制主要是通過控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷實(shí)現(xiàn)。蓄電池的放電控制采用的是BOOST升壓電路，蓄電池的充電控制采用的是BUCK降壓電路[9,10]。

圖7 BOOST/BUCK電路

蓄電池充電控制過程中，對(duì)Tb進(jìn)行脈沖控制，Ta關(guān)斷，也就是BUCK電路工作，在功率開關(guān)管Tb導(dǎo)通時(shí)間Ton內(nèi)，電流流過功率開關(guān)管Tb、電感L1對(duì)蓄電池和電容C1進(jìn)行充電；在功率開關(guān)管Tb關(guān)斷時(shí)間Toff內(nèi)，蓄電池充電是通過二極管D1和電感L1的續(xù)流和電容C2的放電。

蓄電池電壓與充電輸入電壓的關(guān)系：

蓄電池放電控制過程中，對(duì)Ta進(jìn)行脈沖控制，Tb關(guān)斷，也就是BOOST電路工作，在功率開關(guān)管Ta關(guān)斷時(shí)間Toff內(nèi)，蓄電池放電電流流過電感L1、二極管D2對(duì)電容C1進(jìn)行充電并輸出電流；在功率開關(guān)管Ta導(dǎo)通時(shí)間Ton內(nèi)，蓄電池對(duì)電感L1進(jìn)行充電，蓄電池放電是通過電容C2的放電。

蓄電池電壓與放電輸出電壓的關(guān)系：

在本電路系統(tǒng)中，主要是通過在合適的條件下控制功率開關(guān)管Ta、功率開關(guān)管Tb和功率開關(guān)管Tc的全導(dǎo)通或全關(guān)斷實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池組的充放電控制。

5 光蓄能源供電系統(tǒng)MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)

在光蓄能源供電系統(tǒng)的MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)中，仿真實(shí)驗(yàn)是在保證標(biāo)準(zhǔn)溫度條件不變，光照強(qiáng)度由無光照逐步變大的條件下進(jìn)行，如圖9為光蓄供電系統(tǒng)MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)的光照強(qiáng)度變化。本供電電路系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真中光伏電池模型采用的是MATLAB/Simulink中的PV Array模塊。PV Array模塊的參數(shù)為開路電壓50 V，短路電流18 A，峰值電壓40 V，峰值電流15 A、電容C1值為10 uF、電容C2值為10 uF、電容C3值為0.1 uF、電感L1值為0.1 H、電感L2值為0.1 H、電阻R1值為10 Ω，蓄電池標(biāo)稱電壓35 V、額定容量100 Ah、初始電荷狀態(tài)50 %。圖8為光蓄供電系統(tǒng)電路圖。

圖8 光蓄供電系統(tǒng)電路圖

圖9 光蓄供電系統(tǒng)的光照強(qiáng)度變化

5.1 光蓄能源供電系統(tǒng)工作模式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1）光伏電池供電模式實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：

從圖10的Current1線為光伏電池供電模式的蓄電池工作電流、圖11的Motor1/2線為光伏電池供電模式的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可得出，通過控制Ta關(guān)斷、Tb關(guān)斷、Tc關(guān)斷，整個(gè)供電系統(tǒng)的工作方式為光伏電池供電模式。在0~2 s無光照強(qiáng)度時(shí)間段內(nèi)，光伏電池的發(fā)電功率為0，同時(shí)蓄電池不對(duì)負(fù)載和電機(jī)進(jìn)行供電；在光照強(qiáng)度充足、充電電壓允許的條件下，蓄電池也沒有進(jìn)行充電。

2）蓄電池放電模式實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：

從圖10的Current2線為蓄電池放電模式的蓄電池工作電流、圖11的Motor2/2線為蓄電池放電模式的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可得出，通過控制Ta關(guān)斷、Tb關(guān)斷、Tc導(dǎo)通，整個(gè)供電系統(tǒng)中的工作方式為蓄電池放電模式。在0~2 s無光照強(qiáng)度時(shí)間段內(nèi)，光伏電池的發(fā)電功率為0，負(fù)載和電機(jī)由蓄電池進(jìn)行供電；在光照強(qiáng)度充足、充電電壓允許的條件下，負(fù)載和電機(jī)由光伏電池進(jìn)行供電，但不向蓄電池進(jìn)行充電。

3）蓄電池充電模式實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：

從圖10的Current3線為蓄電池充電模式的蓄電池工作電流、圖11的Motor3/2線為蓄電池充電模式的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可得出，通過控制Ta關(guān)斷、Tb導(dǎo)通、Tc關(guān)斷，整個(gè)供電系統(tǒng)中的工作方式為蓄電池充電模式。在0~2 s無光照強(qiáng)度時(shí)間段內(nèi)，蓄電池不向負(fù)載和電機(jī)進(jìn)行供電；在2~4 s光照強(qiáng)度不足的時(shí)間段內(nèi)，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓低于蓄電池的充電電壓，因此光伏電池的輸出電流接近于0；在光照強(qiáng)度充足、充電電壓允許的條件下，光伏電池向負(fù)載和電機(jī)進(jìn)行供電，同時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。

4）光蓄互補(bǔ)供電模式實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：

從圖10的Current4線為光蓄互補(bǔ)供電模式的蓄電池工作電流、圖11的Motor4/2線為光蓄互補(bǔ)供電模式的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可得出，通過控制Ta關(guān)斷、Tb導(dǎo)通、Tc導(dǎo)通，整個(gè)供電系統(tǒng)中的工作方式為光伏電池和蓄電池互補(bǔ)供電模式。在0~2 s無光照強(qiáng)度時(shí)間段內(nèi)，光伏電池的發(fā)電功率為0，負(fù)載和電機(jī)由蓄電池進(jìn)行供電；在光照強(qiáng)度充足、充電電壓允許的條件下，光伏電池向負(fù)載和電機(jī)進(jìn)行供電，同時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。

圖10 蓄電池工作電流

圖11 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

6 結(jié)束語

利用MATLAB/Simulink軟件仿真工具對(duì)太陽能電動(dòng)車的光蓄能源供電系統(tǒng)的能源控制方案進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，光蓄能源供電系統(tǒng)具有4種能源控制的工作模式，分別為光伏電池供電模式、蓄電池放電模式、蓄電池充電模式和光蓄互補(bǔ)供電模式。太陽能電動(dòng)車可在優(yōu)先使用太陽能光伏電池能源的情況下，根據(jù)電路系統(tǒng)的具體工況或環(huán)境情況，通過調(diào)節(jié)功率開關(guān)管Ta、Tb、Tc的通斷，選擇合適的能源控制的工作方式和實(shí)現(xiàn)蓄電池的充放電控制。為了便于對(duì)基于太陽能電動(dòng)車的光蓄能源供電系統(tǒng)的4種能源控制的工作模式進(jìn)行理解，本文中設(shè)功率開關(guān)管的導(dǎo)通狀態(tài)用1表示，功率開關(guān)管的關(guān)斷狀態(tài)用0表示，則光蓄能源供電系統(tǒng)的工作狀態(tài)可總結(jié)于表1。

表1 光蓄能源供電系統(tǒng)工作狀態(tài)

目前，市場上太陽能電動(dòng)擺渡車的電機(jī)通常采用直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)，電壓參數(shù)在（24~72）V之間，功率參數(shù)在（500~3 000）W之間。其中常用的電壓為48 V或60 V。

該設(shè)計(jì)方案和仿真分析結(jié)果可為此相似類型的小型太陽能電動(dòng)擺渡車的能源控制方案的設(shè)計(jì)研究提供參考。