趙金國(guó)

（西京學(xué)院，陜西 西安 710123）

太陽(yáng)能電動(dòng)車(chē)的光蓄互補(bǔ)供電控制裝置的研究

趙金國(guó)

（西京學(xué)院，陜西 西安 710123）

通過(guò)一種太陽(yáng)能電動(dòng)車(chē)光蓄互補(bǔ)供電控制裝置的研究，設(shè)計(jì)的新型 DC/DC變換裝置實(shí)現(xiàn)在太陽(yáng)能電池與蓄電池聯(lián)合為負(fù)載供電時(shí)，能夠優(yōu)先使用太陽(yáng)能，既可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)向負(fù)載供電，又可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)向負(fù)載供電。本裝置的研究更充分有效實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能的利用。

太陽(yáng)能電動(dòng)車(chē)；光蓄互補(bǔ)；互補(bǔ)供電控制裝置

引言

近年來(lái)，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，國(guó)內(nèi)外對(duì)太陽(yáng)能交通工具的研究方興未艾，與傳統(tǒng)的交通工具相比，太陽(yáng)能汽車(chē)具有清潔、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)，可以說(shuō)是真正“零排放”的交通工具。控制器是一太陽(yáng)能汽車(chē)系統(tǒng)中重要的電力變換裝置，由于太陽(yáng)能的不穩(wěn)定性，所發(fā)出的的電壓也是不穩(wěn)定的，所以為了能使給汽車(chē)穩(wěn)定的，可靠地電能、控制器的作用便應(yīng)用而生了。而傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池與蓄電池互補(bǔ)供電的控制方法主要有兩種。一種是在負(fù)載工作時(shí)由蓄電池為其供電，當(dāng)蓄電池能量不足時(shí)由太陽(yáng)能電池為蓄電池充電。另一種是太陽(yáng)能電池與蓄電池可切換供電，當(dāng)太陽(yáng)能電池功率充足時(shí)由太陽(yáng)能電池供電，太陽(yáng)能電池功率不足時(shí)切換到蓄電池供電[1]。

上述兩種供電方法都在一定程度上利用了太陽(yáng)能，但是也都有各自的局限性。第一種方法本質(zhì)上還是由蓄電池帶動(dòng)負(fù)載，太陽(yáng)能電池作為了充電器。第二種方法比第一種方法有很大進(jìn)步，但是當(dāng)太陽(yáng)能稍有不足時(shí)便不能利用太陽(yáng)能電池帶動(dòng)負(fù)載，對(duì)太陽(yáng)能的利用不充分。為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本文所研究提供一種太陽(yáng)能電池組與蓄電池組互補(bǔ)供電的控制系統(tǒng)，使它真正實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能優(yōu)先以最大功率輸出，不足部分再由蓄電池進(jìn)行補(bǔ)充，多余部分充電給蓄電池。從而在有限的能源范圍內(nèi)充分利用太陽(yáng)能。

1 互補(bǔ)供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它是由太陽(yáng)能電池組，太陽(yáng)能電池組輸出與MPPT控制器輸入連接，MPPT控制器輸出和BUCK2模塊的第一輸入連接，太陽(yáng)能電池組與MPPT控制器共同組成太陽(yáng)能供電電源，蓄電池組的輸出和BUCK 1模塊的第一輸入連接，BUCK1模塊的輸出和BUCK 2模塊的第二輸入連接，蓄電池組與BUCK1模塊共同組成蓄電池組供電電源， MPPT控制器的輸出電壓反饋和BUCK1模塊的第二輸入連接，改變其輸出電壓大小，太陽(yáng)能供電電源與蓄電池組供電電源串聯(lián)后通過(guò)BUCK2模塊進(jìn)行降壓，最終產(chǎn)生電壓與功率都穩(wěn)定的電能。

所述的蓄電池組供電電源輸出電壓隨著太陽(yáng)能供電電源電壓變化而調(diào)節(jié)，當(dāng)太陽(yáng)能電池組功率充足時(shí)，其輸出電壓為恒定值，反饋信號(hào)作用于BUCK1模塊，使占空比為零，從而蓄電池組供電電源輸出電壓為零，蓄電池組不輸出電能，由太陽(yáng)能電池組單獨(dú)為負(fù)載供電；當(dāng)太陽(yáng)能電池組功率不足時(shí)，其輸出電壓下降，反饋信號(hào)作用于BUCK 1模塊，產(chǎn)生占空比為M，輸出電壓為UB[2]，從而使蓄電池組供電電源為負(fù)載提供電能，補(bǔ)充太陽(yáng)能供電電源能量的不足部分。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

所述的BUCK2模塊的輸入電壓為變化值， BUCK2模塊輸出電壓恒定、輸出功率恒定 ，從而帶動(dòng)負(fù)載工作。

圖2 雙輸入Buck變換器

雙輸入BUCK變換器如圖2所示，其中Vin1、Vin2分別為兩個(gè)輸入源，Q1、Q2為開(kāi)關(guān)管，D1、D2為續(xù)流二極管，Lf是輸出濾波電感，Cf是輸出濾波電容，Rld是負(fù)載。Q1、Q2的開(kāi)關(guān)頻率可以相同也可以不相同，如果開(kāi)關(guān)頻率相同，Q1、Q2可以同時(shí)開(kāi)通，也可以錯(cuò)開(kāi)一定角度工作。

圖3 開(kāi)關(guān)頻率相同時(shí)雙輸入Buck變換器的主要波形

兩只開(kāi)關(guān)管的頻率相同，且其開(kāi)通時(shí)刻相同的主要波形，如圖3所示。

由于雙輸入 Buck變換器存在兩個(gè)占空比，因此具有兩個(gè)控制自由度，可以用于調(diào)節(jié)輸出電壓和控制兩個(gè)輸入源的功率分配，便可實(shí)現(xiàn)能量管理。

2 該系統(tǒng)的電路實(shí)現(xiàn)圖

太陽(yáng)能電動(dòng)車(chē)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路如圖 4所示，只需接入驅(qū)動(dòng)器的電壓 U與功率P[3]達(dá)到電機(jī)運(yùn)行需要即可使電車(chē)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖4 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路圖

當(dāng)太陽(yáng)能電池組電量充足時(shí)，MPPT控制器的輸出電壓Us通過(guò)電阻R1、R2采樣輸入PWM1模塊，使占空比為零，BUCK1電路輸出電壓為零[4]，全部由太陽(yáng)能電池組提供能量，其輸出電壓又經(jīng)過(guò)BUCK2電路使輸出電壓Uo符合太陽(yáng)能電動(dòng)機(jī)所需電壓要求；當(dāng)太陽(yáng)能電池組能量不足時(shí)，MPPT控制器輸出電壓Us通過(guò)電阻R1、R2采樣輸入PWM1模塊，產(chǎn)生占空比為m的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，導(dǎo)致BUCK1電路輸出電壓u1，Us與u1串聯(lián)疊加后作為BUCK2的輸入。由于u1的疊加使BUCK2的輸入回路電壓升高，在功率不變的前提下，其輸入回路電流減小，即流過(guò)MPPT控制器的電流減小，待達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)MPPT輸出電壓不變[5]，其電流減小量正變與其功率減小量。而B(niǎo)UCK1的占空比穩(wěn)定為M，輸出電壓穩(wěn)定為U1，且二者都反變與電流減小量或功率減小量。

因此，MPPT控制器在太陽(yáng)能電池組功率減小時(shí)保持輸出電壓 Us穩(wěn)定，輸出太陽(yáng)能電池組的全額功率，而蓄電池組通過(guò) BUCK1電路補(bǔ)充輸出太陽(yáng)能電池組功率的不足部分；最后，太陽(yáng)能電池組與蓄電池組串聯(lián)輸入 BUCK2，經(jīng)過(guò)電阻R3、R4形成的反饋調(diào)節(jié)產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出電壓Uo，輸送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從而驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)能電車(chē)穩(wěn)定運(yùn)行。

根據(jù)充放電等效電路中，電容C1上電荷平衡的原理，我們可推出：

輸出脈沖頻率fout與輸入電壓Vin成正比，從而實(shí)現(xiàn)了電壓一頻率變換。

3 結(jié)論

由以上可以看出，本研究實(shí)現(xiàn)了一種MPPT控制器和后端的BUCK控制器聯(lián)動(dòng)控制的思想方案探索，本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于采用模塊化研究，實(shí)現(xiàn)方便，通用性強(qiáng)。充分發(fā)揮了太陽(yáng)能優(yōu)先使用的特性，采用最大功率跟蹤（MPPT）技術(shù)，使其能夠最大限度的將大自然所賦予的光伏能源為人類(lèi)所利用，具有很高的研究?jī)r(jià)值。

[1] 王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.7.1.

[2] 裴云慶,楊旭,王兆安.開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[3] 柏莉.一種適用于太陽(yáng)能電動(dòng)車(chē)的光蓄互補(bǔ)太陽(yáng)能優(yōu)先控制器研究[D].西京學(xué)院,2013.04.27.

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[5] 李春芳.太陽(yáng)能電動(dòng)車(chē)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].吉林:吉林大學(xué),2011.6.

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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

文章編號(hào)：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

趙金國(guó)，男，高級(jí)工程師/副教授，就職于西京學(xué)院，主要從事車(chē)輛工程及汽車(chē)新技術(shù)的研究?；痦?xiàng)目：西京學(xué)院校科研基金項(xiàng)目（XJ130243）。項(xiàng)目名稱(chēng)：電動(dòng)汽車(chē)增加續(xù)航能力的研究。