方曉敏，鄭思思

（1.衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 衢州324000；2.衢州市工程技術(shù)學(xué)校，浙江 衢州324000）

電動(dòng)三輪車具有適應(yīng)性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活、維護(hù)簡(jiǎn)單、維修方便和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于家庭、城鄉(xiāng)、個(gè)體出租、廠區(qū)、礦區(qū)、環(huán)衛(wèi)、社區(qū)保潔等短途運(yùn)輸領(lǐng)域。電動(dòng)三輪車充電時(shí)間長(zhǎng)，充電頻次高，續(xù)駛里程短，有市電（220V）插座才能充電，可能會(huì)出現(xiàn)半路斷電的問題。此外電動(dòng)三輪車在運(yùn)輸冷鏈?zhǔn)称?、疫苗、鮮奶等需要冷藏的物品時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)一般采用冰塊、保溫箱等進(jìn)行冷藏，成本較高而且保鮮度難以得到保障。在電動(dòng)三輪車上安裝車載冷藏室，可以有效提高保鮮度，降低保鮮成本。開發(fā)太陽(yáng)能冷鏈三輪車，隨時(shí)隨地在陽(yáng)光下為蓄電池充電，對(duì)我國(guó)交通和節(jié)能減排有明顯的意義。

1 太陽(yáng)能冷鏈三輪車關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電面臨的主要問題是如何提高太陽(yáng)能電池工作效率，以及如何提高整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性。太陽(yáng)能電池的發(fā)電特性比較特殊，需要特定的控制方式才能充分發(fā)揮其效率。最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)（Maximum Power Point tracking，MPPT）作為提高光伏發(fā)電系統(tǒng)效率的有效途徑之一，已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外專家研究了多種MPPT控制方法。MPPT控制方法逐步由簡(jiǎn)單的控制算法，如恒定電壓法（Constant Voltage Tracking）、擾動(dòng)觀察法（Perturb-Observer Algorithms）和電導(dǎo)增量法（Incremental Conductance），向復(fù)雜的智能控制發(fā)展，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模糊控制算法和粒子群算法等。

1.2 蓄電池充放電技術(shù)

由于鋰電池具有工作電壓高、重量能量比和體積能量比大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全特性好、充放電電流大等優(yōu)點(diǎn)，目前是小型用電裝置的主流電源。鋰電池充電方式和放電方式受工況影響大，是幾種充放電方式的組合。采用何種充放電方式，必須檢測(cè)鋰電池狀態(tài)和負(fù)載工況，因此鋰電池充放電研究越來越深入，充放電控制也越來越智能化。

鋰電池基本的充電方式有：恒壓充電、恒流充電、脈沖充電。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)一般將幾種基本充電方式組合使用。鋰電池的放電方式有：恒阻放電、恒流放電、恒功率放電，但在實(shí)際使用過程中鋰電池放電方式受工況影響，不會(huì)是固定的某一種放電方式，可以看作是幾種放電方式的組合。在電池管理過程中需要估算一個(gè)重要參數(shù)：電池的荷電狀態(tài)（State Of Charge，SOC），即剩余電量與電池總?cè)萘康谋戎?。SOC直接影響蓄電池的動(dòng)力性能和使用壽命。但是電池的SOC不能直接測(cè)量，只能通過電池內(nèi)阻、充放電電流、電池端電壓等參數(shù)來估算。電池的荷電狀態(tài)直接影響其可接受充電電流。當(dāng)SOC<10%時(shí)，只能用小電流涓流充電，因?yàn)殡姵貎?nèi)阻較大；當(dāng)10%≤SOC≤90%時(shí)，鋰電池可接受最大為1C的充電電流，此階段適合大電流快速充電，因?yàn)殡姵氐膬?nèi)阻較小；當(dāng)SOC>90%時(shí)，電池可接受充電電流按照麥斯定律減小，保持大電流充電會(huì)有導(dǎo)致鋰沉積的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，損害鋰電池的使用壽命。

1.3 光伏制冷技術(shù)

將光伏發(fā)電技術(shù)和制冷技術(shù)結(jié)合在一起就是太陽(yáng)能光伏制冷技術(shù)，該技術(shù)主要是對(duì)常規(guī)的制冷設(shè)備加以利用。光伏制冷技術(shù)包括光伏半導(dǎo)體制冷和光伏壓縮式制冷。半導(dǎo)體制冷是根據(jù)珀?duì)柼?yīng)，采用特種半導(dǎo)體材料形成P-N結(jié)，利用直流電進(jìn)行制冷或制熱。半導(dǎo)體制冷不使用制冷劑，可小型化，無運(yùn)動(dòng)部件，噪聲小，能分布式制冷；不足之處是制冷效率低，COP（能效比，即名義制冷量（制熱量）與運(yùn)行功率之比）一般為0.2~0.3，另外價(jià)格較高。相反，壓縮式制冷技術(shù)已經(jīng)很成熟，目前的制冷劑也很環(huán)保。在壓縮式制冷技術(shù)上發(fā)展光伏制冷技術(shù)具有難度小，易于推廣的優(yōu)勢(shì)。

2 太陽(yáng)能冷鏈三輪車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 太陽(yáng)能冷鏈三輪車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

太陽(yáng)能冷鏈三輪車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包括電動(dòng)三輪車、制冷系統(tǒng)、鋰電池、控制器和光伏組件。

圖1 太陽(yáng)能冷鏈三輪車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

電動(dòng)車選用額定功率為500W，額定電壓為48V的電動(dòng)三輪車。實(shí)驗(yàn)所用太陽(yáng)能電池的參數(shù)為標(biāo)稱300W，輸出電壓范圍0～44.6V的太陽(yáng)能電池板，作為充電電源，太陽(yáng)能電池有效工作電壓設(shè)置在25～44.6V。使用2個(gè)鋰電池組為儲(chǔ)電單元，存儲(chǔ)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化而來的能量，為電動(dòng)三輪車電機(jī)及冰箱電機(jī)供電。鋰電池標(biāo)稱為48V，欠壓保護(hù)為45V，過充電壓為58V。擬設(shè)計(jì)的變換器需要升壓功能，設(shè)計(jì)的變換器選擇為升壓Boost拓?fù)?，Boost變換器電路將太陽(yáng)能電池板能量轉(zhuǎn)換為可用的電壓電流，為后級(jí)電路提供能量。制冷系統(tǒng)選為直流冰箱，直流冰箱制冷系統(tǒng)中的壓縮機(jī)為直流壓縮機(jī)，制冷工質(zhì)為R134a，冰箱容積為86L，上部的冷凍室容積為12L，名義設(shè)計(jì)溫度為-12℃，下部的冷藏室容積為74L，名義設(shè)計(jì)溫度為0~10℃。

2.2 系統(tǒng)硬件解決方案

系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的硬件功能包括：采集太陽(yáng)能電池輸出的電壓電流；采集鋰電池組1和鋰電池組2的電壓電流，根據(jù)不同的狀況，通過開關(guān)Q1、Q2及Q3和Q4調(diào)整負(fù)載供電模式；實(shí)現(xiàn)Boost升壓功能模塊；PWM驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)Boost升壓模塊占空比調(diào)制。通過控制開關(guān)管占空比實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能最大功率點(diǎn)跟蹤算法及恒壓限流算法控制。

當(dāng)電動(dòng)車運(yùn)行時(shí)，Q3閉合，Q4斷開，Q1斷開，Q2閉合，鋰電池組1為負(fù)載供電，鋰電池2充電（鋰電池組2滿電時(shí)，Q2斷開）；Q3斷開，Q4閉合，Q1閉合，Q2斷開，鋰電池組2為負(fù)載供電，鋰電池組1充電（鋰電池組1滿電時(shí)，Q1斷開）。當(dāng)三輪車停駛時(shí)，根據(jù)鋰電池組1和鋰電池組2的電量，確定是否閉合或斷開Q1、Q2、Q3、Q4。

DSP外圍電路包括啟動(dòng)模式電路、JTAG電路（在線調(diào)試接口）、A/D模塊、EPWM模塊、電源模塊、外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展和時(shí)鐘模塊等。為了提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，使用性能優(yōu)越的TMS320F28335作為控制芯片，以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制算法。通過分壓電路后的電壓信號(hào)，經(jīng)過電壓跟隨電路進(jìn)入A/D模塊，進(jìn)行電壓采樣，而電流信號(hào)則通過取小電阻兩端電壓，經(jīng)過差分放大電路后進(jìn)入A/D模塊，進(jìn)行電流采樣。

系統(tǒng)中各工作模塊需要的電源有15V、5V、3.3V三種不同電壓，其電源電壓由鋰電池來提供。鋰電池經(jīng)由DC-DC模塊降壓，再經(jīng)過三端穩(wěn)壓芯片L7815，得到15V電壓，再經(jīng)三端穩(wěn)壓芯片L7805得到5V電壓，最后由高效線性穩(wěn)壓器AMS1117將5V電壓轉(zhuǎn)換至3.3V。EPWM模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用6N137光耦隔離芯片，進(jìn)行高低信號(hào)電平間的隔離，避免控制器產(chǎn)生誤操作。

2.3 電動(dòng)車光伏供電解決方案

使用固定電壓法與變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法相結(jié)合的控制方法，迅速到達(dá)最大功率點(diǎn)，該方法可以減少最大功率點(diǎn)處的輸出功率振蕩幅度，降低功率損耗，且控制算法相對(duì)不太復(fù)雜。對(duì)系統(tǒng)的核心功能電路DC-DC變換器進(jìn)行研究，選用可實(shí)現(xiàn)升壓的BOOST變換器，對(duì)變換器進(jìn)行交流小信號(hào)建模，得出其頻率特性，按照需要設(shè)計(jì)變換器，并對(duì)其功率開關(guān)管和輸出電壓的工作波形進(jìn)行檢測(cè)，以滿足系統(tǒng)的工作要求。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

對(duì)車用鋰電池的充電特性進(jìn)行研究，提出一種適合鋰電池充電的控制策略，最大限度地利用太陽(yáng)能電池的能量。其控制策略如圖3所示。

圖3 鋰電池充電方式控制框圖

在鋰電池恒流充電階段，為充分利用太陽(yáng)能電池，采用最大功率點(diǎn)跟蹤算法。這里使用電流模式控制，其目的是為了控制太陽(yáng)能電池板輸出（Upv），此輸出為DC-DC處的輸入。這使得太陽(yáng)能電池板可始終運(yùn)行在它的最大功率點(diǎn)上。通過調(diào)整電源開關(guān)的占空比，可調(diào)節(jié)輸入電流。通過調(diào)整輸入電流，調(diào)節(jié)輸入電壓。通過最大功率點(diǎn)跟蹤算法確定PV電池板電壓的設(shè)定點(diǎn)（Upv_ref）。在這個(gè)控制機(jī)制下，當(dāng)太陽(yáng)能電池板電壓（Upv）上升，高于MPPT算法設(shè)定的基準(zhǔn)電池板電壓（Upv_ref）時(shí)，此控制環(huán)路增加電池板電流指令（針對(duì)內(nèi)部電流環(huán)路Ipv_ref的基準(zhǔn)電流），從而將電路板電壓控制在基準(zhǔn)電平上（Upv_ref）；當(dāng)電池板電壓下降，低于此基準(zhǔn)時(shí)，控制環(huán)路減少電池板電流指令，將電池板電壓復(fù)原至它的基準(zhǔn)電平。在鋰電池恒壓充電和浮充階段，分別設(shè)置Ubref1和Ubref2作為恒壓充電階段和浮充階段的參考電壓。采用電壓PI調(diào)節(jié)，使DC變換器輸出電壓控制在參考電壓處。

3 市場(chǎng)前景分析

目前，電三輪車的市場(chǎng)保有量預(yù)計(jì)在5000~6000萬輛的規(guī)模水平，其中太陽(yáng)能冷鏈三輪車可用于運(yùn)輸冷鏈?zhǔn)称?、疫苗、鮮奶等需要冷藏的物品，具有廣闊的市場(chǎng)前景，如表1所示。

表1 太陽(yáng)能冷鏈三輪車應(yīng)用