楊宇宇，何寧業(yè)

（黃山學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽黃山，245041）

0 引言

全球環(huán)境問題面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，溫室效應(yīng)愈發(fā)嚴(yán)重，自然災(zāi)害頻發(fā)，因此優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保障能源供給、保護(hù)生態(tài)環(huán)境已成為事關(guān)全局的重大戰(zhàn)略性任務(wù)。另一方面，能源的過度消耗使能源緊缺成為全人類所面臨的巨大問題，也是能源安全的核心內(nèi)容。如果不改變傳統(tǒng)汽車的出行方式，繼續(xù)大量消耗能源，將難以持續(xù)我國的汽車行業(yè)的興起。因此利用太陽能、風(fēng)力發(fā)電等清潔能源為新能源汽車供電，勢必成為未來發(fā)展的趨勢。如何開發(fā)利用新能源減少碳排放量以實(shí)現(xiàn)綠色出行也將成為最重要的環(huán)保話題之一。本文中提出的柔性薄膜太陽能光伏板和蓄電池組成的智能光伏充電系統(tǒng)與電動汽車的結(jié)合，既充分利用了新能源，又為解決中小型城市以及農(nóng)村新能源汽車電量不足的突發(fā)狀況提供便利，避免不必要的風(fēng)險。因此，太陽能與電動汽車的結(jié)合將會是未來發(fā)展的主流。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能光伏充電系統(tǒng)主要由太陽能光伏板，電量監(jiān)測模塊，STM32單片機(jī)，MPPT模塊，蓄電池五部分組成。首先太陽能光伏板將太陽能直接轉(zhuǎn)化為清潔電能，由STM32單片機(jī)系統(tǒng)自帶電流傳感器和外加電壓傳感器實(shí)現(xiàn)太陽能光伏板電量情況的實(shí)時監(jiān)測，當(dāng)蓄電池的荷電狀態(tài)大于90%，則不需要供電；當(dāng)蓄電池荷電狀態(tài)小于90%，單片機(jī)發(fā)出指令控制充電系統(tǒng)啟動。MPPT模塊通過算法實(shí)現(xiàn)對太陽能光伏板的最大功率點(diǎn)追蹤。該智能光伏充電系統(tǒng)核心控制單元為STM32單片機(jī)，通過STM32的定時器來控制MPPT中逆變器電路的占空比，逆變器實(shí)現(xiàn)將交流電轉(zhuǎn)換為直流電后存儲在蓄電池中，電量充滿時自動關(guān)閉充電系統(tǒng)。

本文所提用于新能源汽車的智能光伏充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 智能光伏充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

2 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 最大功率追蹤（MPPT）

以STM32芯片作為控制核心，由充電保護(hù)電路作為充放電的開關(guān)。充電狀態(tài)時，由單片機(jī)對采集的電壓電流數(shù)據(jù)處理得到驅(qū)動信號，輸出PWM波送至功率管用以調(diào)節(jié)占空比和逆變器的電路阻抗，從而調(diào)整太陽能光伏電池的工作點(diǎn)，追蹤至最大功率點(diǎn)處工作。

本文采用一種基于功率變化的改進(jìn)型變步長擾動觀察法作為MPPT的控制模塊，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的追蹤。利用MATLAB軟件對其進(jìn)行仿真，驗(yàn)證該算法的有效性。該算法的工作機(jī)制是測量當(dāng)前時刻電壓電流值和前一時刻電壓電流值，計(jì)算當(dāng)前功率值和前一時刻功率值并比較，如果此時功率大于前一時刻功率，說明擾動方向正確，從而繼續(xù)向前擾動，否則，則反向擾動。如此往復(fù)，直至找到最大功率點(diǎn)為止。此方法不僅可以減弱在MPPT附近的震蕩，而且還具有良好的追蹤速度，簡單可控。

2.2 最大功率點(diǎn)追蹤仿真實(shí)現(xiàn)

智能光伏充電系統(tǒng)中最核心的問題就是如何將太陽能更高效地轉(zhuǎn)換為電能，以便為新能源汽車供給充足的電量，有效提升續(xù)航里程。智能光伏充電系統(tǒng)的充電效率與外界溫度和光照強(qiáng)度有直接關(guān)聯(lián)，下圖是根據(jù)不同溫度和光照強(qiáng)度在Simulink平臺上進(jìn)行仿真的模型圖。本文利用變改進(jìn)型步長擾動觀察法實(shí)現(xiàn)對光伏電池最大功率點(diǎn)追蹤，本文采用的MPPT控制模塊仿真模型圖如圖2所示。

圖2 最大功率點(diǎn)追蹤模塊仿真模型圖

2.2.1 不同溫度下的仿真分析

設(shè)置一天光照強(qiáng)度變化范圍為800-1000w/m2,溫度依次選取17℃，27℃，37℃進(jìn)行仿真。橫軸為時間t/s,縱軸為輸出功率P/W。仿真結(jié)果如下圖3所示。

圖3 17℃光伏電池輸出功率曲線圖

從圖3中可以看出，溫度為17℃時，功率發(fā)生快速突變，時間在0.02處功率上升到0.24附近，又繼續(xù)突變至0.3附近，穩(wěn)定后最大功率在0.3處持續(xù)輸出。

從圖4中可以看出，溫度為27℃時，功率發(fā)生快速突變，時間在0.03處功率上升到0.26附近，又繼續(xù)突變至0.33附近，穩(wěn)定后最大功率在0.33處持續(xù)輸出。

圖4 27℃光伏電池輸出功率曲線圖

從圖5中可以看出，溫度為37℃時，功率發(fā)生快速突變，時間在0.035處功率上升到0.28附近，又繼續(xù)突變至0.34附近，穩(wěn)定后最大功率在0.34處持續(xù)輸出。

圖5 37℃光伏電池輸出功率曲線圖

通過對比17℃、27℃、3℃的仿真結(jié)果分析可知，追蹤最大功率點(diǎn)都要經(jīng)過迅速突變。在光照強(qiáng)度一定的情況下，隨著溫度的升高，追蹤到最大功率點(diǎn)的速度有所減緩，但追蹤到的最大功率點(diǎn)不斷升高。

2.2.2 不同光照強(qiáng)度下的仿真分析

設(shè)置溫度為27℃,光照強(qiáng)度的范圍依次選取600-800w/m2，800-100w/m2，1000-1200w/m2進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如下圖6所示。

圖6 600-800w/m2光伏電池輸出功率曲線圖

從圖6中可以看出，光照強(qiáng)度為 600-800w/m2時，發(fā)生迅速突變后，時間在0.03處功率上升到0.16，又繼續(xù)突變至0.26附近，最大功率以較小波動輸出。

從圖7中可以看出，光照強(qiáng)度為 800-1000w/m2時，發(fā)生迅速突變后，時間在0.04處功率上升到0.26，又繼續(xù)突變至0.32附近，最大功率以小波動輸出。

圖7 800-1000w/m2光伏電池輸出功率曲線圖

從圖8中可以看出，光照強(qiáng)度為 1000-1200w/m2時，發(fā)生迅速突變后，時間在0.03處功率上升到0.32，又繼續(xù)突變至0.36附近，最大功率以較大波動輸出。

圖8 100-1200w/m2光伏電池輸出功率曲線圖

通過對比600-800w/m2，800-100w/m2，1000-1200w/m2的仿真結(jié)果分析可知，發(fā)生迅速突變的有所加速。在溫度一定的情況下，隨著光照強(qiáng)度的增加，追蹤到的最大功率輸出點(diǎn)大幅度增加，但輸出的波動強(qiáng)度也隨之增加。

通過對改進(jìn)型擾動觀察法仿真分析，有效驗(yàn)證了該算法對追蹤最大功率點(diǎn)的有效性和對提高新能源汽車充電效率的實(shí)用性。

3 小結(jié)

本文的研究內(nèi)容是將光伏發(fā)電系統(tǒng)與電動汽車相結(jié)合，取代傳統(tǒng)電力汽車或混合動力汽車，更大程度利用太陽能實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。研究的主要問題是提高光伏發(fā)電將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的轉(zhuǎn)換效率，節(jié)省電動汽車的耗電量。完成了智能光伏充電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，選用改進(jìn)型變步長擾動觀察法實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤技術(shù)（MPPT），該算法可以靈活準(zhǔn)確地追蹤最大功率點(diǎn)，降低光伏充電損耗，提高轉(zhuǎn)換效率。新能源汽車可以稱作真正的“零排放”交通工具，近年來光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，隨著太陽能充電系統(tǒng)技術(shù)的不斷改進(jìn)，車載智能光伏充電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)指日可待。