簡智敏

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電動自行車太陽能充電系統(tǒng)最大功率跟蹤電路

簡智敏

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械與自動化工程系，福建 漳州 363000）

在電動自行車充電系統(tǒng)中，采用太陽能對蓄電池進(jìn)行充電，由于太陽能輸出特性是非線性的，為了使太陽能工作點始終在最大功率點附近，在分析太陽能電池的輸出特性基礎(chǔ)上，在硬件電路上采用DC/DC升壓電路，軟件上采用單片機輸出PWM脈沖調(diào)節(jié)DC/DC電路內(nèi)部開關(guān)管的占空比，來控制太陽能電池的輸出電流，實現(xiàn)最大功率跟蹤。

MPPT；BOOST變換器；軟件設(shè)計

引 言

電動自行車是我國城鄉(xiāng)居民的一種主要交通工具，是由電動機驅(qū)動，蓄電池供電的自行車。蓄電池普遍采用工業(yè)電網(wǎng)進(jìn)行供電，由于現(xiàn)在能源日益稀缺，且有一定污染，因此采用太陽光這種潔凈且用之不竭的能源對蓄電池充電是最為理想的。由于太陽光是時刻變化的，即太陽能電池兩端的輸出電壓是時刻變化的，這樣使得太陽能電池的輸出功率也產(chǎn)生相應(yīng)的變化，為了提高太陽能電池的利用率，一個重要的途徑就是實時調(diào)整太陽能電池的工作點，使其始終工作在最大功率點附近。因此，電動自行車的太陽能充電系統(tǒng)，要解決的一個重要問題就是如何實現(xiàn)最大功率點的跟蹤。

1 太陽能電池的輸出特性

太陽能電池的輸出曲線如圖1。從圖（A）可看出相同日照不同溫度時，隨著溫度的增加，太陽能電池的開路電壓下降，最大輸出功率降低；從圖（B）可看出相同溫度不同日照時，隨著日照強度增加，開路電壓變化不大，最大輸出功率增加?？梢?，太陽能電池在一定的結(jié)溫和一定的日照強度下，具有唯一的最大功率點，當(dāng)太陽能電池工作在該點時,能輸出當(dāng)前溫度和日照條件下的最大功率[1]。

最大功率跟蹤（MPPT）就是指控制電路能夠?qū)崟r的偵測太陽能板兩端的發(fā)電電壓，并追蹤最高電壓和電流值，使系統(tǒng)以最高的效率對蓄電池充電[2]。

由于太陽能電池的輸出特性受到外界多種因素的影響（包括日照強度、環(huán)境溫度、負(fù)載阻抗等），因此其輸出特性是非線性的，輸出表現(xiàn)為一個不穩(wěn)定的直流電源。為了便于分析問題，對太陽能電池的模型進(jìn)行簡化，將太陽能電池看作一個帶內(nèi)阻的直流電壓源，該內(nèi)阻的大小隨著外界環(huán)境變化而變化。

因此，在利用太陽光對電動自行車的蓄電池進(jìn)行充電時，要實現(xiàn)最大功率點的跟蹤，其實就是在太陽能電池與蓄電池之間增加一個DC/DC電路，通過控制該DC/DC電路對整個電路阻抗進(jìn)行匹配[3]。圖2是利用DC/DC電路所構(gòu)成的MPPT功能電路。

圖1 太陽能電池輸出特性曲線

圖2 MPPT原理性框圖

2 MPPT電路的實現(xiàn)

2.1 MPPT電路硬件的實現(xiàn)

在DC/DC電路中，利用晶體管工作在相應(yīng)的導(dǎo)通和關(guān)閉狀態(tài)，將太陽能電池的不可控的直流輸出信號，通過改變占空比變?yōu)榭煽氐闹绷鬏敵?，DC/DC電路中的開關(guān)調(diào)節(jié)采用脈寬調(diào)制（PWM）進(jìn)行控制。

由于太陽能電池工作時受天氣影響比較大，而且在電動自行車直流系統(tǒng)中，常常會出現(xiàn)光伏電池的輸出電壓低于蓄電池充電電壓的情形，因此對應(yīng)DC/DC電路采用升壓型Boost電路，這樣可以始終工作在輸入電流連續(xù)狀態(tài)，只要輸入電感足夠大，電感上的電流就能小到接近平滑的直流電流。

圖3 MPPT硬件部分框圖

開關(guān)管在導(dǎo)通及截止瞬間容易產(chǎn)生較大的電壓或電流突變，在開關(guān)管兩端并聯(lián)的緩沖電路（R、D1、C2 )，用于保護(hù)開關(guān)管。

電壓采集采用精密電阻進(jìn)行比例衰減，把輸入量程為0～50V的電壓轉(zhuǎn)換為0～5V,經(jīng)過RC濾波后送AD轉(zhuǎn)換器，同時采用線性光耦，較好地實現(xiàn)輸入側(cè)和輸出側(cè)之間的隔離, AD轉(zhuǎn)換采用芯片ADC0809實現(xiàn)。電流采集采用霍爾電流傳感器。PWM信號的輸出由單片機通過定時器及軟件實現(xiàn)，通過光電耦合來控制開關(guān)管的通斷。

開關(guān)管驅(qū)動電路如圖4所示，由單片機輸出的PWM信號通過光耦與驅(qū)動電路隔離，以提高抗干擾能力。當(dāng)PWM信號為高電平時,三極管T3、 T2截止, T1導(dǎo)通,使得絕緣柵場效應(yīng)管快速導(dǎo)通。當(dāng)PWM信號為低電平時,三極管T3導(dǎo)通, T1關(guān)斷,T2導(dǎo)通, 絕緣柵場效應(yīng)管快速關(guān)斷。

MPPT電路需要及時準(zhǔn)確地采樣蓄電池當(dāng)前的充電電壓和充電電流，將兩者相乘，得到當(dāng)前的充電功率，再與前一時刻的充電功率相比較，進(jìn)而調(diào)節(jié)PWM的占空比，使太陽能電池始終工作在最大功率點。

2.2 MPPT電路軟件的實現(xiàn)

本文所用的電動車用的蓄電池為36V,由6只6V或3只12V再串聯(lián)形成電池組。采用太陽電池向蓄電池充電時需以脈寬調(diào)制的方式充電。當(dāng)檢測到蓄電池的電壓小于41.4V時，此時PWM以100%占空比輸出，場效應(yīng)開關(guān)管始終接通，即采取全通充電方式；如果檢測到蓄電池電壓大于41.4V 并小于44.4V 時，隨著蓄電池電壓的增加，脈寬不斷的變窄，直到蓄電池端電壓上升至44.4V 時，脈寬變窄至0，即關(guān)閉PWM輸出，停止充電。充電流程如圖5所示。

圖4 MOFT驅(qū)動電路

圖5 太陽能充電流程

實現(xiàn)MPPT時，將DC/DC電路的輸入電壓、輸出電壓和輸入電流、輸出電流的測量結(jié)果通過單片機進(jìn)行分析。單片機先快速讀取充電電流的大小，再與事先設(shè)定的充電電流進(jìn)行比較，若實際電流小于設(shè)定電流，則向增加充電電流的方向調(diào)整PWM的占空比；若實際電流大于設(shè)定電流，則向減小充電電流的方向調(diào)整PWM占空比。這里將PWM占空比初始值設(shè)為70%，再不斷改變占空比采集相應(yīng)電壓和電流，由單片機算出對應(yīng)功率，與前次結(jié)果進(jìn)行比較，得到最大功率點的方向，從而確定占空比的大小，直至找到最大功率點，才停止搜索。

在整個過程中，由于負(fù)載可能會產(chǎn)生變化，因此電壓和電流的采集依舊進(jìn)行。由于日照強度和環(huán)境溫度的變化是一個緩慢過程，因此參數(shù)采樣不需要高實時性，只需幾秒中斷采樣一次。產(chǎn)生中斷的時間可將初期設(shè)得較短，后期設(shè)得較長，這樣初期可以快速的靠近最大功率點，后期可避免在最大功率點附近振蕩。

3 結(jié)束語

通過實驗跟蹤該設(shè)計電路的輸出電壓和電流，并計算出相應(yīng)功率，驗證了該方案的可行性和實用性。該方案電路結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定可靠，在具體應(yīng)用中，既可以節(jié)約能源，減少污染，而且在白天電動車不管是否有騎行，都可以最大限度的利用太陽能，有利于提高整個太陽能電動自行車的整體性能。

[1] 楊帆，彭宏偉，胡為兵. DC-DC轉(zhuǎn)換電路在光伏發(fā)電MPPT中的應(yīng)用[J]. 武漢工程大學(xué)學(xué)報，2008(3):104-106．

[2] 趙為. 太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究[D]. 合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2003:18-52．

[3] 張春龍，廖志凌，劉國海. 一種基于ON/OFF 控制的太陽能電池MPPT 控制器[J]. 電測與儀表，2009(5):76-79．

[4] 曹倩茹. 光伏發(fā)電的最大功率跟蹤研究[D]. 西安：西安科技大學(xué)，2006:15-40.

[5] 趙庚申，王慶章. 最大功率跟蹤控制在光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 光電子激光，2003(8):813-816．

[6] 趙宏，潘俊民. 基于MPPT電路的光伏電池最大功率點跟蹤系統(tǒng)[J]. 電力電子技術(shù)，2004(3):55-57．

[7] 孫佩石，何慶領(lǐng). 具有最大功率跟蹤功能的光伏戶外逆變電源[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001(6):1115-1118．

[8] 洪剛. 基于脈沖寬度調(diào)制技術(shù)的太陽能充電系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 重慶科技學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2009(4):89-90．

The maximum power tracing circuit of solar energy charging system in electric bicycle

JIAN Zhi-min

(Department of Mechanical and Automation Engineering，Zhangzhou Institute of Technology,Zhangzhou 363000，China)

In the charging system of electric bicycle, when using solar energy to charge the storage battery, because the output character of solar energy is non-linear. in order to make the working point of solar energy be constantly around the maximum power, based on the analysis on the output character of solar battery, by using DC/DC boosted circuit on hardware circuit, and on software, using single chip to output PWM impulse so that to adjust duty cycle of internal switch of DC-DC circuit and then control the output current of solar battery, which will make the maximum power tracing be achieved.

MPPT; boost-convertor; software design

TM910.6

A

1673-1417（2013）03-0018-05

2013－05－16

簡智敏（1979－），女，福建南靖人，講師，碩士。

（責(zé)任編輯：季平）