孫豐濤, 任建平, 劉偉川

(珠海廣通汽車有限公司, 廣東 珠海 519090)

與傳統(tǒng)的燃油車相比,電動汽車以電能驅(qū)動,具有節(jié)能環(huán)保、噪聲低等優(yōu)點,電動汽車的普及應(yīng)用對能源持續(xù)性及環(huán)境生態(tài)優(yōu)化具有一定作用[1-2]。而光伏太陽能汽車是一個相對較新的概念[3],一些車企已設(shè)計了光伏概念車,如奔馳、奧迪等。這些車企在天窗上方安置了光伏太陽能板,當車輛處于靜止狀態(tài)時,產(chǎn)生的能量帶動鼓風機完成車艙內(nèi)換氣,同時能降低車艙溫度[4-6]。商用車領(lǐng)域也有光伏應(yīng)用,但極少將光伏系統(tǒng)與汽車動力、空調(diào)系統(tǒng)等有效結(jié)合,導(dǎo)致光伏產(chǎn)生的能量利用率不高。

本文提出一種基于高效電能管理系統(tǒng)的客車光伏技術(shù),通過在電動客車頂部布置柔性薄膜光伏板(如圖1所示),將太陽能轉(zhuǎn)換為電能,并作為一種清潔補充能源提供給整車系統(tǒng),既實現(xiàn)對整車負載的直接供電、對動力電池組充電,又降低對傳統(tǒng)能量的消耗。

圖1 客車頂部薄膜光伏

1 光伏GMPPT控制系統(tǒng)

光伏太陽能系統(tǒng)設(shè)置有較多光伏組件,其中包括大量光伏陣列[7]。為了提高光伏陣列的輸出功率和光伏發(fā)電的整體效率,適應(yīng)于局部陰影下的全局最大功率點跟蹤(GMPPT)算法已成為光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展的重要技術(shù)環(huán)節(jié)[8]。傳統(tǒng)意義的最大功率點跟蹤(MPPT)算法已無法滿足當前技術(shù)發(fā)展,優(yōu)化后的GMPPT算法采用電壓環(huán)、電流環(huán)分頻控制,可實現(xiàn)局部陰影下最大功率點快速跟蹤。

1.1 優(yōu)化后的GMPPT控制策略

局部遮擋、灰塵覆蓋、電池老化等都易造成光伏系統(tǒng)失配,會直接導(dǎo)致光伏系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效率低下[9]。若出現(xiàn)局部遮擋的情況,光伏陣列的功率-電壓特性曲線會出現(xiàn)多功率極值點現(xiàn)象,影響最大功率點的跟蹤,造成光電系統(tǒng)功率損耗,間接損壞光伏組件[10]。國內(nèi)外專家對光伏發(fā)電系統(tǒng)在局部陰影條件下光伏陣列的建模和GMPPT算法進行了大量研究,有學(xué)者通過采用實時數(shù)據(jù)測量、特殊電路配置及人工智能算法等方法來實現(xiàn)在局部遮擋情況下對光伏系統(tǒng)全局最大功率點的穩(wěn)定輸出[11-12]。但采用上述方法(如增加特殊電路、采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等)直接增加了控制系統(tǒng)的軟、硬件成本,且對系統(tǒng)處理器要求較高,不適宜大批量生產(chǎn)。

光伏組件在復(fù)雜環(huán)境下(如局部陰影情況)往往使得光伏陣列功率-電壓特性曲線呈現(xiàn)多個功率極值點D、C、E,如圖2所示。此時,采用基于采樣數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)MPPT 跟蹤算法,光伏組件最終會穩(wěn)定運行在局部峰值點C處,然而縱觀全局,在局部陰影情況下最大功率點其實是D點,因而造成系統(tǒng)局部極值點失效,光伏陣列實際工作在不良狀態(tài),功率嚴重失配,既造成能量損失又容易損壞光伏組件。

圖2 功率-電壓特性曲線

對此,本文采用一種針對局部陰影現(xiàn)象的高效率、低成本優(yōu)化GMPPT算法,實現(xiàn)局部陰影最大功率點的快速穩(wěn)定跟蹤,控制策略如圖3所示。

圖3 優(yōu)化GMPPT算法的控制策略

獲取當前采樣周期與上一采樣周期的輸出功率與采樣電流,并將兩個采樣周期的輸出功率與采樣電流進行對比分析,判斷當前光伏發(fā)電系統(tǒng)工作環(huán)境是否為多功率極值點環(huán)境。若當前環(huán)境為多功率極值點環(huán)境,系統(tǒng)將以預(yù)設(shè)的第一步長改變脈沖調(diào)制信號的占空比,并計算出每一占空比對應(yīng)的輸出功率,查找出最大輸出功率值對應(yīng)的脈沖調(diào)制信號的占空比,將直流變換器輸出的脈沖調(diào)制信號的占空比調(diào)節(jié)為目標占空比。

1.2 優(yōu)化后的GMPPT控制方案

圖4中基于GMPPT算法控制器接收輸入?yún)⒖茧妷阂约拜斎腚娏?穩(wěn)壓電路內(nèi)的電壓調(diào)節(jié)器輸出電壓信號,該電壓信號作為PI控制器的輸入電壓Up,控制器輸出的信號作為PI控制器的輸入電壓U。PI控制器計算輸出參考電流Ipv_ref*,并將參考電流Ipv_ref*與輸入電流的信號差值輸入至電流調(diào)節(jié)器,電流調(diào)節(jié)器根據(jù)PI控制器輸出值計算第二步長,并將第二步長輸出至脈沖調(diào)制信號產(chǎn)生電路,脈沖調(diào)制信號產(chǎn)生電路根據(jù)第二步長調(diào)節(jié)輸出的脈沖調(diào)制信號的占空比,圖4為電壓環(huán)和電流環(huán)分頻控制方案。

圖4 電壓環(huán)和電流環(huán)分頻控制方案

通過將輸入電壓的波動控制在一個極小的變化范圍內(nèi),直流調(diào)節(jié)器輸出的脈沖調(diào)制信號的占空比將會較小幅度的調(diào)節(jié)。實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定控制的效果,保證光伏發(fā)電系統(tǒng)較穩(wěn)定地工作于最大功率點位置,使得光伏發(fā)電系統(tǒng)高效工作。圖5為MPPT和優(yōu)化GMPPT算法程序執(zhí)行時間。

電壓調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器將輸入的電壓、電流信號分頻調(diào)節(jié)控制,從而調(diào)節(jié)輸出脈沖信號占空比。采用上述方案可大幅縮減程序時間,突破常規(guī)固定應(yīng)用場合局限,適應(yīng)天氣變化及場景轉(zhuǎn)換,實現(xiàn)移動快速跟蹤。

1.3 優(yōu)化后的GMPPT算法試驗驗證

本文通過橋洞陰影跟蹤試驗(圖6),將傳統(tǒng)的MPPT算法與優(yōu)化后的GMPPT算法相對比,以驗證上述策略方案的優(yōu)勢。

由圖6、圖7及表1可知:采用優(yōu)化后的GMPPT算法的光伏發(fā)電系統(tǒng),可實現(xiàn)局部陰影情況下最大功率點的快速跟蹤。

表1 MPPT和GMPPT極值點及效率

圖7 實測波形圖

優(yōu)化的GMPPT控制算法采用電壓環(huán)、電流環(huán)分頻控制策略,根據(jù)電池電壓的不同將光伏電能以不同的電壓輸出,保證光伏組件始終在最佳狀態(tài)工作,實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)高效工作。

2 光伏客車驅(qū)動控制系統(tǒng)

光伏客車的驅(qū)動能量主要由動力電池組與光伏供能兩種方式組成,由驅(qū)動控制系統(tǒng)實施切換。驅(qū)動能方式的切換策略決定汽車動力輸出的連續(xù)性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性。

2.1 光伏客車驅(qū)動控制切換策略

目前,汽車動力切換系統(tǒng)主要采用功率跟隨策略,系統(tǒng)的輸出功率增加至閾值時,與另一個系統(tǒng)進行切換。采用這種切換系統(tǒng)會使得供能系統(tǒng)頻繁切換,從而導(dǎo)致系統(tǒng)能量丟失,造成車輛能量損耗高,影響汽車的行駛里程;同時這種單閾值切換會造成系統(tǒng)切換的不連續(xù)性,使車輛在行駛途中易出現(xiàn)動力階躍現(xiàn)象,降低汽車行駛的穩(wěn)定性。避免汽車動力系統(tǒng)頻繁切換是目前混合動力系統(tǒng)切換所要解決的主要問題。

本文采用博弈方式的動力系統(tǒng)切換策略。整車驅(qū)動控制模塊通過信號接收獲知系統(tǒng)功率切換需求,采集系統(tǒng)狀態(tài)信息,對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理,完成動力切換。驅(qū)動系統(tǒng)控制切換示意圖如圖8所示。

圖8 驅(qū)動系統(tǒng)控制切換示意圖

驅(qū)動控制切換策略:將車輛動力系統(tǒng)切換需求指令作為系統(tǒng)切換的基礎(chǔ),將獲取到切換指令時刻的行駛參數(shù)作為博弈的前瞻條件,預(yù)測計算系統(tǒng)功率變化率和切出點功率;將系統(tǒng)功率變化率作為系統(tǒng)切換的導(dǎo)向,使切出系統(tǒng)的功率緩慢減少,切入系統(tǒng)的功率增加;當切出系統(tǒng)的輸出功率接近切出點功率時,系統(tǒng)功率切換完成。驅(qū)動控制切換策略如圖9所示,圖中A、B系統(tǒng)可代表動力電池組與光伏系統(tǒng),Po代表系統(tǒng)總功率,Px代表切換功率點值,ΔP表示功率變化率,Pa表示A系統(tǒng)功率,Pb表示B系統(tǒng)功率,Pup表示功率增加量,Pdown表示功率減少量,ΔPb表示A系統(tǒng)輸出功率停止減少后B系統(tǒng)輸出功率的增量,ΔPa表示B系統(tǒng)輸出功率停止減少后A系統(tǒng)輸出功率的增量。

圖9 驅(qū)動控制切換策略

2.2 光伏客車驅(qū)動控制方案

本文主要采用光伏系統(tǒng)與動力電池組雙能源動力驅(qū)動方式。采用濾波器對光伏轉(zhuǎn)換不平穩(wěn)信號進行過濾;采用驅(qū)動芯片實現(xiàn)光伏系統(tǒng)電壓、電流的逆變轉(zhuǎn)換;通過隔離DC/DC電源、DSP及整車控制信號需求等,實現(xiàn)雙能源動力切換驅(qū)動。圖10為光伏驅(qū)動控制方案。

圖10 光伏驅(qū)動控制方案

2.3 光伏客車驅(qū)動控制運行模式

車輛行駛時的主要動力來源于光伏系統(tǒng)與動力電池組。本文采用混合動力汽車控制模式,通過對光伏能源與動力電池組電能的合理利用,可實現(xiàn)不同形式的供電方式,保證車輛高效、平順地運行。目前,按車輛行駛需求及外在天氣、環(huán)境等因素,將客車光伏運行模式分為4類:光伏儲能混動模式、純電動模式、光伏儲能模式、光伏運行模式。光伏客車工作模式原理如圖11所示。

圖11 光伏客車工作模式原理

1) 光伏儲能混動模式。光伏儲能混動模式需要光伏系統(tǒng)與動力電池組共同為負載提供動力能源。根據(jù)行駛天氣、行駛環(huán)境決定光伏系統(tǒng)是否參與系統(tǒng)供能。當有太陽光照射時,判斷光伏發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的電能是否滿足當前車輛行駛的全部需求,若經(jīng)過系統(tǒng)判斷,光伏系統(tǒng)轉(zhuǎn)換能源不足以提供車輛負載運行,則其所發(fā)電能全部供給客車運行,不足部分由動力電池組實時補充,從而保證車輛運行。光伏儲能混動模式原理如圖12所示。

圖12 光伏儲能混動模式原理

2) 純電動模式。純電動模式即單純采用車輛動力電池能源為車輛負載供電。當車輛行駛受到外界條件影響(如陰天、車輛夜間行駛、經(jīng)過長隧道)時,車輛光伏系統(tǒng)無法采集光束,光伏發(fā)電系統(tǒng)無法提供電能,此時,光伏客車負載所需能量均由動力電池組提供。純電動模式原理如圖13所示。

圖13 純電動模式原理

3) 光伏儲能模式。光伏系統(tǒng)將轉(zhuǎn)化的電能都用于系統(tǒng)儲能。判斷車輛的行駛狀態(tài),當光伏客車處于停止狀態(tài)時,檢查儲能系統(tǒng)電池電量,若儲能系統(tǒng)電池電量低于滿電狀態(tài)(SOC<95%),判定儲能系統(tǒng)有充電需求,此時光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電能全部用于儲能電池充電。光伏儲能模式原理如圖14所示。

圖14 光伏儲能模式原理

4) 光伏運行模式。車輛負載所需的能量全部由光伏系統(tǒng)提供,這是一種短暫的臨界模式。由于車頂面積小,光伏發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)化的電能通常無法完全滿足整車用電需求,當光伏發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)化的電能與光伏客車所耗電能匹配時,整車無需儲能系統(tǒng)輸出電能,這種模式通常為臨界或過渡模式。光伏運行模式原理如圖15所示。

圖15 光伏運行模式原理

2.4 高效電能管理系統(tǒng)

高效電能管理系統(tǒng)在整車動力源與高壓動力模塊之間起到關(guān)鍵作用,實現(xiàn)光伏系統(tǒng)與動力電池的能量協(xié)調(diào)控制,提升各個工作模式及模式間切換的能量管理效率。

2.4.1 模式能量管理

傳統(tǒng)光伏系統(tǒng)與電池組系統(tǒng)工作組合的簡單模式是直接通過并聯(lián)方式接入直流母線供能,其優(yōu)點是成本低;缺點是難以控制動力電池組與光伏系統(tǒng)的功率分配,會使動力電池頻繁地充放電,影響動力電池壽命。相對復(fù)雜的模式是以動力電池或者光伏系統(tǒng)為主控的半主動結(jié)構(gòu),此結(jié)構(gòu)將主控單元與DC-DC轉(zhuǎn)換器串聯(lián),再與次控單元并聯(lián)接入直流母線。這種模式的優(yōu)點是可有效地控制主控單元的輸出;缺點是次控單元長期處于工作狀態(tài),不能有效地控制其能量輸出。

例如,對于將動力電池系統(tǒng)作為主控單元、光伏控制系統(tǒng)作為次控單元的半主動結(jié)構(gòu),光伏供能系統(tǒng)將長期處于工作狀態(tài),光伏電能會很快耗完,從而無法調(diào)節(jié)主控單元動力電池系統(tǒng)的能量輸出,進而會出現(xiàn)動力電池組大電流放電現(xiàn)象,最終導(dǎo)致電池衰退。相反,對于將光伏系統(tǒng)作為主控單元、動力電池組作為次控單元的半主動結(jié)構(gòu),當車輛在啟動、急加速等狀態(tài)功率急速需求時,可通過控制光伏系統(tǒng)提供部分能量輔助動力電池組工作,這既減少了動力電池組系統(tǒng)大電流放電頻次,又延長了動力電池組壽命,同時也能增加光伏客車的續(xù)駛里程。雖然這種結(jié)構(gòu)可以延緩動力電池組的衰退,但是動力電池組直接并聯(lián)到直流母線處于常供電狀態(tài),不能控制其供電的輸出比例,難以實現(xiàn)對動力電池與光伏能源的合理分配。

通過上述分析,本文設(shè)計主動型的并聯(lián)結(jié)構(gòu),將動力電池系統(tǒng)與光伏系統(tǒng)及DC-DC轉(zhuǎn)換器連接后再接入直流母線,實現(xiàn)了光伏系統(tǒng)與動力電池組靈活組合,可根據(jù)系統(tǒng)功率需求,主動、準確地對光伏及動力電池的能源進行合理分配,具體設(shè)計了2.3節(jié)所述的4種工作模式。通過采用多種工作模式,實現(xiàn)了光伏發(fā)電與動力電池系統(tǒng)的高效匹配,將兩種能源協(xié)調(diào)控制運行,為客車增加了一定的續(xù)駛里程,相較于傳統(tǒng)的電能管理系統(tǒng)具有較大優(yōu)勢。

2.4.2 工作模式切換能量管理

傳統(tǒng)的系統(tǒng)動力切換方式一般為:第一系統(tǒng)輸出功率抬升至一個定值與第二系統(tǒng)進行切換,模式切換時隨著功率抬升“硬”切換,切換時間一般為3～5 ms。這種方式存在以下不足:在頻繁的模式切換中損失較多的能量,造成系統(tǒng)能量損失;切換過程不平滑,會造成汽車穩(wěn)定性下降;同時這種值對值的切換方式會使工作模式系統(tǒng)切換頻繁,造成混合系統(tǒng)混合深度較低。

本文采用的高效切換方式,模式間切換時間為2 ms,相較于傳統(tǒng)的電能管理系統(tǒng)具有模式切換穩(wěn)定、切換迅速的特點,既能保證經(jīng)濟高效地利用系統(tǒng)能量,又能保證車輛模式間的平滑切換,實現(xiàn)車輛的高效平穩(wěn)運行。

3 實車測試驗證

3.1 道路測試

對搭載光伏發(fā)電系統(tǒng)的客車進行道路驗證。測試道路為市公共交通道路,主要包括市區(qū)、郊區(qū)大道、小道。道路測試在有樹蔭、隧道等場景下進行,實現(xiàn)測試的全面性、均勻性,保證測試結(jié)果的公平性、準確性。道路測試時間與車輛實際運營時間一致。圖16為光伏客車實際道路運行圖。

圖16 光伏客車實際道路運行

為驗證不同季節(jié)條件下的光伏發(fā)電性能,文中選取較為典型的1月與6月數(shù)據(jù)進行分析。如圖17所示,對1月與6月光伏系統(tǒng)發(fā)電量進行實測統(tǒng)計,1月實測日平均發(fā)電量約為11.43 kW·h,6月實測日平均發(fā)電量約為16.45 kW·h。并對全年光伏發(fā)電量進行分析統(tǒng)計,其日平均發(fā)電量約為13.87 kW·h。

圖17 冬季和夏季實際發(fā)電量對比

3.2 實驗室測試

光伏客車能量消耗與續(xù)駛里程測試要求按照GB/T 18386—2017《電動汽車 能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》[13]中的規(guī)定執(zhí)行。具體測試標準為:車輛行駛車速為40 km/h,行駛時間為10 h,每天行駛400 km,實驗室室溫為20～30 ℃。光伏客車實驗室測試場景如圖18所示。

圖18 光伏客車實驗室測試場景

通過在實驗室采用GB/T 18386—2017《電動汽車 能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》對車輛的續(xù)駛里程及能量消耗測試可知:當需要提供相同的電量時,鋰電池組與薄膜光伏在成本、質(zhì)量及日耗電量的對比見表2。表明采用薄膜光伏的成本更低、重量更輕,相較于車輛動力電池組來說,具有較大優(yōu)勢。

表2 光伏成本與增程效果

但搭載薄膜光伏發(fā)電系統(tǒng),其自身也會產(chǎn)生一定的耗電量,去除光伏系統(tǒng)自身耗能,用于客車負載供能的日平均發(fā)電量約為15.78 kW·h,可增加光伏客車日續(xù)駛里程10 km以上。光伏系統(tǒng)發(fā)電量如圖19所示。

圖19 光伏系統(tǒng)發(fā)電量

客車采用的薄膜光伏組件具有美觀輕便、可彎曲、易安裝、高可靠性、長壽命等優(yōu)點,既能實現(xiàn)整車輕量化,又能增加行駛里程。

4 結(jié)束語

本文提出一種高效電能管理的客車光伏技術(shù),采用車載光伏優(yōu)化的全局最大功率點跟蹤自適應(yīng)掃描方法,通過電壓環(huán)、電流環(huán)分頻控制,程序時間由原來的5 μs大幅縮減到0.5 μs。采用優(yōu)化后的GMPPT算法在重度遮擋的情況下,效率由31%提高到了91.8%,大大提高了移動陰影遮擋下的功率追蹤速度,解決了嚴重遮擋時無法追蹤全局最大功率點的問題。同時設(shè)計了多模式動力供能,搭配高效電能管理系統(tǒng),實現(xiàn)了光伏系統(tǒng)與動力電池的能量協(xié)調(diào)控制,提升了各個工作模式及模式之間切換時的能量管理效率,實現(xiàn)了車輛高效平穩(wěn)運行。