基于太阳能电动自行车的电源管理系统的研究

刘明顺 马勇 李超　刘雨城

【摘 要】本文以电动自行车的太阳能电源管理系统为研究对象，以光伏发电技术为基础，提出了运用太阳能电池最大功率跟踪（MPPT）和DC/DC变换器的方法，并利用最大功率追踪法分析系统的效率及性能。设计DC/DC变换器，通过改变DC/DC变换器中功率开关的导通率，进而控制整个电源管理系统，实现太阳能电池自动充电并为电动自行车提供动力的功能。

【关键词】太阳能电池；光伏发电；最大功率追踪；DC/DC变换器

0 引言

我国经济正处于高速发展的阶段，能量消耗也在迅速地增加，虽然我国的能源丰富，但是由于人口较多，所以人均能源拥有量较低水平。在现代城市中，内燃机汽车的热效率不到20%，而有55%以上的热量排到周围空气里去了。汽油、柴油汽车所消费的资源约占世界石油制品总耗量的30%，而且排放大量的有害物质，污染了空气，影响人体健康和动植物的发育和生长。[1]面对此情况，我们必须寻找新能源，大力开发可再生能源。太阳能是新型能源中能量最具大的，具有清洁、环保及可持续发展等优点。为了响应低碳环保的政策，电动自行车成了很好的交通工具，但其充电比较麻烦。然而其配合太阳能发电的优点，太阳能电动车则就成为了真正的零污染、零排放的理想交通工具。而太阳能电动自行车发电的关键就是光伏发电控制器的设计，它的性能直接决定了太阳能电池板的效率和性能。太阳能电池的功率则需要用最大效率追踪法来分析，最终为电动车提供最大的动力。

1 太阳能电动自行车的电源管理系统的整体框架设计

1.1 普通电动自行车的工作原理及现状

电动自行车电瓶（铅酸蓄电池）是一种电能与化学能互相转换的可逆装置，也就是说既能将电能储存起来（充电），又能将化学能变为电能释放出来（放电），为电动车提供动力。铅酸蓄电池充放电的过程是电化学反应的过程，充电时，硫酸铅被氧化成氧化铅，放电是氧化铅有还原为硫酸铅。而硫酸铅是一种非常容易结晶的物质，当电池中电解溶液的硫酸铅浓度过高或静态闲置时间过长时，就会“抱成”团，结成小结晶，这些小结晶再吸引周围的硫酸铅。就像滚雪球一样形成大的惰性结晶，结晶后的硫酸铅充电时不但不能再还原成氧化铅，还会沉淀附着在电极板上，造成了电极板工作面积下降，这一现象叫做硫化，也就是常说的老化。这时电池容量会逐渐下降，直至无法使用。当硫酸铅大量的堆积时还会吸引铅微粒形成铅枝，正负极板间的铅枝搭桥就造成电池短路。如果极板表面或密封塑壳有缝隙。硫酸铅结晶就会在这些缝隙内堆积，并产生膨胀张力，最终使极板断裂脱落或外壳破裂，造成电池不可修复性物理损坏。所以，导致铅酸蓄电池失效和损坏的主要机理就是电池本身无法避免的硫化。图1是普通电动自行车充电工作的结构框图。

图1 普通电动车的工作框图

1.2 太阳能电动车工作的原理及电源管理系统的整体框架设计

1.2.1 太阳能电动车工作原理

太阳能电动自行车的工作原理是：太阳能电动自行车通过太阳能电池将太阳的光能转换成电能，存储在蓄电池中。用来驱动电动机旋转从而带动电动自行车行驶。它在传统的电动车上增加了太阳能电池板，将太阳能转换成电能，储电装置将太阳能转换成的电能储存起来，给电动车的蓄电池充电，弥补蓄电池的电量。再通过最大功率追踪（MPPT）装置负荷供给能量。作为MPPT就是跟随太阳能电池的最大输出功率点。是车辆在功率最大的状态下工作的装置。从MPPT出来的电能给发动机的速度控制装置及蓄电池充电，使发动机驱动。

1.2.2 电源管理系统的整体框架设计

太阳能电动自行车的充电放电及提供动力给负载的组成有220V交流电源，经AC/DC转换器转换成直流电，再向铅酸蓄电池充电，由于负载是交流供电负载，需在蓄电池与负载之间增加DC/AC逆变器装置。当太阳能电池板进行光伏发电时，需设置DC/DC变换器对太阳能电池板进行控制，通过改变DC/DC变换器中功率开关管的导通率，来调整、控制太阳能电池阵列工作在最大功率点，从而实现最大功率跟踪控制。如图2所示。

图2 太阳能电动车的工作框图

太阳能电池板：太阳能电池板的作用是将太阳能通过光生伏特效应转换为电能，或送至系统的蓄电池中储存起来，进而提供给负载工作使用。由于太阳能电池板的价格较高，因此它的质量和成本对整个系统的质量和成本影响非常大。

太阳能充放电控制器：太阳能控制器的作用是调解控制整个系统的工作状态，并在工作过程中对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，所配的太阳能控制器还应该具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都是合格太阳能控制器的可选项。

铅酸蓄电池：蓄电池的作用是将太阳能电池板在有光照時所转换的电能储存起来，需要的时候再输出提供给负载。

逆变器：在大多数场合，由于太阳能电池板的直接输出一般都是直流，为了方便交流工作的负载提供电能，就需要将太阳能发电系统所发出的直流电转换成交流电，因此需要使用 DC-AC 逆变器。[2]

2 太阳能电池板的选择

2.1 太阳能电池板的工作原理

太阳能电池通过某些特殊材料，硅中的光电现象把光能转化为电流，当太阳光线射到太阳能电池上的时候，电子被“刺激”而成为“自由电子”，并在外部电路中流动从而形成电流。

图3 太阳能电池板充电原理

太阳能电池由P型半导体和N型半导体组成，如图3所示，当P型半导体和N型半导体相接时，在两种材料之间形成了界面P-N结，当光线照射到半导体上后，光的能量通过电子从化学键中被释放，由此产生了电子-空穴对，界面层N型材料中的电子和P型材料中的空穴相对应：P区的电子穿过P-N结从而进入N区；N区的空穴进入P区，使P端电势升高，N端电势降低，于是在P-N结两端形成了光生电动势，这就是P-N结的光生伏特效应（简称光伏效应）。

在P-N结开路的情况下，光生电流和正向电流相等时，P-N结两端建立起稳定的电势差VOC这就是太阳能电池的开路电压。如果将P-N结与外电路接通，只要光照不停止，就会有电流通过电路，P-N结起了电源的作用。这就是太阳能电池的基本原理。

2.2 太阳能电池板的选择

硅太阳能电池中以单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在大规模应用和工业生产中，单晶硅太阳能电池占据主导地位，但单晶硅材料价格高而且制备工艺相当繁琐。为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳能电池，其中典型代表有以高温、快速制备为发展方向的多晶硅薄膜太阳能电池和叠层（多结）非晶硅太阳电池。

3 太阳能充电系统设计

3.1 主电路的设计

太阳能充电系统的设计主要是对DC/DC变换器的设计。DC/DC变换器，亦称直流斩波器，其工作原理是通过调节控制开关，将一种持续的直流电压变换成另一种（固定或可调的）直流电压，其中二极管起续流的作用，LC电路用来滤波。DC/DC转换电路可以分多种，从工作方式的角度可分为：升压式（Boost）、降压式（Bukc）、升降压式（Buk-cBoost）、库克式（Cuk）。下面主要介绍升压式变换器（Boost Converter），分析DC/DC控制电路的工作原理。

3.1.1 升压式变换器（Boost Converter）工作原理

升压式变换器电路如图4所示，它由开关S、二极管D、储能电感L和滤波电容C组成。假设升压变换器电路中电感L值很大，电容C值很大。当开关S开通时 ，输入电压气向电感L充电，同时电容C上的电压向负载供电，由于电容C值很大，因此输出电压基本保持恒定，记为V0。假设開关s开通的时间为ton，则电感L上的能量为Vin*Il*ton。当开关S关断时，输入电压和电感L一起向电容C充电，并向负载提供能量。假设开关S关断的时间为toff，则电感L释放的能量为（V0-Vin）*Il*toff当电路工作处于稳态时，一个周期内电感L上储存的能量与释放的能量相等。即

3.1.2 太阳能充电系统中DC/DC变换器功能的实现

DC/DC变换器主要有两个作用：一是调节太阳能电池的工作点，使其工作在最大功率点处；二是限制蓄电池充电电压范围。

图5为与太阳能电池输出相连接的升压变换器的电路图。其中，通过改变变换器开关的PWM占空比可以控制功率通量。

图5 太阳能电池板输出端的Boost变换器电路

3.2 最大功率追踪的原理

在太阳能光伏发电系统中，太阳能电池是最基本的环节，若要提高整个系统的效率必须要提高太阳能光伏电池的转换效率，使其输出功率为最大功率。因此，最大功率点跟踪的研究是至关重要的。由电路知识可知，当负载电阻等于供电电阻时，此负载上可获得最大功率。

显然，由以上公式可得结论。一些内阻变化较小的电源供电系统可以采用此方法获得最大输出功率。但太阳能电池受到温度、光照、负载等诸多因素影响，所以最大功率跟踪较为复杂。目前采用的方法是在负载和太阳能电池阵列之间增加一个DC/DC变换器，通过改变DC/DC变换器中功率开关管的导通率，对太阳能电池阵列工作在最大功率点进行调整、控制，从而实现最大功率跟踪控制。如上图5所示。

4 结语

本文通过对太阳能电动自行车的整体结构分析，充电系统的和主电路控制器的研究，应用最大功率追踪法（MPPT），实现了将太阳能转换成的电能最大效率的提供给电动车的电机进行驱动。很好的响应了当代社会提出的低碳环保和新能源开发利用的口号。

【参考文献】

[1]赵慧.基于太阳能电动车充电控制系统的研究[D].广东：广东工业大学，2005：1-11.

[2]王晓磊.电动自行车的太阳能充电装置的研究[D].河南：河南农业大学，2011：14-18.

[责任编辑：薛俊歌]