低速电动汽车太阳能充电装置的设计与实现

2017-05-09吕燚邓春健邹昆

现代电子技术 2017年8期

吕燚+邓春健+邹昆

摘要：为了满足低速电动汽车中增加太阳能电池充电装置，并实现最大功率点跟踪（MPPT）的需求，设计并实现一套专用的太阳能电池充电控制系统。首先介绍该行业的应用背景和设计需求，然后从系统结构、电源拓扑、升压电路和功率检测等方面详细阐述系统的硬件设计方案，并着重从高效数据采集方案和MPPT跟踪算法等方面介绍软件设计思路，最后给出了效率测试和MPPT效果测试方案。实际应用证明，该设计方案跟踪效率高，性价比高，长期运行稳定可靠。

关键词：低速电动汽车；太阳能电池； MPPT；电流检测

中图分类号： TN212?34； TP393.04 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）08?0176?04

Design and implementation of solar energy charging device for low?speed electric vehicle

L? Yi1， DENG Chunjian1， 2， ZOU Kun1， 2

（1. Zhongshan Institute， University of Electronic Science and Technology of China， Zhongshan 528402， China；

2. University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 610500， China）

Abstract： In order to add the solar battery charging device in the electric vehicle and realize the maxim power point tracking （MPPT）， a specialized solar battery charging control system was designed and implemented. The application background and design requirement of this industry are introduced briefly. The hardware design scheme of the system is described in detail in the aspects of the system structure， power supply topology， boosted circuit and power detection. The software design thought is introduced in the aspects of high?efficiency data acquisition scheme and MPPT algorithm. The schemes of the efficiency test and MPPT effect test are given. The practical application results show that the design scheme has high tracking efficiency， high cost performance， and stable and reliable long?term operation.

Keywords： low?speed electric vehicle； solar power battery； maximum power point tracking； current detection

0 引言

低速电动汽车的发展一直备受争议，但是近年来伴随着新能源汽车的发展浪潮，低速电动汽车受到了专家学者、相关企业和各级地方政府的广泛关注[1?2]。2015年众多地方政府出台相关管理政策，允许小型电动车合法上牌。虽然目前国家层面的政策还没有出台，但伴随着技术的不断成熟和市场认可度的提升，终于在2015年低速电动汽车产销量出现了爆发式增长，被称为产品元年。中国工程院院士杨裕生在2015节能与新能源汽车产业发展规划成果展览会上提出我国应该量力而行，制定标准，积极发展低速微型车。

低速电动汽车目前普遍采用72 V或64 V的铅酸蓄电池，如果能为其增加太阳能充电装置，将有效增加其单次充电续航里程，提高产品竞争力[3?4]。本系统以此为切入点，针对72 V车型，设计了满足100～150 W太阳能电池的充电控制装置，同时为了提高太阳能电池的利用率，设计并实现了最大功率点跟踪算法，给出了各硬件模块的设计方案和相关算法的设计思路，最终对设计方案的可行性和运行效果进行了测试。经过长时间的实际应用测试，证明该设计方案合理可行，且具有可靠性高、效率高等优点。

1 系统结构

系统结构如图1所示，主要包括了BOOST升压电路、电压电流检测电路和电源模块三大部分。单片机采用了Cortex?M0内核的STM32F030，片内集成具有DMA功能的12位ADC，工作频率为48 MHz，本系统PWM频率为100 kHz，480个调节等级的PWM分辨率满足应用需求。由于本系统升压系数不高，采用了单级BOOST电路。输出电压电流检测用于计算输出功率，MPPT原理上指的是工作在太阳能电池的最大功率点，电池输出功率乘以BOOST升压电路的效率才是输出功率，但是由于检测电池输出电流需要在高边检测，成本较高，因而本系统中采用了检测输出功率的方案，算法目标是使输出功率最大，和MPPT的设计理念是一致的，简化了设计难度，降低了方案的成本。

2 硬件设计

2.1 电源拓扑结构

本系统对电源的需求主要包括：MOS管驱动电源需要10～15 V的电压；运放需要5 V；单片机需要3.3 V。太阳能电池最大功率时输出电压大约为17 V。本来可以直接降压后得到MOS管驱动电源，但是实测发现偶尔会出现由于光线较快变换和MPPT调节的滞后性，电池电压被拉低到10 V的情况，此时如果直接降压可能导致DCDC输出中断，启动断电。因而本系统设计了如图2所示的电源拓扑结构，首先将太阳能电池电压降压到7.5 V，然后经过LDO得到5 V的运放电源，再经过LDO SGM2019得到MCU电源和ADC电源。MOS管驱动电源则通过对7.5 V电压经过电荷泵倍压得到约14 V电压，倍压电路采用分离元件搭建，由单片机输出一路占空比为50%，频率为20 kHz的PWM信号来驱动。

2.2 BOOST升压电路

本系统中升压电路如图3所示，其中L1为耦合电感，C3，D2和R1构成RDC吸收电路，吸收MOS管开关过程中的的尖峰噪声[5?6]。C1和C2分别为输入和输出滤波电容。T1选用了在LCD背光升压电路中大量使用的NMOS管FDD86102，性能好，价格低，耐压100 V，导通电阻仅为24 mΩ。为保证MOS门极驱动信号质量，缩短开启、关断时间，减小MOS管损耗，本系统中设计了如图3中由T3～T5，D3和R3～R5构成的MOS管驱动电路。PWM高电平期间T4导通，经过D3为MOS管门极提供高电平，PWM信号为低电平时，T4截止，T3导通，在MOS管门极和地之间建立一条低阻抗通路，通过实测该驱动电路完全可以胜任本系统所采用的100 kHz的PWM信号频率，正常带载工作情况下，开启时间小于400 ns，关断时间小于300 ns，满足设计要求。

2.3 功率检测

本系统中检测输出功率，输出电压采用分压电阻方式检测，分压比为30∶1，电压检测量程为0～100 V。电流检测采用如图4所示的电路。其中R7为电流采样电阻，采用低温度系数精密电阻，功率2 W。R6和C1用于抑制电流尖峰噪声。运放采用了轨至轨精密运放AD8605，失调电压65 μV，偏置电流1 pA。R1，R2，R3电阻网络为被测信号提供了一定的直流偏置，避免使用运放输出接近0 V的区间，根据弥尔曼定理得到运放同相端电压V+=0.019 8+0.099i。其中i为被测电流，运放直流放大倍数10.1，被测电流范围为0～3 A。当被测电流为3 A时，Vo为3.2 V，D2用于当电流过大导致Vo过高时保护ADC输入端。

3 软件设计

本系统中软件部分主要包括三大部分，分别是信号采集与滤波、MPPT跟踪和蓄电池充电控制。MPPT保证了使太阳能电池工作在最大功率狀态，提高其利用率；蓄电池充电控制有助于防止极端情况下的电池过充。通常由于太阳能电池相对于蓄电池来说容量较小，无需严格控制充电电流，只需防止出现过压。以72 V电池为例，当充电电压超过83 V时限制输出电压，此时停止对太阳能电池的MPPT跟踪。

3.1 信号采集与滤波

本系统中共有4路模拟信号需要采集，分别是输入电压、输出电压、输出电流和温度。其中电压电流信号采样频率设定为50 kHz，温度信号采样频率要求不高，但是为了提高采样效率，本系统中采用统一定时器触发采样方式，如图5所示。首先采用TIM2的输出比较匹配功能产生50 kHz的信号，用此信号作为ADC启动转换的触发源。ADC采集4路模拟信号采用其扫描模式，即定时器触发启动一次ADC，将连续转换4个通道，由于STM32单片机中所有通道共用同一个转换结果寄存器，本设计中采用了DMA来实现转换结果的自动存储。实际测试中发现，STM32单片机ADC在扫描模式下，由于数据总线仲裁错误DMA传输会发生错误现象，例如在一组采集数据中，输出电压信号丢失，只采集了3个通道。因而在DMA中断服务程序中需要通过判别DMA的CNDTR寄存器是否为零来判别采集数据是否发生错位，然后通过直接修改DMA模块的内存基地址，实现转换结果的快速保存。连续采集20次模拟信号后，便在DMA中断服务程序中对信号进行滤波，本系统中采用了剔除3个最大值和3个最小值后的均值滤波。

3.2 最大功率跟踪算法设计与实现

目前常用的太阳能电池MPPT算法包括恒定电压（CV）法，扰动观察（P&O）法及增量电导（INC）法等基本方法[7?8]，其特点是运算量小、易于实现。此外还有学者研究了将模糊控制、滑模变结构方法以及进化算法引入到MPPT算法中，实现最大功率点的寻优，但此类方法运算量较大，对于本系统的低成本MCU实施难度较大。本设计中的MPPT算法基于P&O算法[9?11]，并对其进行了改进，使其更加适应汽车太阳能电池的光照情况变化较快的情况。P&O 法的原理是扰动升压电路的占空比，判断扰动前后系统输出功率的变化情况，并按照使输出功率增加的方向来改变占空比。该方法存在两个不足，首先是在启动初期速度不够，不能快速到达最大功率点；其次是扰动步长的取舍需要权衡调节速度和稳定性两方面因素。本系统中做了如下改进，首先在启动阶段采用PID控制器控制太阳能电池电压，当电压到达16.5 V±1 V范围内后，启动P&O法；其次P&O法调节的步长不同于文献[10]和文献[11]的方法，本系统中扰动步长由输出功率和功率变化值共同决定，其流程如图6所示，即在输出功率较大时，采用大扰动步长，输出功率较小时，也就是光照条件较差时，采用较小的扰动步长，同时判断扰动后的功率变化，功率变化较大则增加步长，功率变化较小则减小步长。

4 测试

本系统的测试分为两部分，首先是BOOST升压电路效率测试，其次是MPPT跟踪效果测试。BOOST升压电路效率和MPPT跟踪效果共同决定了系统工作效率。在升压电路工作效率测试中，控制板输入接可调电源，输入电压从14～20 V共设7个等级，涵盖了太阳能电池输出的范围，控制板设定为固定72 V电压输出工作模式，输出接电子负载，电子负载工作在恒定电流模式，电流设定为0.9 A。这种测试条件下控制板输出功率为64.8 W，测试结果如表1所示。由于本系统选用自耦合式电感的升压电路，同时采用较低导通电阻的MOS管，实现了在较高升压比情况下效率仍然达到89%以上，且发热量最大的是电感和MOS管，实测温度小于55 ℃，温升小于35 ℃，测试结果满足实际应用需求。

在MPPT测试中，控制板输入端接太阳能电池板，输出端用6节串联的铅酸蓄电池模拟实际汽车电池。测试中采用两块控制板在相同的光照条件、相同太阳能电池板和相同蓄电池电压的情况下进行同步测试，其中一块为被测控制板，运行MPPT算法；另一块为辅助测试板。从10%～90%循环修改PWM占空比，占空比在一个循环周期内的最大输出功率点便是MPPT算法的最优目标。通过比较两块控制板的输出功率来测试MPPT算法是否能够在不同光照和温度条件下追踪最大功率点。测试结果显示，本项目所设计的MPPT算法能够在不同光照条件下有效跟踪最大功率点，在光照条件突变情况下，调节速度较快，不会发生由于输入电压过低而导致的单片机重启，满足汽车运动过程中光线变化快的要求。

5 结语

本文针对72 V供电的低速电动汽车设计了满足100～150 W的太阳能电池充电装置，硬件上设计了高效升压电路和功率检测电路，软件上实现了对太阳能电池最大功率点的实时跟踪和蓄电池充电保护。实际测试效果证明，该设计方案升压效率高，温升较小，并能够在不同光照环境下对太阳能电池的最大功率点进行实时跟踪。

参考文献

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