利用太阳能实现电动自行车供电的研究

2018-03-16李孝禄王东平任美琪

新能源科技 2018年2期

李孝禄，王东平，李娟，任美琪

（1．中国计量大学机电工程学院，浙江杭州 310018；2．河北工业大学建筑与艺术设计学院，天津 300401）

电动自行车具有轻便、快捷、经济、环保等优点，成为广大工薪阶层的主要交通工具。但电动自行车在使用过程中依然存在充电不便、续驶里程短等问题。本研究将电动自行车技术与太阳能光伏发电技术相结合，利用太阳能给电动自行车供电，有望克服现部分电动自行车充电时间长、频次高，续行里程短的不足，提高电动自行车的环保性。

1.太阳电池特性分析及控制方法

（1）太阳电池特性

实验所用太阳电池的参数如表1所示。利用文献［1］得到太阳电池的输出特性，如图1所示。从图1可看出，随着光照强度增大，太阳电池的短路电流显著增加，开路电压略有增加，太阳电池的输出功率也相应增加。太阳电池的功率电压特性曲线是一个单极点函数。在最大功率点的左边，太阳电池可看作恒流源；在最大功率点右边，太阳电池可看作恒压源；在恒压源与恒流源的交接处即是太阳电池的最大功率点。本研究为充分利用太阳电池的能量，对其进行最大功率点跟踪（MPPT）控制［2］。

表1 太阳电池特性参数

图1 不同光照条件下的太阳电池的输出特性曲线

（2）MPPT控制方法

为缩短到达最大功率点的时间，系统开始工作或外界环境、负载发生突变时首先选用固定电压法把工作点调整到最大功率点附近，然后采用变步长扰动观察法进行下一步工作。在相对远离最大功率点处采用较大的扰动步长以迅速找到最大功率点，在靠近最大功率点处采用较小的扰动步长以减小在最大功率点处的振荡幅度和功率损耗。本研究采用的固定电压法结合变步长扰动观察法控制流程图如图2所示。

图2 MPPT控制流程图

式中，k——整数，k=1，2，3，…。设置扰动步长为|ΔP/ΔU|·Step，其中Step为小于1的系数。

设置固定电压法的参考电压Um=0．78Uoc，电压误差范围ΔV为1．5 V，当U（k）≤Um－ΔV或U（k）≥Um+ΔV时采用固定电压法，输出电压参考值Uref=Um。反之采用变步长扰动观察法进行控制。计算m=|ΔP/ΔU|得到扰动步长m·Step，然后判断扰动方向进行调节。

2.锂电池充放电特性及控制方法

实验所用电动自行车为购自市场的型号为乐比TDN010Z的电动自行车，自带10 Ah锂电池。锂电池的充电特性［3］如图3所示。在电压低于2．75 V时，电池的充电电流接受率非常小，仅约为0．1C（C为充放电倍率）；当电压超过2．75 V后，电池的充电电流接受率大大提高，约为1 C；而当电压超过4．2 V后，电池的电流接受率又急剧下降。当充电电流超过锂电池可接受充电电流时，电池有气析反应，缩短使用寿命。

图3 锂离子电池充放电特性曲线

电池电压不能低于截止放电电压，当电池电压低于截止放电电压时，电池内部晶格将受到影响，影响锂电池的使用寿命和电池容量。根据锂电池的充电特性，本系统采用分阶段充电法对锂电池进行充电。分为涓流充电、恒流充电、恒压充电和浮充4个阶段，充电参数如表2所示。图4为锂电池充电控制框图。系统根据检测得到的蓄电池电压Ub选取合适的充电方式对锂电池进行充电。

表2 锂电池充放电参数

图4 锂电池充电控制框图

恒流充电阶段，蓄电池可接受的充电电流为1C，系统设定的充电电流为Iref=8 A；当充电电流达不到设定电流时，采用最大功率点跟踪控制以保证太阳电池以最大的输出功率给蓄电池充电。控制过程为：系统将采集到的太阳电池输出电压Upv和输出电流Ipv传送至MPPT控制器，通过改进型扰动观察法运算得到最大功率点处参考电压UPref，太阳电池当前工作点的电压Upv与参考电压UPref求差得到电压差ΔU，将ΔU送入电压环PI调节器，经PI运算得到充电电流参考值Ibref1。将当前充电电流Ib与充电电流参考值Ibref1之差ΔI送入电流环PI调节器，经PI运算得到占空比D的调节量，输出占空比调节后的PWM波到开关管来调节充电状态。

涓流充电阶段蓄电池只能接受0．1C的充电电流，设定充电电流为Ibref2=If，将蓄电池当前充电电流Ib与设定的充电电流Ibref2之差送至电流环PI调节器，经PI运算后得到占空比D的调节量，输出占空比调节后的PWM波到开关管来调节充电状态。

恒压充电和浮充阶段蓄电池可接受的充电电流逐渐减小，随着蓄电池电压升高，恒压充电电流逐渐减小，可满足蓄电池的充电电流变化要求。设定恒压和浮充充电电压Ubref=Uref，将蓄电池当前充电电压Ub与设定的充电电压Ubref之差输送至电压环PI调节器，经PI运算后得到占空比D的调节量，输出占空比调节后的PWM波到开关管来调节充电状态。

3.混合供电控制器设计

（1）系统整体设计方案

本系统主要由太阳电池组件、DC-DC变换器、蓄电池、电机控制器、电动自行车电机、电源控制器等组成［4-5］。电动车电机供电系统中存在太阳电池和蓄电池两个输入源，因此需要制定合理的能源管理策略，以保证两种电池协调工作。由于太阳能是可再生能源，应该尽可能多地利用太阳电池给负载供电，当太阳电池提供的功率小于负载所需功率时，由蓄电池向负载提供不足部分。

太阳能电动自行车整体结构如图5所示（注：蓄电池电流Ib=Id-Ir）。通过检测电机控制器的电压U来判断电动自行车是否工作；通过检测到的太阳电池的输出电压Upv和输出电流Ipv进行MPPT控制；根据检测到的蓄电池电压Ub选择相应的充电和供电方式。具体充电和供电管理方式为：当电动自行车行驶时，且太阳能充足，电源锁闭合，蓄电池断开，太阳电池单独通过DC-DC变换器为电动自行车供电；若太阳能不足，电源锁闭合，蓄电池闭合，太阳电池和蓄电池一起为电动自行车供电；无太阳能时（阴雨天和夜间），DC-DC变换器PWM1占空比为零，蓄电池闭合，蓄电池单独为电动自行车供电。当电动自行车停驶时，若蓄电池电压不足，表明其未充满，太阳电池为蓄电池充电。

图5 利用太阳能给电动自行车供电整体结构图

（2）系统硬件电路设计

微控制器选用具有丰富外设的STM32F103VET6型单片机。

①SEPIC变换器设计

由实验所选太阳电池和锂电池的特性参数可知，系统需要既可以实现升压又可以实现降压的变换器。SEPIC变换器［6-7］适合于宽输入电压范围，具有可升降压、输出极性与输入极性相同、输入电流脉动小的特点，满足系统设计需要。图6为SEPIC电路拓扑结构。其工作过程为开关管VT导通时，二极管VD截止，Uin给L1充电，将输入能量存储在电感L1中，C1通过VT和L2放电，C2向负载供电；开关管VT截止时，二极管VD导通，电源和储能电感L1同时向C1和负载传送能量，C1储能增加，C2充电，储能电感L2向负载释放能量。在电流连续工作模式，SEPIC变换器的输出电压与输入电压关系为：

图6 SEPIC 电路拓扑结构

SEPIC变换器对主要元件的耐压值、耐流值、开关频率、功率损耗及纹波影响都有一定的要求。电感L1，L2选用100 µH环形电感，电流有效值为20 A，饱和电流为22 A。耦合电容C1选用3个10 µF耐压值为100 V的陶瓷电容，3个陶瓷电容并联。输出电容C2选用3个47µF耐压值为100 V的固体电解电容，3个固体电解电容并联。开关管选用型号为IRFP260N的MOS管。二极管选用60CPQ150。计算表明，工作时，开关管的最大功耗为11．55 W，二极管的最大损耗为4．02 W。

②电源电路

系统中各工作模块需要的电源有15 V、5 V、3．3 V这3种不同电压，各电源电压由蓄电池来提供。蓄电池经由功率电阻、L7815、L7805、AMS1117得到各工作模块所需电压。

③功率开关管驱动电路

本系统采用IR2110S作为MOS管的驱动芯片。为防止大电流功率电路对小信号控制电路的影响，提高系统的可靠性和抗干扰能力，本文在微控制器PWM输出引脚与功率开关管驱动电路之间设计了隔离电路。隔离电路采用6N137型光耦隔离器，转换速率可达10 Mbit/s。

④检测电路

系统对电流、电压、光照强度、温度、速度进行了检测［8］，所用传感器及部分工作模块如表3所示。检测电流选用电阻检测法，检测电压采用分压检测法。

表3 系统用传感器及部分工作模块

⑤过流保护电路

设计过流保护电路以减小大电流或冲击电流对蓄电池和元器件的损害。通过检测DC-DC变换器输入电流和输出电流的大小，来控制保护电路。当DC-DC变换器的输入电流或输出电流大于设定的阈值时，通过光耦隔离器驱动IR2110S的输出保护引脚来控制PWM波的输出。

（3）系统软件设计

由于电动自行车运行过程中电机电流是时刻变化的，考虑到蓄电池在不同荷电状态时的充电电流接受能力不同，为避免对蓄电池造成损害，太阳能电动自行车行驶过程中太阳电池选用与充电过程一致的供电方式。系统控制流程如图7所示。

图7 利用太阳能给电动自行车供电控制流程图

4.实验测试

（1）充电测试

将太阳电池垂直于太阳光照射角度放置，给锂电池充电。当天最大光照强度为58 612 lx，蓄电池充电前电压为35．02 V。充电过程如图8所示。初始充电电流为1．64 A，随后逐渐增至4 A。当蓄电池电压达到42 V时，蓄电池进入恒压充电阶段，充电电流由4 A逐渐减至0．06 A，充电完成。因此，实验所用太阳电池给10 Ah锂电池充电，3．5 h即可将蓄电池充满。

图8 锂电池充电电压、充电电流变化曲线

（2）路面测试

检测光照强度的传感器BH1750FVI与太阳电池平行放置，安装在太阳电池边框上，检测速度的密封式霍尔传感器安装在后轮支架上。太阳电池单独给电动自行车供电的测试结果如图9所示。图9中为太阳光照强度G、电动自行车速度v、太阳电池输出功率P、太阳电池输出电流I、太阳电池输出电压V、环境温度T共6个参数随时间的变化曲线。电动车从启动到稳定到最大速度用时23 s，光照强度在55 000 lx时，输出功率在200～220 W，最高速度19．8 km/h。运行78 s后进入阴影区（树影等），光照强度由54 612 lx降为6 000 lx，太阳电池的输出功率随光照强度的变化由205 W降至20 W，车速减小。电动车行驶到90 s时走出阴影区，光照强度迅速恢复为54 612 lx，太阳电池的输出功率恢复为210 W，电动车速度增大，稳定在 19．8 km/h。

图9 太阳电池单独供电测试

太阳电池与蓄电池并联供电时，电动自行车的电源总功率PZ、蓄电池输出功率PB、太阳电池输出功率PS、电动自行车速度v、太阳光照强度G这些参数随时间变化曲线如图10所示。太阳电池与蓄电池并联给电机供电时电源总功率250～280 W，蓄电池的输出功率130～230 W，太阳电池在阳光下的输出功率130～150 W，电动车最大速度可达到25．7 km/h。太阳电池进入阴影区时蓄电池输出功率增大，速度降为21．2 km/h。电动车刹车断电后，蓄电池输出功率为零，电动自行车减速运行，太阳电池输出功率仍为150 W，此时太阳电池给蓄电池充电。

图10 太阳能与蓄电池联合供电测试

5.结论

通过DC-DC变换器的控制，太阳电池的输出功率稳定，工作点可调，可以实现最大功率点跟踪。所选太阳电池在3．5 h内可将10 Ah的锂电池充满；太阳电池单独给电动自行车供电时，其输出功率可以达到210 W，车速可达19．8 km/h；太阳电池和蓄电池通过DC-DC变换器并联给电动自行车供电时，电源的总输出功率可提高到278 W，车速可提高到25．7 km/h。

本研究表明，电动自行车在晴天行驶时，太阳能能够满足其电能的需要。考虑到太阳能电动自行车的实用性和便捷性，还需对太阳电池轻量化和太阳能电动自行车结构进行研究。

[1]De Brito M A G，Galotto L，Sampaio L P，et al．Evaluation of the main MPPT techniques for photovoltaic applications［J］．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013（3）：1156-1167．

[2]Mei Qiang，Shan Mingwei，Liu Liying，et al．A novel improved variable step-size incremental-resistance MPPT method for PV systems［J］．IEEE Transactions on Power Electronics，2011（6）：2427-2434．

[3]Kim C H，Kim M Y，Moon G W．A modularized charge equalizer using a battery monitoring IC for seriesconnected Li-ion battery strings in electric vehicles［J］．IEEE Transactions on Power Electronics，2013（8）：3779-3787．

[4]李孝禄，李娟，孙在．一种太阳能电动自行车混合能源控制系统及其控制方法［P］．中国：201310007720．6，2013-05-01．

[5]李孝禄，袁海波，李娟．太阳能电动自行车数据采集系统的设计［J］．电动自行车，2012（10）：18-21．

[6]Al-Saffar M A，Ismail E H，Sabzali A J，et al．An improved topology of SEPIC converter with reduced output voltage ripple［J］．IEEE Transactions on Power Electronics，2008（5）：2377-2386．

[7]Babaei E，Seyed Mahmoodieh M E．Calculation of output voltage ripple and design considerations of SEPIC converter［J］．IEEE Transactionson Industrial Electronics，2014（3）：1213-1222．

[8]李娟，李孝禄，王东平．太阳能电动自行车的供电方式与性能［J］．可再生能源，2014（1）：19-23．

（稿件来源：太阳能学报）