电动汽车光伏充电系统的分析与设计

黄俊

摘 要：针对电动汽车动力电池组长期不能完全充满而影响其使用寿命的问题，拟设计一种光伏电池车载充电装置，能够对动力电池组长时间小电流涓流充电以改善其充电状态，同时部分补充电池组能量，延长电动汽车续航里程与使用寿命。采用TMS320F2808 DSP芯片作为控制核心、以BOOST升压变换器作为主电路的硬件设计方案，完成主要元器件的选型和参数整定，对设计参数进行仿真验证和优化，制定高性能算法与控制策略，既能完成光伏电池最大输出功率的跟踪，又能提高电池的充电效率，此外配备车载监控系统，实现良好的人机交互功能。

关键词：电动汽车；电池；光伏充电设计

目前，纯电动汽车在电机驱动控制技术、动力蓄电池管理技术和整车管理控制技术等方面都有待改进。特别是电池管理技术的瓶颈严重制约着电动汽车的发展：快速充电很难将电池充满，一次性充电续驶里程短，受到循环寿命的限制等。采用光伏电池对电动汽车动力电池补给充电，可长时间对电动汽车动力电池小电流充电，延长一次性充电的续驶里程和维护动力电池，延长其使用寿命，可见光伏电池充电装置发挥着重要的作用。

一、系统整体构思与设计

电动汽车光伏车载充电总成系统主要涉及以下几部分：动力电池组、光伏电池、光伏电池充电装置、车载仪表（车载操作系统）、CAN总线、USB-CAN适配器、电池管理系统。系统框图如图1所示。

动力电池组由16节磷酸铁锂电池串联而成，其标称电压为3.2V，充电截止电压为3.65V，放电截止电压为2.8V（电机控制器的欠压保护动作值），光伏电池充电装置的输出电压范围为44.8V到58.4V之间。单节电池分别配备了单节电池管理系统，能够监测电池的电压、温度、荷电状态并通过CAN总线实现数据共享。

光伏电池模块：根据车顶尺寸选用GSM75规格的两块光伏电池，其在1000W/m2强度的太阳光照下：开路电压为20.5V，短路電流为5.0A，额定功率为75W，额定工作电压为16.5V，额定工作电流为4.5A。将两块光伏电池串联使用，用升压直流变换器将光伏电池输入的能量泵升到电池组电压。由于在光伏电池额定工作时所需的升压比为1.8，在光照较弱时升压比也不会超过3，故选择BOOST升压直流变换器作为主电路，其结构简单，转换效率高，控制容易。

光伏电池充电装置是本系统中最主要的部分，是一个高效率智能的DC/DC变换器，采用美国Texas Instruments公司的TMS320F2808数字信号处理器芯片，它是一款功能强大的32位定点DSP芯片，有高速的12位A/D转换器，强大的数字处理和事件管理能力，特别适用于有大批量数据处理的测控场合。制定了高性能算法与控制策略，既能完成光伏电池最大输出功率的跟踪，又能使磷酸铁锂动力电池组的使用达到最佳状态。

车载仪表（车载操作系统）：本系统中车载系统是带XP系统的上网本，由于不支持CAN总线，所以使用了一个USB-CAN总线适配器。

上位机软件：光伏充电监控系统。基于LABVIEW平台开发。

二、磷酸铁锂动力电池组充电控制策略

探讨光伏系统中电池组的充电方法，根据电池容量的多少及电池端电压的大小，使充电过程按照最大功率充电、恒压充电和浮充电三个阶段进行。该充电控制策略综合了恒流充电快速、及时补偿磷酸铁锂动力电池电量、恒压充电能够控制过充电以及在浮充状态保持电池100%电量的优点。

当单体电池电压最高值小于3.65 V时（充电截止电压为3.65V），采用最大功率跟踪算法对磷酸铁锂动力电池组充电。当检测到最高单节电池电压达到3.65V之后，采用非最大功率跟踪算法（PI调节器）恒压充电。为避免系统在这两个模式下不断切换，导致系统震荡，截止电压设置了一个迟滞环节。充电控制策略流程图如图2所示。

本流程中，对测量信号采样时，采用数字滤波，保证采样的准确性。把中值滤波和平均值滤波结合起来，构成防脉冲干扰的平均值滤波，对缓变过程的脉冲干扰有良好的复合滤波效果。将充电电流信号的连续m（m>3）采样值进行排序，取其中位n个值的平均值作为t=kT时的滤波输出。

单节电池电压通过CAN通讯网络获取，每节电池中装有一个电池信息检测系统，将检测到的电池电压等信息通过CAN总线发送到总控制器单元。光伏电池充电装置通过CAN总线向总控制器发送单节电池电压数据请求，再通过CAN总线接收单节电池电压，CAN通讯系统如图3所示。

三、电动汽车用光伏车载充电工作原理及硬件设计框图

本系统设计并制作一个光伏电池充电装置，输出电压范围为40V-60V；能够跟踪光伏电池最大输出功率，误差小于5%；变换器效率达到85%；能够输出稳定的电压和电流，波动幅度小于5%；能够检测电池组的充电电压和电流，误差小于5%；具有防止电池组过充电功能和过流保护。系统工作原理图如图4所示。

参考文献：

[1]孙晓明.电动汽车充电电价时段划分方法及有序充电策略研究[D].北京交通大学硕士学位论文，2014.

[2]何丽娜.电动汽车充电负荷频率响应控制策略研究[D].湖南大学硕士学位论文，2014.