太阳能冷链三轮车设计*

2021-06-07方晓敏郑思思

科技创新与应用 2021年14期

方晓敏，郑思思

（1.衢州职业技术学院，浙江衢州324000；2.衢州市工程技术学校，浙江衢州324000）

电动三轮车具有适应性强、机动灵活、维护简单、维修方便和价格低廉等优点，广泛用于家庭、城乡、个体出租、厂区、矿区、环卫、社区保洁等短途运输领域。电动三轮车充电时间长，充电频次高，续驶里程短，有市电（220V）插座才能充电，可能会出现半路断电的问题。此外电动三轮车在运输冷链食品、疫苗、鲜奶等需要冷藏的物品时，现有技术一般采用冰块、保温箱等进行冷藏，成本较高而且保鲜度难以得到保障。在电动三轮车上安装车载冷藏室，可以有效提高保鲜度，降低保鲜成本。开发太阳能冷链三轮车，随时随地在阳光下为蓄电池充电，对我国交通和节能减排有明显的意义。

1 太阳能冷链三轮车关键技术分析

1.1 太阳能电池最大功率点跟踪技术

太阳能光伏发电面临的主要问题是如何提高太阳能电池工作效率，以及如何提高整个系统工作稳定性。太阳能电池的发电特性比较特殊，需要特定的控制方式才能充分发挥其效率。最大功率点跟踪技术（Maximum Power Point tracking，MPPT）作为提高光伏发电系统效率的有效途径之一，已成为国内外研究的热点。国内外专家研究了多种MPPT控制方法。MPPT控制方法逐步由简单的控制算法，如恒定电压法（Constant Voltage Tracking）、扰动观察法（Perturb-Observer Algorithms）和电导增量法（Incremental Conductance），向复杂的智能控制发展，如神经网络算法、模糊控制算法和粒子群算法等。

1.2 蓄电池充放电技术

由于锂电池具有工作电压高、重量能量比和体积能量比大、循环寿命长、安全特性好、充放电电流大等优点，目前是小型用电装置的主流电源。锂电池充电方式和放电方式受工况影响大，是几种充放电方式的组合。采用何种充放电方式，必须检测锂电池状态和负载工况，因此锂电池充放电研究越来越深入，充放电控制也越来越智能化。

锂电池基本的充电方式有：恒压充电、恒流充电、脉冲充电。在实际应用时一般将几种基本充电方式组合使用。锂电池的放电方式有：恒阻放电、恒流放电、恒功率放电，但在实际使用过程中锂电池放电方式受工况影响，不会是固定的某一种放电方式，可以看作是几种放电方式的组合。在电池管理过程中需要估算一个重要参数：电池的荷电状态（State Of Charge，SOC），即剩余电量与电池总容量的比值。SOC直接影响蓄电池的动力性能和使用寿命。但是电池的SOC不能直接测量，只能通过电池内阻、充放电电流、电池端电压等参数来估算。电池的荷电状态直接影响其可接受充电电流。当SOC<10%时，只能用小电流涓流充电，因为电池内阻较大；当10%≤SOC≤90%时，锂电池可接受最大为1C的充电电流，此阶段适合大电流快速充电，因为电池的内阻较小；当SOC>90%时，电池可接受充电电流按照麦斯定律减小，保持大电流充电会有导致锂沉积的电化学反应发生，损害锂电池的使用寿命。

1.3 光伏制冷技术

将光伏发电技术和制冷技术结合在一起就是太阳能光伏制冷技术，该技术主要是对常规的制冷设备加以利用。光伏制冷技术包括光伏半导体制冷和光伏压缩式制冷。半导体制冷是根据珀尔帖效应，采用特种半导体材料形成P-N结，利用直流电进行制冷或制热。半导体制冷不使用制冷剂，可小型化，无运动部件，噪声小，能分布式制冷；不足之处是制冷效率低，COP（能效比，即名义制冷量（制热量）与运行功率之比）一般为0.2~0.3，另外价格较高。相反，压缩式制冷技术已经很成熟，目前的制冷剂也很环保。在压缩式制冷技术上发展光伏制冷技术具有难度小，易于推广的优势。

2 太阳能冷链三轮车系统设计

2.1 太阳能冷链三轮车系统结构

太阳能冷链三轮车系统结构如图1所示。主要包括电动三轮车、制冷系统、锂电池、控制器和光伏组件。

图1 太阳能冷链三轮车系统结构图

电动车选用额定功率为500W，额定电压为48V的电动三轮车。实验所用太阳能电池的参数为标称300W，输出电压范围0～44.6V的太阳能电池板，作为充电电源，太阳能电池有效工作电压设置在25～44.6V。使用2个锂电池组为储电单元，存储太阳能转化而来的能量，为电动三轮车电机及冰箱电机供电。锂电池标称为48V，欠压保护为45V，过充电压为58V。拟设计的变换器需要升压功能，设计的变换器选择为升压Boost拓扑，Boost变换器电路将太阳能电池板能量转换为可用的电压电流，为后级电路提供能量。制冷系统选为直流冰箱，直流冰箱制冷系统中的压缩机为直流压缩机，制冷工质为R134a，冰箱容积为86L，上部的冷冻室容积为12L，名义设计温度为-12℃，下部的冷藏室容积为74L，名义设计温度为0~10℃。

2.2 系统硬件解决方案

系统硬件框图如图2所示。系统实现的硬件功能包括：采集太阳能电池输出的电压电流；采集锂电池组1和锂电池组2的电压电流，根据不同的状况，通过开关Q1、Q2及Q3和Q4调整负载供电模式；实现Boost升压功能模块；PWM驱动模块，实现Boost升压模块占空比调制。通过控制开关管占空比实现太阳能最大功率点跟踪算法及恒压限流算法控制。

当电动车运行时，Q3闭合，Q4断开，Q1断开，Q2闭合，锂电池组1为负载供电，锂电池2充电（锂电池组2满电时，Q2断开）；Q3断开，Q4闭合，Q1闭合，Q2断开，锂电池组2为负载供电，锂电池组1充电（锂电池组1满电时，Q1断开）。当三轮车停驶时，根据锂电池组1和锂电池组2的电量，确定是否闭合或断开Q1、Q2、Q3、Q4。

DSP外围电路包括启动模式电路、JTAG电路（在线调试接口）、A/D模块、EPWM模块、电源模块、外部存储器扩展和时钟模块等。为了提高系统的可扩展性，使用性能优越的TMS320F28335作为控制芯片，以实现较复杂的控制算法。通过分压电路后的电压信号，经过电压跟随电路进入A/D模块，进行电压采样，而电流信号则通过取小电阻两端电压，经过差分放大电路后进入A/D模块，进行电流采样。

系统中各工作模块需要的电源有15V、5V、3.3V三种不同电压，其电源电压由锂电池来提供。锂电池经由DC-DC模块降压，再经过三端稳压芯片L7815，得到15V电压，再经三端稳压芯片L7805得到5V电压，最后由高效线性稳压器AMS1117将5V电压转换至3.3V。EPWM模块和电机驱动模块采用6N137光耦隔离芯片，进行高低信号电平间的隔离，避免控制器产生误操作。

2.3 电动车光伏供电解决方案

使用固定电压法与变步长扰动观察法相结合的控制方法，迅速到达最大功率点，该方法可以减少最大功率点处的输出功率振荡幅度，降低功率损耗，且控制算法相对不太复杂。对系统的核心功能电路DC-DC变换器进行研究，选用可实现升压的BOOST变换器，对变换器进行交流小信号建模，得出其频率特性，按照需要设计变换器，并对其功率开关管和输出电压的工作波形进行检测，以满足系统的工作要求。

图2 系统硬件框图

对车用锂电池的充电特性进行研究，提出一种适合锂电池充电的控制策略，最大限度地利用太阳能电池的能量。其控制策略如图3所示。

图3 锂电池充电方式控制框图

在锂电池恒流充电阶段，为充分利用太阳能电池，采用最大功率点跟踪算法。这里使用电流模式控制，其目的是为了控制太阳能电池板输出（Upv），此输出为DC-DC处的输入。这使得太阳能电池板可始终运行在它的最大功率点上。通过调整电源开关的占空比，可调节输入电流。通过调整输入电流，调节输入电压。通过最大功率点跟踪算法确定PV电池板电压的设定点（Upv_ref）。在这个控制机制下，当太阳能电池板电压（Upv）上升，高于MPPT算法设定的基准电池板电压（Upv_ref）时，此控制环路增加电池板电流指令（针对内部电流环路Ipv_ref的基准电流），从而将电路板电压控制在基准电平上（Upv_ref）；当电池板电压下降，低于此基准时，控制环路减少电池板电流指令，将电池板电压复原至它的基准电平。在锂电池恒压充电和浮充阶段，分别设置Ubref1和Ubref2作为恒压充电阶段和浮充阶段的参考电压。采用电压PI调节，使DC变换器输出电压控制在参考电压处。