车载太阳能电源设计

张梦源，于少娟，薛晓龙，曹林涛，李彦锋，汪 信

(1.太原科技大学 电子信息工程学院；2.太原科技大学 机械工程学院，山西 太原 030024)

随着中国经济建设的日益发展，人们生活水平的逐渐提高，推动了汽车消费力，使汽车保有量进一步增长，截至2021年底，全国汽车保有量超过100万辆的城市已达79个，汽车带来的环境问题也急需解决。“十二五”规划明确提出要树立绿色、低碳发展理念，新型能源的发展受到了高度重视，以太阳能为例的新型能源发电技术取得了快速发展。本设计就是以实现太阳能光伏发电技术的车载利用为目的。通过太阳能光伏板把太阳能转化为电能并通过蓄电池储存以实现对车载电器的供电。汽车行驶过程中光照以及温度的变化会使太阳能光伏板输出功率不稳定，本设计通过引用最大功率跟踪算法追踪光伏板不同环境条件下的最大输出功率来提高发电效率，拓宽太阳能电源的应用场景。

1 系统结构设计

1.1 系统设计

本设计共有6部分组成，包括有太阳能光伏板、最大功率点跟踪(MPPT)模块、充电保护模块、逆变器模块、锂电池组、电池管理系统基本构成关系如图1所示。太阳能电池板产生能量并经过充电保护模块为蓄电池储能，再由逆变模块升压并转支流为交流，供车载电器使用。在锂电池组充电的阶段，太阳能光伏板通过MPPT模块之后始终以最大输出功率为锂电池组进行充电。同时充电保护模块时刻监视着锂电池组的电压大小与温度，当锂电池组的电压达到充电截止电压或充电时温度过高时，充电保护模块截止对锂电池组的充电，以确保本设计处于安全的工作环境。

图1 总体的电路原理图设计框图

1.2 太阳能电池板

太阳能光伏板(Solar panel)是把太阳光的能量通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换成电能的装置。系统中使用的是光电转换率约为17%～18%的多晶硅太阳能光伏板。

1.3 锂电池

汽车在行驶或者停靠时只要太阳能电池板受到阳光的照射就会一直产生电能，因此就需要蓄电池存储电能，同时也需要蓄电池作为中转，存储的电能经过逆变电路转为交流电，从而满足常用小功率电器的使用。本设计使用额定电压为12.6 V的锂电池。

1.4 充电保护模块

实现基本充电保护、短路保护的功能；电池额外充电接口：支持5 V(USB接口)、12 V(汽车电瓶)、18 V(大功率充电器)对电池充电。确保实现减少损耗，太阳能光伏板的输出优先供给逆变器，减少能量损耗。

1.5 最大功率跟踪模块

扰动观察法、恒压法、电导增量法是主要的3类最大功率跟踪方法。恒压法是调整光伏阵列的工作电压使其稳定在最大工作电压附近，该方法结构简单、容易实现，但难以应对多变的环境因素。扰动观察法是给光伏阵列一个扰动输出电压信号，测量此时的输出功率，然后与扰动前输出功率比较，如果功率变大则扰动是正增长方向，反之就是负增长方向。该方法结构简单、成本低、效果显著，因此使用广泛。电导增量法根据电导增量的变化改变电压变化步长。从而可以更加精确地跟踪最大功率，适用包括汽车行进在内的环境因素多变的场合，但该算法要求传感器具有较高的精度以及较快的电路响应速度，因而使得系统成本较高。理想状态下电导增量法能达到最佳的功率追踪效果，但是当传感器的精度较低时，太阳能光伏板的电导增量和瞬间电导的计算会存在误差，对最大功率的追踪会有很大的误差。反之较于电导增量法，扰动观察法就能通过简单的结构、较低的成本实现较好的效果。本系统采用扰动观察法进行MPPT的设计。

1.6 太阳能光伏电源逆变系统的基本结构

首先由锂电池或太阳能光伏电池板提供直流电压，经过逆变电路进行升压处理后，产生近似工频正弦波输出。太阳能光伏板在有光照时会一直输出直流电，为防止锂电池出现欠电压和过电压的情况，需要充电保护电路实时检测锂电池电压情况，并做出相应处理。太阳能光伏电源逆变系统的基本结构框图如图2所示。

图2 太阳能光伏电源逆变器的基本结构框图

1.6.1 太阳能光伏电源逆变器的设计要求。本设计的车载太阳能电源是将锂电池的直流电逆变为220 V、50 Hz的交流电以满足小型家电的正常使用。输出性能参数如表1所示。

表1 光伏逆变电源性能参数

1.6.2 逆变部分电路设计。在太阳能光伏板发电过程中，由于光照强度的变化，导致其输出电压存在一定程度的波动，因此，采用耐压宽、转换效率高的金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)在驱动脉冲的控制下交替产生导通与关断两种状态，使逆变器在输入电压具有一定波动的情况下稳定产生正弦波供负载使用。为了平衡输入瞬时功率与输出瞬时功率的差异等问题，系统中通常需要并联多个薄膜电解电容来解决。

1.7 锂电池充放电管理系统(BMS)

锂电池充放电管理系统是通过对锂电池温度、电压、电流等信息的采集，保证锂电池充电、放电过程的安全稳定，不会出现过充、过放。

BQ76925是一款适用于3～6节串联锂电池组的充放电管理系统模拟量数据采集芯片。可以监视电池组中各个电池的电压与容量，同时由此款芯片组成的均衡电路，保护电路可以为电池组提供温度过热保护、电压过压、欠压保护、电流过流保护等电池组质量安全监测。BQ76925采用SMbus协议与控制系统进行数据传输，控制系统可通过此总线读取电池组的各项信息。同业也通过此总线对电池组做出相应的控制。

2 系统仿真(基于Simulink软件仿真)

使用Simulink仿真搭建了由太阳能光伏板给锂电池充电的系统，在给定不同的光照强度的作用下，功率会随着光照强度的增强而发生不同强度的变化。

本系统基于上面系统的改装得出的，由太阳能光伏板阵列接收太阳能转化为电能经过MPPT控制电路，MPPT控制仿真电路如图3所示。再经过一系列的整流和滤波进行能量的转化，给锂电池进行不断地充电。

图3 MPPT控制电路仿真

3 实物性能测试

3.1 太阳能光伏电池板对锂电池充电测试

本设计采用一块20 W太阳能光伏板通过MPPT系统输出稳定的直流电给锂电池进行充放电测试。

把太阳能光伏板，最大功率跟踪模块，充电保护模块以及锂电池按顺序连接在一起，接入负载进行测试，记录数据。如图4进行测试，记录数据如表2所示。

图4 光伏充电系统实物图

表2 太阳能光伏电池板对锂电池对充电测试

分析：由表2可得出，锂电池充满一次电的时间范围在5.5 h～6.4 h左右，分析数可知，锂电池的充电时长和太阳能光伏板与光线之间的夹角有关，此夹角越接近垂直充电所用时间就越短。这与仿真结果相一致。若要缩短充电时间可以将太阳能光伏板与光线垂直摆放或增加太阳能光伏板相并联给锂电池进行充电。充电结束后，太阳能充电控制器由BMS判断并进行断电处理，防止过充对锂电池造成损坏。

3.2 对普通用电器进行充电测试

在系统稳定工作后接入负载。本测试使用手机作为负载，测试成果如表3所示。

表3 太阳能光伏逆变器充电测试

3.3 分析

经由对不同平台的手机充电测试及结果进行分析，该太阳能光伏逆变器可以对不同功率手机进行充电，达到本设计计划的效果。手机电量充满所用时间大约为 2.5 h～3 h之间。若要再收缩充电时长，必须增大逆变电路的输出电流，增大其输出功率。本设计把车载光伏逆变系统分为光伏发电模块、锂电池储能模块和光伏逆变模块多个模块。在后期维护上也便利了用户，某一模块出现问题后改换或维修单一模块便可。