太陽能賽車峰值功率跟蹤器的設計

2014-07-28 中國節(jié)能網(wǎng)4960

核心提示：太陽能賽車是利用太陽能電池發(fā)電驅(qū)動的電動車。太陽能電動賽車的電器系統(tǒng)基本結構如圖1所示。 MPPT(Maximum Power Point Tracker)即峰值功

太陽能賽車是利用太陽能電池發(fā)電驅(qū)動的電動車。太陽能電動賽車的電器系統(tǒng)基本結構如圖1所示。 MPPT(Maximum Power Point Tracker)即峰值功率跟蹤器，是太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)中的重要部件。眾所周知，在確定的外部條件下，隨著負載的變化，太陽能電池陣列輸出功率也會變化，但是存在一個最大功率點Pm以及與最大功率點相對應的電壓UMp和電流IMD。當工作環(huán)境變化時，特別是日光照度和環(huán)境溫度變化時，太陽能電池陣列的輸出特性曲線也隨之變化，與之相對應的最大功率點也隨之改變，如圖2所示。通常來講，太陽能電池輸出特性曲線的變化與日光照度的變化是成比例的。但在實際應用中，日光照度的變化再加上工作溫度的變化，使得太陽能電池輸出特性的變化很復雜。

在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中沒有采用MPPT，而是直接把太陽能電池陣列與蓄電池并聯(lián)工作時，由于陣列的輸出狀態(tài)受到電池、電機工作狀態(tài)的限制，輸出功率往往不在陣列的最大功率點。MPPT的作用是使太陽能電池陣列工作在最大輸出功率點。它是高效率的DC／DC變換器，相當于太陽能電池輸出端的阻抗變換器。 MPPT是太陽能車、太陽能發(fā)電系統(tǒng)、太陽能水泵上常用的功率提升部件。MPPT能使太陽能電池陣列的輸出功率增加約15％～36％。

1 太陽能賽車的MPPT方案設計

本文所述MPPT是為清華大學“追日號”太陽能賽車研制的。“追日號”太陽能賽車的太陽能電池陣列總面積為6．67m2，最大輸出功率為825W，開路電壓在160V～170V之間，根據(jù)太陽能電池陣列輸出特性試驗，得到陣列最大功率點電壓在129．6V～137．7V之間。由此確定蓄電池組由10個 12V／20Ah(5小時放電率)的鉛酸蓄電池串聯(lián)組成，額定電壓為120V，工作電壓在120V～140V之間。蓄電池工作電壓在太陽能電池陣列的最大功率點電壓附近。 MPPT要實現(xiàn)太陽能電池工作電壓到蓄電池電壓轉換，其本身是需要消耗能量的；同時MPPT應用在“追日號”太陽能車上，它的重量將增加整車功率的消耗。如果MPPT的轉換效率過低，應用MPPT所獲得的太陽能電池陣列輸出功率的增加有可能被MPPT本身消耗掉，甚至起反作用。在工作中，由于日光照度、溫度等的變化，太陽能電池陣列的最大功率點(MPP)將隨工作環(huán)境的變化而時刻變動著，MPPT必須隨時監(jiān)測陣列輸出狀態(tài)的變化，根據(jù)智能的控制策略判斷最大功率點的位置，調(diào)整陣列的工作電壓跟蹤最大功率點電壓，由此實現(xiàn)MPPT的功能。因此，MPPT不僅是一個高效率的DC／DC轉換器，更是一個智能的控制系統(tǒng)。

1．1 MPPT的硬件設計

MPPT的硬件包括MPPT主回路、微處理器、信號調(diào)理電路、PWM驅(qū)動電路、電源、通信接口等六個部分。其硬件結構如圖3所示。 MPPT的電壓轉換器采用Buck DC／DC轉換器，以MOTOROLA場效應管作為電子開關器件；采用PWM控制方式，工作頻率為16kHz。由上述的太陽能電池陣列電壓與蓄電池電壓可知，MPPT的Buck DC／DC轉換器的降壓比在0．6～1．0之間。在這個降壓比范圍內(nèi)，MPPT的轉換效率在86％～99％之間。由于采用了Buck DC／DC轉換器，在太陽能電池陣列的工作電壓高于蓄電池電壓的情況下，通過調(diào)整BuckDC／DC轉換器的占空比即可改變太陽能電池陣列的工作電壓 [3]。MPPT的Buck DC／DC轉換器的電感上L=4mH，臨界負載電流Iok為： Iok=(Vout/2Lf)/(1-D) Iok|D=0.7=120V/(2%26;#215;4mH%26;#215;13kHz)(1-0.7)≈0.35A 當電流I0．35A、占空比D0．7時，

　　在場效應管開關的一個周期內(nèi)，電感的電流是連續(xù)的，則Buck DC／DC轉換器的降壓比等于PWM控制信號的占空比。所以MPPT的控制策略是通過調(diào)整PWM的占空比D來調(diào)整Buck DC／DC轉換器的降壓比，以達到調(diào)整太陽能電池陣列工作電壓為最大功率點(MPP)電壓的目的。 MPPT微處理器的工作步驟是：首先采集MPPT主回路的電壓及電流信號，然后根據(jù)最大功率點跟蹤策略判斷最大功率點的位置，確定PWM信號占空比D的值，最后輸出PWM信號給驅(qū)動電路。微處理器是MPPT的控制核心，這里采用飛利浦80C552單片機來實現(xiàn)MPPT的控制。而且微處理器可以通過 RS232接口與PC機連接，實現(xiàn)MPPT和PC機之間信息的交換。在信號調(diào)理電路部分，設計了線性光耦電路來實現(xiàn)信號的隔離與放大，以保證微處理器部分免受干擾。