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新技术新工艺2012年第4期64新技术新工艺电子信息与自动控制太阳能电动自行车光电转换关键技术研究*刘大诚,俞宁,厉超(淮安信息职业技术学院汽车工程系,江苏淮安223003)摘要在分析太阳能电池特性的基础上,分析了太阳能电动自行车的可行性和关键技术。针对太阳能电池光电转换效率不高的问题,提出了运用太阳能电池最大功率跟踪和DC/DC控制器的方法,并对设计的MPPT控制器进行测试,试验结果表明它有较好的跟踪性能。关键词太阳能电动自行车光电转换效率关键技术最大功率跟踪中图分类号TK519文献标志码AResearchonthePhotoelectricConversionKeyTechnologyofSolarElectricalBicycleLIUDacheng,YUNing,LIChao(DepartmentofAutomotiveEngineering,HuaianColegeofInformationTechnology,Huaian223003,China)AbstractBasedonthecharacteristicsofsolarcel,thepaperanalyzedthefeasibilityandthephotoelectricconversionkeytechnologyofsolarelectricalbicycle.Accordingtothelowphotoelectricconversionefficiencyofsolarcel,thetrackingmethodofmaximumpowerpointofsolarcelandtheprincipleofDC/DCconversionwerepresented.Thedesignedcontrol-lerwastestedbyusingthemethodandtheexperimentalresultsindicatedithasbetterperformanceforMPPT.KeywordsSolarelectricalbicycle,Photoelectricconversionefficiency,Keytechnology,Maximumpowerpointtracking随着世界经济的发展和交通工具的大量使用,传统交通工具采用的不可再生能源(如汽油、柴油等)所带来的污染日益严重。为了缓解环境的污染,采用清洁、高效和永不衰竭的太阳能作为交通工具的能源系统,已经受到人们的日益重视。太阳能电动自行车造价不高,且具有零排放、低噪声、能源补充来源广等诸多优点,在城市15km以下的短距离代步交通工具中,有着其他交通工具无法取代的优势,很好地扮演着绿色出行代步工具的角色,非常适合我国的国情和广大普通消费者。1太阳能电动自行车从太阳能电池的输出特性看,它在轻负载时,表现出恒压特性,相当于恒压源在重负载时,表现出恒流特性,相当于恒流源。在实际电路分析中一般把它当做恒流源,而电动自行车无论起动还是行驶中需要经常变换转速和转矩,这非常不适合驱动直流电动机,所以电动自行车都需配有储能装置,它可以给直流电动机提供变化的电流。太阳能电动自行车通过太阳能电池将太阳的光能转化为电能,存储在蓄电池中,用来驱动电动机旋转,从而带动电动自行车行驶。它在传统的电动自行车基础上增加了太阳能电池板,将太阳能转换成电力,储电装置把太阳能变成的电能储存起来,给电动车的蓄电池充电/补充充电,弥补蓄电池的电量不足,减少蓄电池的使用,补充车辆行驶中消耗的部分能量,从而延长车辆的行驶距离和时间。太阳能电动自行车主要取决于太阳能电池的特性(如开路电压和转换效率等)和电动自行车的特性(如电动机转矩和功率等)。电动机的额定功率为Pn=TnN/9.55=0.1047TnN式中,Tn为摩擦阻力、道路阻力、风阻力和坡度阻力所产生的转矩,单位为NmN为额定转速,单位为r/min。试验表明,蓄电池电压为36V的电动自行车,在平坦路面上以20km/h速度行驶时的平均电流为4~5A[1]。按照上述指标以及参照国内太阳能电池的技术指标(目前国内商用太阳能电池的转化效率不超过20%),如果要满足此类电动自行车的运行性能,太阳能电池面积约为1500mm800mm。由于太阳能电池板的面积偏大,不适宜直接安装在电动自行车上,而且太阳能电池的转换效率低且价格较高,因此给太阳能电动自行车的开发设计以及推广都带来一定的难度。如何进一步提高太阳能电池的光电转换效率,充分利用光伏阵列所转化的能量,一直是光伏系统研究的重要方向。2太阳能电动自行车开发的关键技术太阳能电动自行车的开发主要体现在3个重要电子信息自动控制新技术新工艺电子信息与自动控制65的技术环节光电技术(太阳光转化为电能)、储能技术(电能的储存)以及能量管理技术(将电能最大程度地发挥到动力上)[2]。储能电池即太阳能蓄电池,目前国内广泛使用铅酸免维护蓄电池和锂电池。虽然与铅酸电池相比,锂电池循环寿命、环保性等方面优势显著,但在价格上存在较大竞争劣势。中国自行车协会提供的数据显示,目前国内电动自行车使用的电池中,铅酸电池占90%的,锂电池不超过5%。钒电池可深度大电流密度放电、循环寿命长、充电迅速、价格低廉,非常适用于静态储能,是未来太阳能蓄电池发展的重要方向。太阳能电动自行车的能量管理系统对于整车的整体性能有着重要的意义,对电池及其能量系统的有效管理、合理匹配及正确使用与维护都有很大影响,并将会大大提高太阳能电动自行车的续驶里程,提高电池的使用寿命并降低成本。但是,由于储能电池的容量与电压、电流的非线性关系,使能量管理系统还缺乏准确的数学模型[3]。因此,能量管理技术的研究也是太阳能电动自行车研究过程中需要解决的重要问题。太阳能电动车的主要能量转换装置是太阳能电池,它是一种将太阳的光能直接转换成电能的半导体器件。目前,单晶硅太阳能电池转化效率最高,技术也最为成熟,转化效率可达20%左右,国内外很多厂家已经有很成熟的产品。对于硅系太阳能电池,要想再进一步提高转化效率是比较困难的。太阳能光伏技术的发展成为太阳能电动自行车开发与设计及其商业化生产的重点,其中提高转换效率和降低成本是太阳能光伏技术发展中应考虑的2个主要因素,而降低成本的一个有效的途径是提高太阳能电池的光电转换效率。3太阳能光电转换关键技术太阳能电池输出功率受气候、光照强度、树荫等因素的影响,对太阳能电池板进行最大功率跟踪是使太阳能能量转换最大化的有效方法,并有利于在相同里程下使用较小的电池板面积,从而达到降低成本的目的[4]。使用最大功率跟踪的方法使电池板输出最大功率,也就是用控制电路实现对电池板的最大功率点进行跟踪。太阳能电池的输出具有非线性特征,最大功率点主要受环境温度和太阳光强的影响。在太阳光强不变的情况下,随着温度的升高,光伏电池的开路电压降低,最大输出功率随之降低。当温度不变,太阳光强增加时,光伏电池的开路电压基本不变,短路电流大幅增加,最大输出功率大幅增加。太阳能电池和负载可简化成如图1a所示的线性系统电路图。首先,计算消耗在R1上的功率为P1=I2R1=(Usr+R1)2R1(1)式中,Us是电源输出电压r是电池内阻R1为负载电阻。然后,对式1两边的R1求导,可得dP1dR1=U2sr-R1(r+R1)3(2)由式2可得,当r=R1时,dP1/dR1=0,此时P1取最大值。即当太阳能电池负载阻抗与内部阻抗相匹配时,太阳能电池的输出功率最大[5]。为了实现最大功率跟踪,一般在太阳能电池与负载之间加入一个DC/DC变换器(如图1b所示),并通过改变其占空比,达到太阳能电池负载的等效输出阻抗动态跟踪太阳能输出阻抗的目的,使太阳能电池始终工作在最大功率点处。DC/DC转换电路主要有Buck电路、Boost电路和SEPIC电路,其他电路如CUK电路与SEPIC电路原理基本一致[6]。图1太阳能电池MPPT原理图典型的Buck电路是一种降压电路,输出电压低于或等于输入电压典型Boost电路则是一种升压电路,两者均采用调节开关脉冲占空比方式实现最大功率跟踪。本设计采用BoIBB(BoostInter-leavedBuck-Boost)转换电路[7],这种电路既可以起到升压的作用,也可以起到降压的作用,对于限制蓄电池充电电压范围非常方便,只需要根据输入电压,通过调节内部开关管的占空比就可以实现。同样原理实现了DC/DC转换电路对太阳能电池最大功率点的跟踪。目前,研究最广且应用较普遍的MPPT控制算法主要有固定电压法、扰动观察法和增量电导法[8]。这几类算法不需要直接检测外接环境因素的变化,而是根据直接测量到的光伏陈列的电压和电流等信息进行最大功率跟踪。由于本设计需要保持输出电压的相对稳定,从公式P=U2/R可知,若要想增大新技术新工艺2012年第4期66新技术新工艺电子信息与自动控制P而保持U基本不变,只能改变R。故采用如图2所示调整负载的同时,对输出电压进行实施监控,使其在允许范围内变化,这样不论太阳能电池的功率如何变化,都能有效跟踪到其最大功率点,并能保证负载正常工作。图2调整负载的MPPT原理图综合以上各点,得出如图3所示最大功率跟踪控制装置示意图。通过电压电流检测电路,采集到的模拟信号,经A/D端口送入微控制器进行最大功率跟踪算法分析计算后,微控制器通过驱动模块输出脉宽调制(PWM)脉冲控制信号,调节DC/DC变换器中内部开关管的通断,实现对转换电路输出电压及电流的控制。微控制器通过对扰动功率的控制,得到最大功率的变化方向,之后调整控制负载,从而使太阳能电池工作在最大功率状态。在系统最大功率跟踪控制装置中设计保护模块,可对电路进行过压和过流保护,提高装置的安全可靠性。图3太阳能电池最大功率跟踪控制策略示意图4试验与结论采用1块10W太阳能电池板(单个太阳能板开路电压约为17.5V),DC/DC转换器作为被控器件,1个可变电阻做负载,在同样的日照环境条件下对有MPPT和无MPPT控制进行充电效率比较,观察最大功率跟踪的效果,测量数据见表1。表1不同光照强度和温度下有无MPPT充电效率比较无MPPT有MPPT效率提高率(%)输出电压/V输出电流/A功率/W输出电压/V输出电流/A功率/W20.150.4058.1612.380.7999.8921.220.050.4048.1012.240.8109.9122.319.920.3997.9512.150.8209.9625.3试验结果表明,未采用MPPT和采用MPPT2种情况下测得的负载输出电压和电流有明显的不同。采用MPPT(BoIBB转换电路)后,太阳能电池的输出功率的利用率得到提高,说明该方法可行,能有效提升太阳能电池的输出,提高了太阳能光电转换效率。参考文献[1]孟昭渊,李金刚.太阳能电动自行车的可行性分析与实践[J].太阳能,2007(7)33-35.[2]王毅,熊大庆.轻便型太阳能电动车造型设计研究[J].包装工程,2008,29(5)123-125.[3]梁天也,唐明祥.太阳能电动车关键技术及发展趋势[J].汽车维修,2007(3)5-6.[4]许志强,石湘波,施正荣,等.太阳能电动自行车的研制[J].微计算机信息,2006,22(3-2)30-32.[5]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京机械工业出版社,2000.[6]周建民.三种太阳能最大功率跟踪电路分析比较[J].江汉大学学报自然科学版,2010,38(1)18-21.[7]方宇,谢勇,邢岩.一种新颖的Buck-Boost变换器[J].电力电子技术,2003,37(2)46-48.[8]曹祖亮,王斌,王帅.光伏发电系统及其最大功率跟踪控制方法比较[J].广东电力,2010,23(6)16-19.*淮安市科技支撑计划(工业)资助项目(HAG09020)江苏省电子产品装备制造工程技术研究开发中心课题(SZKT08-001)作者简介刘大诚(1976-),男,讲师,硕士,主要从事机械设计、汽车车身CAD方面的研究。收稿日期2011年2月29日责任编辑檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵殝殝殝殝王逸寰勘误证明由于我社排版人员工作失误,误将2012年第2期工作台振动钻削的初步试验研究一文的关键词中的轴向振动钻削工艺效果断屑效果毛刺误刊登为理实一体化项目教学法CAXA教学体系,在此特别予以更正。新技术新工艺杂志社2012年3月27日
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