一种带MPPT的电动车太阳能充电系统设计与研究.doc

一种带MPPT的车载太阳能充电系统设计与研究海涛1，朱浩1，石磊1，梁挺兴1，林波2，陈凯1（1.广西大学 电气工程学院，广西 南宁 530004；2.广西比迪光电科技工程有限责任公司，广西 南宁 530031）摘要：针对光伏发电系统在电动车充电应用中，充电时间长、充电电压波动大和最大功率追踪（MPPT）速度慢的问题，设计了一种车载环境下太阳能充电系统。本文基于增量电导法提出了适合车载环境下的修正变步长增量电导MPPT法，对充电系统中实现MPPT控制的Boost电路，用于充电控制的Buck电路和PI控制器进行了分析和建模。基于PSIM仿真平台验证了所提MPPT法的快速追踪性能和充电系统充电电压摄动小、稳态精度高；又通过有无MPPT功能的充电实验，表明系统还具有充电时间短、效率高的优势。关键词：MPPT；太阳能充电；PI控制器；PSIM 中图分类号：TK519；TP272 文献标识码：A Design and research on a type of vehicle-mounted solar charging system with MPPTHai Tao1，Zhu Hao1，Liang Tingxing1，Lin Bo2，Chen Kai1(1.School of Electrical Engineering,Guang xi University,Nanning 530004，China2.Guang Xi Bidi Photoelectric Technology Engineering Co., Ltd, Nanning 530031，China)Abstract: Oriented to the application of photovoltaic power system in electric vehicle charging, a type of vehicle-mounted solar charging system was designed for the problem of long charging time, large fluctuation of charging voltage and low speed of maximum power point tracing (MPPT). Based on incremental conductance, this paper put forward an incremental conductance MPPT method with modified variable step size that applicable to the environment of vehicle. It also analyzed and modeled Boost circuit for MPPT control, Buck circuit for charging control and PI controller. On the basis of PSIM simulation platform, it verified the fast-track of the MPPT method introduced by this paper, and small disturbance and high steady accuracy of the charging system. Through charging tests with and without MPPT, the system also demonstrated advantages of short charging time and high efficiency. Keywords: MPPT；solar charging； PI controller；PSIM0 前言 在交通运输领域，采用光伏发电作为补充能量源的太阳能电动汽车越来越受到青睐1。然而，实际车载光伏发电系统在充电应用中面临着两大难题，一是因车辆行驶过程中环境不断变化，因所采用最大功率追踪方法不合适的原因，导致光伏电池最大输出功率追踪速度慢，从而出现太阳能转换效率低的问题2；二是光伏发电系统对车载蓄电池充电时间长的问题3-4。基于此，设计一种MPPT快速性能好，充电效率高的车载环境下太阳能充电系统具有重要现实意义。1 系统结构 电动车太阳能充电系统构图如图1所示，系统主要功能组件有：光伏电池、DC-DC转换器、控制器和铅酸蓄电池组。其中DC-DC转换器由Boost-Buck两级转换电路组成，控制器由MPPT控制单元和PI充电电压反馈控制单元组成。MPPT控制单元对系统采集的光伏电池输出电压和电流按控制算法进行计算，输出相应的PWM波，经1#驱动电路实现MPPT控制。PI控制单元比较系统反馈的充电电压和期望充电电压，对Buck电路进行调节使其稳态误差逼近于0。PI控制单位是基于电流模式的双环非线性控制结构，内外环分别是电流控制环和电压控制环，内外环共同决定输出PWM波，经2#驱动电路控制Buck电路使充电电压稳定输出。图1 电动车太阳能充电系统结构图Fig.1 Structure of the solar charging system for electric vehicle2 修正变步长增量电导MPPT法增量电导法具有良好的动态跟踪性能，传统的增量电导法为固定步长(步长即为开关管占空比的变化量)的MPPT控制法，它无法兼顾动态快速跟踪性能和稳态精度5。为此，通过改进增量电导法，将修正变步长增量电导法应用于车载太阳能系统中。原理是：在每个MPPT周期中，据采集到的光伏电池输出电压和电流，控制算法计算相邻两次采集量的变化量和变化方向，再重新调整步长值，改变下次PWM占空比，使转换电路输出电压快速稳定地达到最大功率点处电压。 当系统追踪到最大功率点处，即 （1） 步长的计算公式为 （2）式中，为时刻的占空比，为步长调整因子。为保证修正变步长MPPT算法据步长变化规则收敛，则有 （3）式中，D(t)max为可变步长的上限值，它由系统初始时的步长Step(1)确定，作为变步长的上限值。修正变步长增量电导法算法流程图如图2所示，设置标志值Flag，当系统在最大输出功率点时置Flag=1，追踪过程中Flag默认为0。 图2 修正变步长增量电导算法流程图Fig.2 Flow of incremental conductance algorithm with modified variable step size 3 充电系统功能组件分析与建模 为实现充电系统PSIM仿真研究，需对组成系统的各个功能组件进行分析、建模与设计，并利用PSIM软件实现充电系统各功能模块及整个系统的仿真分析。3.1 光伏电池分析与建模 根据光伏电池的物理机理和电子电路理论推导得出（4）式的光伏电池数学模型，文献6检验了该模型的准确性，仿真精度高。光伏电池非线性等效电路模型如图3所示。 （4）式中，为光伏阵列的输出电压，为等效串联电阻，为等效并联电阻，为光伏电池的光生感应电流，为二极管理想因数（12），Ih为二极管反向饱和电流，为波尔兹曼常量，为串联光伏电池单元个数，为电荷量。 光伏电池的非线性等效模型非常复杂，若对其进行线性化处理后，则不能准确真实反映光伏电池的特性。本文在不简化和不改变光伏电池数学模型任何参数的前提下，利用PSIM固有的DLL控件，根据（4）式采用C语言编写光伏电池的PSIM仿真模型，并将其封装成一个DLL模块。光伏电池的PSIM仿真模型如图4所示。和分别为仿真环境中设置的光照强度和环境温度，和根据选用光伏电池类型而设定，分别为光伏电池的额定电压、额定电流、开路电压和短路电流。为光伏电池模块与内部模型元件的接口。 图3 光伏电池等效电路模型 图4 光伏电池PSIM仿真模型 Fig.3 Equivalent circuit model for photovoltaic cell Fig.4 PSIM simulation model for photovoltaic cell3.2 Boost电路分析与建模本文DC-DC转换器由如图1所示的Boost-Buck电路组成，其中前级Boost转换电路用于MPPT控制，后级Buck转换电路用于充电控制。前级Boost电路的拓扑结构如图5所示。图5 Boost电路拓扑结构Fig.5 Topological structure for Boost circuit Boost电路稳态分析：开关管导通后，电感的电压等于光伏电池的输入电压，即；开关管关断后，电感电压。令一个MPPT周期为，和分别表示开关管的通断时间。当电感L处于稳定状态时，一个MPPT周期中其平均电压为0，则有 （5）因开关管一个MPPT周期很短，可以将上式改写为 （6）据光伏电池特性方程式可知，在MPPT控制单元调节下Boost转换电路输入/出电压关系为 （7）式中，为开关管占空比。 Boost电路暂态分析：开关管关断瞬间，Boost电路输出电流和电压为（8）式；开关管导通瞬间，Boost转换器输出电流和电压为（9）式： （8） （9）据状态空间平均法，Boost电路在脉宽调制信号（PWM）控制下输出电压和电流为 （10）式中，根据上述等式，进一步推导可以知，实现MPPT控制的Boost电路动态输出为 （11） （12）3.3 Buck电路分析与建模 Buck充电电路的拓扑结构图如图6所示，前级Boost电路的输出电压为后级Buck电路输入电压，（），通过PI控制单元的调节使系统按照期望充电电压进行充电。图6 Buck充电电路拓扑结构Fig.6 Topological structure for Buck charging circuit开环状态下Buck充电电路的输入输出传递函数为 (13)式中，为Buck电路的工作周期。 按照铅酸蓄电池充电过程中最大充电电流和Buck电路输入纹波电流小于（表示蓄电池10小时放电率额定容量）的原则，对电感进行设计；按照转换电路输出纹波电流小于的原则对电容进行设计，电感电容计算公式如下： (14)式中：表示转换电路输出最大电压，表示MOSFET管开关频率，为充电电流降至0.006C10时的占空比，为电感电流的波动值，为通过短路测量法得到的光伏电池内阻。系统设计中光伏电池内阻；DC-DC转换器元件参数为，；蓄电池内阻。令，代入相关参数计算可得Buck充电电路闭环传递函数： (15)式中， ，和分别为PI控制器的比例系数和积分系数。进而得出闭环充电系统特征方程： (16)从特征方程可知，引入PI控制器后通过调节参数和可使特征方程的所有根位于平面的左半部分，确保系统稳定。4 PI控制器设计 未加入PI控制器情况下，多次PSIM（Power Simulation）仿真实验发现系统低频段增益较小，系统的快速性和稳定性有待提高。为此，基于电流模式控制7设计双环非线性PI控制器，调节Buck充电电路输出电压（即蓄电池充电电压）。4.1 被控量分析 据Buck电路的平均电路模型8，Buck电路可表示为： （17）式中：为Buck电路的控制脉冲占空比。充电电压和电流的控制是遵照马斯理想充电曲线9进行的，则理想充电电压、充电电流和理论占空比应为： （18） 令，据文献10给出的双环非线性PI控制器形式，PI控制器输出PWM的占空比控制方程为： （19）4.2 PI控制器结构双环PI控制器内环为充电电流比例控制环，外环为DC-DC转换器输出电压（充电电压）比例积分控制环，双环非线性PI控制器结构图如图7所示，其中外环电压控制器和内环电流控制器的控制表达式分别为，。图7 双环非线性PI控制器结构图Fig.7 Structure of nonlinear PI controller with double loop5 实验结果与分析 为验证所设计的修正变步长增量电导MPPT法的快速追踪性能，检验加入双环非线性PI控制器后充电电压的抗扰性能及稳态精度，本文利用PSIM软件对充电系统的MPPT控制部分和加入PI控制器后的充电系统进行仿真分析。最后，又进行了蓄电池充电实测实验。5.1 MPPT仿真实验 对修正变步长增量电导MPPT法进行PSIM仿真。具体参数设置为：， 时光照强度由800W/m2变为1000W/m2，在时又变为800W/m2；变步长调整因子，初始步长为变步长上限值；光伏电池参数，二极管理想因数；DC-DC变换器参数在3.3中给出。仿真实验结果如图8所示。在图中的A点（）光照强度增大后，内经过6次步长调整，系统就追踪到最大输出功率，之后光伏电池输出功率、电流和电压恢复稳定输出状态，无明显波动。在B点（）光照强度减小后，内经过5次步长调整后即可追踪到最大输出功率，此后输出功率、输出电压和电流波动值很小。两次光照强度的变化，均体现出所提MPPT法的快速追踪性能和优良的稳态性能。图8 修正变步长MPPT法PSIM仿真结果Fig.8 PSIM simulation result with modified variable step-sized MPPT method5.2 PI控制器仿真实验同样使用PSIM仿真实验平台，对有双环非线性PI控制器和一般单环线性PI控制器的充电系统进行仿真，仿真参数设置为：S=1000W/m2，T=25，光伏电池参数同5.1节相同，控制器参数设置为，。在t=25ms和t=75ms时，改变Buck电路输出端的负载由进行负载扰动实验，仿真实验结果如图9所示，图9（a）和9（b）分别为负载扰动情况下，含一般单环线性PI控制器系统和含双环非线性PI控制器系统的充电电压曲线。通过比较可以得出：在双环非线性PI控制器调节下充电电压波动很小，过渡时间很短且能够精确输出期望充电电压，所以系统设计中加入双环非线性PI控制器后，充电电压具有很好的稳定性和抗干扰性。 (a) (b)图9 充电电压负载扰动实验结果Fig.9 Experimental result of load disturbance for charging voltage 5.3 蓄电池充电实验通过以上仿真实验验证了系统设计有效、稳定和可靠。为此，搭建由PVS1000光伏模拟器，DC-DC转换器，控制器和3节超威6-DZM-12串联蓄电池组（36V12A.h）组成的硬件实验平台，设置光伏模拟器，采样时间，每次充电实验是在蓄电池初始荷电状态SOC相同的条件下进行的。光伏模拟器分别模拟光照强度变化缓慢的晴天和变化剧烈的多云天气进行实验（模拟光照强度均按1000W/m21200W/m2600W/m2规律变化），试验结果如图10所示。可以看出：带MPPT充电系统较不带MPPT充电系统充电电流大，两种天气情况下达到铅酸蓄电池满充电压41.98V, 带MPPT充电系统均较不带MPPT充电系统用时平均缩短42min，充电效率提高约23%。 （a） （b） 图10 充电实验结果Fig.10 Result of charging test 6 结语 本文充电控制策略为：根据车载蓄电池的理想马斯充电曲线，在充电电流不超过0.25C10情况下，由控制程序调整理想充电电压，实现不同阶段的恒压充电。通过PSIM仿真和蓄电池充电实验验证了带MMPT和双环PI控制结构的太阳能充电系统，在车载环境下MPPT跟踪速度快、充电时间短、充电电压稳态精度高和抗扰性能强等优势，解决了光伏发电系统在电动车充电应用中的实际问题，对太阳能在移动设备上的推广应用具有现实意义。参考文献：1 余南华，王岳人，杨毅.太阳能车电力系统的智能集成化设计J.可再生能源，2006，02：7-9+12.2 王新运，康龙云.太阳能电动车最大功率跟踪器的研究与开发J.电力电子技术，2010，03：12-13+19.3 杨晓光，丁宁，汪友华.太阳电池充电器的MPPT与软开关综合控制方法J.太阳能学报，2010，08：988-9934 周其进，王冰.基于MC9S12的车载智能光伏充电器的设计J.计算机