一种带M的电动车太阳能充电系统设计与研究

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：ADesignandresearchonatypeofvehicle-mountedsolarchargingsystemwithMPPTHaiTao1，ZhuHao1，LiangTingxing1，LinBo2，ChenKai1(1.SchoolofElectricalEngineering,GuangxiUniversity,Nanning530004，China2.GuangXiBidiPhotoelectricTechnologyEngineeringCo.,Ltd,Nanning530031，China)Abstract:Orientedtotheapplicationofphotovoltaicpowersysteminelectricvehiclecharging,atypeofvehicle-mountedsolarchargingsystemwasdesignedfortheproblemoflongchargingtime,largefluctuationofchargingvoltageandlowspeedofmaximumpowerpointtracing(MPPT).Basedonincrementalconductance,thispaperputforwardanincrementalconductanceMPPTmethodwithmodifiedvariablestepsizethatapplicabletotheenvironmentofvehicle.ItalsoanalyzedandmodeledBoostcircuitforMPPTcontrol,BuckcircuitforchargingcontrolandPIcontroller.OnthebasisofPSIMsimulationplatform,itverifiedthefast-trackoftheMPPTmethodintroducedbythispaper,andsmalldisturbanceandhighsteadyaccuracyofthechargingsystem.ThroughchargingtestswithandwithoutMPPT,thesystemalsodemonstratedadvantagesofshortchargingtimeandhighefficiency.Keywords:MPPT；solarcharging；PIcontroller；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。蓄蓄蓄蓄-Boost蓄蓄蓄蓄蓄蓄+1#蓄蓄蓄蓄蓄蓄蓄bIbUBuck蓄蓄PIMPPTPWM2#蓄蓄蓄蓄pvIpvUsIDC-DC蓄蓄蓄图1电动车太阳能充电系统结构图Fig.1Structureofthesolarchargingsystemforelectricvehicle2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0pvpvdPdU，即0pvpvpvpvpvpvdPdIIUdUdU（1）步长的计算公式为()(1)=pvpvdPStepDtDtndU（2）式中，()Dt为t时刻的占空比，n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maxmax()(/)pvpvstepDnDtabsdPdU（3）式中，ΔD(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。采样U(t)，I(t)dU=U(t)-U(t-1);dI=dI(t)-dI(t-1)dP=U(t)I(t)-U(t-1)I(t-1)duty=n*abs(dP/dU)开始dU=0dI=0dI0D(t)=D(t-1)-stepD(t)=D(t-1)+stepD(t)=D(t-1)-step更新U(t-1)=U(t);I(t-1)=I(t)结束置Flag=1NYNNFlag=0Flag=1NN()0.06DtdI/dU-I/UYD(t)=D(t-1)+stepNNYYdU=0YY()0.06DtN置Flag=0Ndu0&&dI0D(t)=D(t-1)+step无变化YN无变化YY图2修正变步长增量电导算法流程图Fig.2Flowofincrementalconductancealgorithmwithmodifiedvariablestepsize3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。ppvspvspvhphpvRuqkTNiRuIIi-]1)[exp(（4）式中，pvu为光伏阵列的输出电压，sR为等效串联电阻，pR为等效并联电阻，phI为光伏电池的光生感应电流，为二极管理想因数（1≤≤2），Ih为二极管反向饱和电流，k为波尔兹曼常量，231.38110J/Kk，sN为串联光伏电池单元个数，q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。S和T分别为仿真环境中设置的光照强度和环境温度，sR和pR根据选用光伏电池类型而设定，mU，mI，ocU，scI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。phIDpRsRpvipvuhIPVCell.DLLmUmIUIpvupviocUscISTsRpR1set2set3set4set图3光伏电池等效电路模型图4光伏电池PSIM仿真模型Fig.3EquivalentcircuitmodelforphotovoltaiccellFig.4PSIMsimulationmodelforphotovoltaiccell3.2Boost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。pvupvustu1L1C1D2CMPPT蓄蓄蓄蓄PVCell.DLLmUmIUIpviocUscISTsRpR1set2set3set4setAsti图5Boost电路拓扑结构Fig.5TopologicalstructureforBoostcircuitBoost电路稳态分析：开关管导通后，电感1L的电压1LU等于光伏电池的输入电压pvU，即1pvLUU；开关管关断后，电感电压1-LsopvUUU。令一个MPPT周期为1T，offonttT1，ont和offt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()=0pvpvsoonoffUdtUUdt（5）因开关管一个MPPT周期很短，可以将上式改写为0)(offsopvonpvtUUtU（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DtttUUoffoffonpvso11（7）式中，D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：1112LpvsosoooffooffLUUUiiuLLCCR（8）1pvoonoonpvUiuUL（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21)1(XDXDX（10）式中，12[01]TTooffooffoonoonXiuXiuD，，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111111))(1(LUDLULULUDLULUDisosopvpvsopvo（11）221221)())(1(CiDRCUCiRCUDRCUCiDupvLsopvLsoLsopvso（12）3.3Buck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soU为后级Buck电路输入电压，eorUUU（0eU），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。soisou2L2D3CbRbC蓄蓄oiPI蓄蓄蓄蓄rUeUoU-Li图6Buck充电电路拓扑结构Fig.6TopologicalstructureforBuckchargingcircuit开环状态下Buck充电电路