太陽能賽車跟蹤器設計管理論文

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摘要：峰值功率跟蹤器(MPPT)的功能是提高太陽能電池的輸出功率，使太陽能發電系統工作在最大輸出功率點。介紹了用于清華大學“追日號”太陽能電動賽車的MPPT的基本組成和控制策略。該MPPT采用BuckDC／DC轉換器，將Philips公司的80C552微處理器作為MPPT的中央控制單元(ECU)，應用窮舉法和成功失敗法兩種直接優化方法對太陽能電池陣列最大功率點實現跟蹤。

關鍵詞：太陽能電池太陽能車MPPT

太陽能賽車是利用太陽能電池發電驅動的電動車。太陽能電動賽車的電器系統基本結構如圖1所示。

MPPT(MaximumPowerPointTracker)即峰值功率跟蹤器，是太陽能電池發電系統中的重要部件。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。當工作環境變化時，特別是日光照度和環境溫度變化時，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[1]。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。

在太陽能發電系統中沒有采用MPPT，而是直接把太陽能電池陣列與蓄電池并聯工作時，由于陣列的輸出狀態受到電池、電機工作狀態的限制，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、太陽能發電系統、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％[2]。

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要實現太陽能電池工作電壓到蓄電池電壓的轉換，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)將隨工作環境的變化而時刻變動著，MPPT必須隨時監測陣列輸出狀態的變化，根據智能的控制策略判斷最大功率點的位置，調整陣列的工作電壓跟蹤最大功率點電壓，由此實現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。

1．1MPPT的硬件設計

MPPT的硬件包括MPPT主回路、微處理器、信號調理電路、PWM驅動電路、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BuckDC／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BuckDC／DC轉換器的降壓比在0．6～1．0之間。在這個降壓比范圍內，MPPT的轉換效率在86％～99％之間。

由于采用了BuckDC／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BuckDC／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/(2×4mH×13kHz)(1-0.7)≈0.35A

當電流I>0．35A、占空比D>0．7時，在場效應管開關的一個周期內，電感的電流是連續的，則BuckDC／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整PWM的占空比D來調整BuckDC／DC轉換器的降壓比，以達到調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MPPT的控制。而且微處理器可以通過RS232接口與PC機連接，實現MPPT和PC機之間信息的交換。

在信號調理電路部分，設計了線性光耦電路來實現信號的隔離與放大，以保證微處理器部分免受干擾。

1．2MPPT的軟件設計

MPPT的軟件采用模塊化結構，包括初始化、采樣、窮舉法跟蹤、成功失敗法跟蹤、PWM輸出、串口通訊等模塊。系統程序流程圖如圖4所示。

MPPT最大功率點的跟蹤程序分為窮舉法和成功失敗法兩種，MPPT依據太陽能車不同的運行情況，分別調用這兩種最大功率點跟蹤程序，以實現MPPT的功能。

2MPPT最大功率點跟蹤策略

由于光電轉換過程的物理方程難以在實際應用中準確獲取參數，同時太陽能電池陣列的工作條件是不斷變化著的，因而太陽能電池陣列的輸出特性方程在太陽能車的應用中成為一個存在極大值的約束不確定方程。因此MPPT的最優化問題采用直接搜索法求取。

MPPT的跟蹤策略為：首先，在啟動或重啟的時候采用窮舉方法進行全局尋優，找到當前最大功率點；然后，在以后的工作過程中采用成功失敗法動態跟蹤最大功率點。窮舉方法，即在D=[0，1]范圍內以一定步長搜索獲得最大功率的Dmax，則可認為與最大功率點相對應的最優占空比D在Dmax附近。Dmax將作為成功失敗法的起點。窮舉法的目的是在全局范圍內迅速找到最大功率點，窮舉法應用于太陽能車啟動和系統重啟這兩個系統對最大功率點完全未知的情況。其中包括太陽能車進入陰影、電池陣列被遮擋等光照情況發生較大變化以及司機人為重新啟動系統等情況。

成功失敗法的基本思想是每一次搜索都改變步長，若第k次搜索中沿某一方向搜索成功，則陣列輸出功率增大，那么第k+1次則仍沿這一方向搜索，并可擴大步長；若第k次搜索失敗，則第k+1次應沿反方向搜索，并縮小步長[4]。在窮舉法找到全局最優的基礎上，成功失敗法的步長將可以設為較小值，有利于盡快找到最大功率點。

3MPPT的試驗研究

為驗證MPPT的工作效果，采用LabVIEW軟件并結合PC-1216-K3信號采集板搭建的測量系統，檢測“追日號”太陽能車發電系統在加入MPPT之前與加入MPPT之后系統各環節的電壓、電流值，并計算出相應的功率。通過這些數據曲線便可以看出MPPT對太陽能發電系統性能的改善。

“追日號”太陽能車發電系統在沒有MPPT情況下的輸出電壓、功率曲線如圖5所示。

可以看到，陣列的平均輸出功率約為125W，工作電壓約為117V。在加入了MPPT之后，太陽能電池陣列的發電輸出功率有了明顯的提高，其輸出曲線如圖6所示。

由圖6可以看出，太陽能電池的輸出功率約為170W，有了明顯的提高。單從太陽能電池陣列的角度來看，其發電功率提高了約40W，增幅約為36％。但是從太陽能電池發電系統的構成來看，在系統中增加了MPPT，其本身也要消耗一部分功率。經過MPPT后的輸出功率才是真正有效的功率，其輸出曲線如圖7所示。

圖6、圖7中前76個數據點是窮舉法全局尋優的過程，在找出全局最大功率點后，采用成功失敗法跟蹤最大功率點。可見，最大功率點的跟蹤過程是動態的。平均來看，窮舉法與成功失敗法得到的最大功率點有一微小差距，但是總體來看，成功失敗法獲得的最優值始終接近最大功率點。雖然窮舉法在最初的尋優過程不在最大功率點附近，但是整個窮舉法尋優過程只有3．8s，而且很快達到最大功率點附近，因此窮舉法的最初尋優過程對陣列輸出功率造成的損失是有限的。總體來看，太陽能電池陣列通過MPPT的平均輸出功率約為145W，陣列工作電壓維持在132V左右。值得注意的是，MPPT在工作過程中的轉換效率沒有達到理想的99％，其原因有：在MPPT的工作過程中，成功失敗法一直處于尋優過程，MPPT也一直處于動態的調整過程中；在成功失敗法尋優過程中，有時會調整MPPT進入轉換效率相對較低的工作區域。這也說明控制策略是MPFF的重要組成部分，控制策略能夠影響MPPT的工作效果。要想進一步提高MPPT系統的轉換效率，需要對整個尋優算法及控制過程進行優化。

由圖5可以看出，沒有MPPT的太陽能電池發電系統的平均輸出功率約為125W，這個功率明顯低于MPFF的輸出功率：145W(最大功率點)。這與蓄電池電壓只有117V左右有關系，因為蓄電池電壓過低，使太陽能電池陣列工作電壓遠離最大功率點電壓。

對比兩個試驗，MPPT使太陽能發電系統的輸出功率增加了20W，增幅為16％，MPPT實現了跟蹤最大功率的功能。MPPT的應用效果是比較顯著的，這也說明了MPPT在太陽能電池發電系統中起著重要作用。當然作者所做的工作與國外的先進水平相比還有一定差距，還有許多地方需要改進與優化。

通過在太陽能電動賽車上使用MPPT，并嘗試不同的控制算法，使得太陽能電池發電系統的輸出功率提高了約16％，太附能賽車的行駛性能得到了改善。太陽能電池MPPT的應用不僅局限于太陽能賽車，還可以更廣泛地應用于其它太陽能發電系統，有效地提高太陽能發電系統的輸出功率。當然，MPPT在太陽能發電系統中所起作用的大小不僅與控制算法有關，還與主回路的工作效率有很大的關系，如果主回路的變換效率不高，再好的控制算法也不能有效地提高太陽能發電系統的輸出功率。