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摘要 ：本文針對新能源汽車電量不足的問題提出智能光伏充電系統的設計。該充電系統基于 STM32 單片機，實時監測蓄電池剩余電壓電流狀況，當電量小于最低限度時，單片機發出指令控制充電系統啟動，光伏板將太陽能轉化為電能。通過變步長擾動觀察法實現 MPPT 模塊追蹤最大功率點，及時高效地利用太陽能為新能源汽車提供電能，增加新能源汽車的續駛里程，最大程度地實現節能減排，倡導綠色出行。

關鍵詞 ：太陽能 ；新能源汽車 ；STM32 單片機 ；最大功率追蹤

0 引言

全球環境問題面臨嚴峻挑戰，溫室效應愈發嚴重，自然災害頻發，因此優化能源結構、保障能源供給、保護生態環境已成為事關全局的重大戰略性任務。另一方面，能源的過度消耗使能源緊缺成為全人類所面臨的巨大問題，也是能源安全的核心內容。如果不改變傳統汽車的出行方式，繼續大量消耗能源，將難以持續我國的汽車行業的興起。因此利用太陽能、風力發電等清潔能源為新能源汽車供電，勢必成為未來發展的趨勢。如何開發利用新能源減少碳排放量以實現綠色出行也將成為最重要的環保話題之一。本文中提出的柔性薄膜太陽能光伏板和蓄電池組成的智能光伏充電系統與電動汽車的結合，既充分利用了新能源，又為解決中小型城市以及農村新能源汽車電量不足的突發狀況提供便利，避免不必要的風險。因此，太陽能與電動汽車的結合將會是未來發展的主流。

1 系統設計

智能光伏充電系統主要由太陽能光伏板，電量監測模塊，STM32 單片機，MPPT 模塊，蓄電池五部分組成。首先太陽能光伏板將太陽能直接轉化為清潔電能，由 STM32 單片機系統自帶電流傳感器和外加電壓傳感器實現太陽能光伏板電量情況的實時監測，當蓄電池的荷電狀態大于 90%，則不需要供電 ；當蓄電池荷電狀態小于 90%，單片機發出指令控制充電系統啟動。MPPT 模塊通過算法實現對太陽能光伏板的最大功率點追蹤。該智能光伏充電系統核心控制單元為STM32 單片機，通過 STM32的定時器來控制 MPPT 中逆變器電路的占空比，逆變器實現將交流電轉換為直流電后存儲在蓄電池中，電量充滿時自動關閉充電系統。本文所提用于新能源汽車的智能光伏充電系統設計如圖 1 所示。

2 關鍵技術實現

2.1 最大功率追蹤（MPPT）

以 STM32 芯片作為控制核心，由充電保護電路作為充放電的開關。充電狀態時，由單片機對采集的電壓電流數據處理得到驅動信號，輸出 PWM 波送至功率管用以調節占空比和逆變器的電路阻抗，從而調整太陽能光伏電池的工作點，追蹤至最大功率點處工作。本文采用一種基于功率變化的改進型變步長擾動觀察法作為 MPPT 的控制模塊，實現最大功率點的追蹤。利用MATLAB 軟件對其進行仿真，驗證該算法的有效性。該算法的工作機制是測量當前時刻電壓電流值和前一時刻電壓電流值，計算當前功率值和前一時刻功率值并比較，如果此時功率大于前一時刻功率，說明擾動方向正確，從而繼續向前擾動，否則，則反向擾動。如此往復，直至找到最大功率點為止。此方法不僅可以減弱在 MPPT 附近的震蕩，而且還具有良好的追蹤速度，簡單可控。

2.2 最大功率點追蹤仿真實現

智能光伏充電系統中最核心的問題就是如何將太陽能更高效地轉換為電能，以便為新能源汽車供給充足的電量，有效提升續航里程。智能光伏充電系統的充電效率與外界溫度和光照強度有直接關聯，下圖是根據不同溫度和光照強度在 Simulink 平臺上進行仿真的模型圖。本文利用變改進型步長擾動觀察法實現對光伏電池最大功率點追蹤，本文采用的 MPPT 控制模塊仿真模型圖如圖 2 所示。

2.2.1 不同溫度下的仿真分析

設置一天光照強度變化范圍為 800-1000w/m2, 溫度依次選取 17℃，27℃，37℃進行仿真。橫軸為時間 t/s, 縱軸為輸出功率 P/W。仿真結果如下圖 3 所示。從圖 3 中可以看出，溫度為 17℃時，功率發生快速突變，時間在 0.02 處功率上升到 0.24 附近，又繼續突變至 0.3 附近，穩定后最大功率在 0.3 處持續輸出。從圖 4 中可以看出，溫度為 27℃時，功率發生快速突變，時間在 0.03 處功率上升到 0.26 附近，又繼續突變至 0.33 附近，穩定后最大功率在 0.33 處持續輸出。從圖 5 中可以看出，溫度為 37℃時，功率發生快速突變，時間在 0.035 處功率上升到 0.28附近，又繼續突變至 0.34 附近，穩定后最大功率在 0.34 處持續輸出。通過對比 17℃、27℃、3℃的仿真結果分析可知，追蹤最大功率點都要經過迅速突變。在光照強度一定的情況下，隨著溫度的升高，追蹤到最大功率點的速度有所減緩，但追蹤到的最大功率點不斷升高。

2.2.2 不同光照強度下的仿真分析

設置溫度為 27℃ , 光照強度的范 圍 依 次 選 取 600-800w/m2，800-100w/m2，1000-1200w/m2進行仿真。仿真結果如下圖 6 所示。從圖 6 中可以看出，光照強度為  600-800w/m2時，發生迅速突變后，時間在0.03處功率上升到0.16，又繼續突變至 0.26 附近，最大功率以較小波動輸出。從圖 7 中可以看出，光照強度為  800-1000w/m2時，發生迅速突變后，時間在 0.04 處功率上升到 0.26，又繼續突變至0.32 附近，最大功率以小波動輸出。從圖 8 中可以看出，光照強度為  1000-1200w/m2時，發生迅速突變后，時間在 0.03 處功率上升到 0.32，又繼續突變至 0.36 附近，最大功率以較大波動輸出。通 過 對 比 600-800w/m2，800-100w/m2，1000-1200w/m2的仿真結果分析可知，發生迅速突變的有所加速。在溫度一定的情況下，隨著光照強度的增加，追蹤到的最大功率輸出點大幅度增加，但輸出的波動強度也隨之增加。通過對改進型擾動觀察法仿真分析，有效驗證了該算法對追蹤最大功率點的有效性和對提高新能源汽車充電效率的實用性。

3 小結

本文的研究內容是將光伏發電系統與電動汽車相結合，取代傳統電力汽車或混合動力汽車，更大程度利用太陽能實現節能減排。研究的主要問題是提高光伏發電將太陽能轉換成電能的轉換效率，節省電動汽車的耗電量。完成了智能光伏充電系統總體設計，選用改進型變步長擾動觀察法實現最大功率追蹤技術（MPPT），該算法可以靈活準確地追蹤最大功率點，降低光伏充電損耗，提高轉換效率。新能源汽車可以稱作真正的“零排放”交通工具，近年來光伏產業發展迅速，隨著太陽能充電系統技術的不斷改進，車載智能光伏充電系統的實現指日可待。

作者：楊宇宇 何寧業 單位：黃山學院信息工程學院