《太阳能光伏充电桩问题研究7400字》

太阳能光伏充电桩设计报告目录TOC\o"1-3"\h\u181341引言 158242太阳能光伏充电桩系统的整体设计 1150142.1太阳能光伏充电桩整体设计方案 1306452.2光伏电池的选择 3233512.3光伏阵列的容量设计与选择 3250452.4车载电池及充电策略的选择 4304602.4.1车载电池的选择 4182232.4.2电池的充电方式 4183213太阳能光伏充电桩系统的电气设计 6214183.1光伏发电部分的设计 699973.1.1DC/DC变换器 6101283.1.2MOSFET驱动电路 8207283.2整流电路 9171763.3充电电路 1051473.3.1全桥变换器 1050183.3.2驱动电路 11172673.4采样电路 11222963.4.1电压采样电路 11266363.4.2电流采样电路 12289804太阳能光伏充电桩系统的程序设计 126744.1MPPT程序 13258164.2充电程序 1425382结束语 153491参考文献 17

摘要太阳能光伏充电桩的主要的工作原理是利用光伏阵列产生的电能代替电网输送的电能为充电桩供电，可以高效快速的为电动汽车充电。当阴雨天光伏阵列不发电不能正常满足负载需求时，充电桩直流母线经过整流器从电网获得电能正常向负载供电。设计出太阳能光伏充电桩系统的整体并确定实施方案，对太阳能光伏充电桩的各个模块进行单独设计，对光伏电池类型进行分析、比较，挑选适合的光伏电池，设计并建造符合要求的光伏阵列。关键词：太阳能光伏充电桩；Boost变换器；电路设计1引言电力行业的蓬勃发展促进一批新事物的产生，其中电动汽车的研发就是一个重要的项目。随着全球自然环境的迅速恶化以及我们国家政策大力提倡保护环境绿色出行，无污染纯绿色出行的电动车开始走进千家万户，获得越来越多的用户认可。电动汽车的出现从源头上解决了尾气的产生，二氧化碳的减少使得空气污染得到有效的控制。虽然汽车产生的有害气体得到控制，但是从源头来看并没有彻底解决有害气体产生的问题。因为目前为电动汽车提供能源的设备主要依靠的是电网，而我国电网所得的电基本来源于火力发电厂，过多的充电桩不仅会增加电网的压力迫使火力发电厂产生更多的二氧化碳，而且还会产生谐波等因素，间接降低了电网的电能质量，所以这并没有从源头上解决问题。想要从源头解决问题一是解决发电厂的发电形式，利用可再生无污染的能源进行发电，二是改变充电桩获取电能的方法，直接利用可再生能源给充电桩充电[1]。从实现方式和现有科技来看，第二种改变充电桩获取电能的方法，建设可再生能源充电桩是相对简单且容易推广的，结合每个地区都有并且丰富的可再生能源，因此提出了太阳能充电桩系统的建设。现在技术对太阳能的开发利用率比较高的有三种：一是光热发电，二是光化学转化，三是光伏发电。其中光热发电效率最高、成本低、安装方便，但热能的缺点是不易极大地限制光热开发的发展前景。没有使用光化学转换的好方法。太阳能发电是通过太阳能发电将太阳光转化为电能的发展模式。太阳能充电桩的研发就是利用太阳光直接充电，解决空气污染问题。2太阳能光伏充电桩系统的整体设计2.1太阳能光伏充电桩整体设计方案太阳能光伏充电系统由以下几个部分构成：图2-1显示了太阳能发电系统、DC/DC变频器、直流母线、AC/DC变频器、控制器和充电线路。发电部分主要由光伏机组串并联组成的太阳能电池阵列组成，由直流母线通过DC/DC变频器供电，通过光伏铺设是主要的负载电源。充电桩系统采用两个单相DC/DC变换器将直流母线连接到光伏阵列和充电桩主体上。由于外部环境的影响，充电桩系统可能需要来自电网的电能，控制器的主要功能是实时采集各个模块的电气信息，并随时控制各个模块之间的能量流动，达到最佳状态。图2-1光伏充电桩系统太阳能光伏充电桩的大量普及可以有效的缓解电网的压力，为了保护环境，节约成本，如图2-2充电控制流程图所示，当电动汽车与太阳能管连接时，系统会自动检测光伏阵列是否正常运行，并自动检测输出值是否满足充电要求测量表明，当满足充电要求时，充电管的光伏阵列将输出送至直流母线，经电压转换后为电动汽车充电。当光伏阵列不能正常工作或输出值不能满足充电条件时，这时充电桩的直流母线需要电网提供的电能经变压后对电动汽车进行充电。假如以上条件都不满足或者满足其中一个但不能充电时，说明充电桩需要进行维修，这时充电桩的报警系统会发出报警信号，请求人工处理排除故障[2]。图2-2光伏充电桩系统充电流程图2.2光伏电池的选择光伏阵列在光伏发电中是发电的关键器件，光伏电池又是组成光伏阵列的核心部位。其基本原理是光伏板接受太阳的照射后其内部的P-N产生游离的电子发生导电现象，从而进行发电[3]。光伏电池的原理如下图2-3所示：图2-3光伏电池的原理图非晶体硅电池和晶体硅电池是目前光伏发电上应用广泛的两种光电转换器件。在晶体硅电池的应用中，单晶硅电池应用技术相对于多晶硅电池比较成熟，在转化效率方面也有较大区别。其中单晶硅的工业利用效率不仅可以达到百分之二十，而且单晶硅的自然使用寿命更是高达二十年以上。但是单晶硅电池的成本太高，使整个太阳能光伏板的造价大幅提高，从而限制了单晶硅电池的应用和市场前景。另一种多晶硅材料电池，是由特殊材质构成的晶硅电池，由于制造工艺的简单，所以它的价格远远低于单晶硅，但其效率几乎与单晶硅相当，达到20%以上。因此，多晶硅在制造光伏电池方面具有相当的优势，因此得到了广泛的研究和应用。非晶体硅电池的成本相对较低，但非晶体硅电池的转换效率相对较低，使用价值不高，利用率不高。由于多晶硅电池的造价比单晶硅电池要便宜的多，有利于光伏充电桩大范围的制造建设，经过比较选用了多晶硅电池制造的光伏板。2.3光伏阵列的容量设计与选择光伏阵列的容量在实际的生活中应和充电桩所带负载一天内消耗电能的总量相对应，例如一个停车场一天想要实现上百台电动汽车的充电，耗电约几百千瓦时，需要几百千瓦容量的光伏阵列。太阳能充电桩系统必须在实际条件允许的情况下进行设计，充电桩母线电压设定为400V，光伏板在标准条件下（S=1000W/m2，T=25℃）单块输出为250W，光伏板的主要参数如下：表2-1光伏板的主要参数电气特性规格单块光伏板的额定输出功率250W开路电压38V短路电流8.79A工作电压30V工作电流8.27A尺寸1640*992*40mm重量18.6kg由于一块光伏板的开路电压比较低达不到设计要求，为此我们设计将6块进行串联，串联后开路电压为228V，可以达到我们的设计要求。为了使得光伏阵列的转化效率达到最大，这时选择合适的安装角度很重要，光伏阵列安装合适角度能够接收到更多的阳光可以得到更大的利用[4]。考虑到各区域地形复杂，安装成本高，采用最方便、最简单的定角设置方法，并考虑到当地日照（东京、北纬、海拔）。2.4车载电池及充电策略的选择2.4.1车载电池的选择现在市场上的电动汽车采用的电池各种各样，其中三元锂电池、镍氢电池、磷酸铁锂电池和氢燃料电池是电动汽车最常见的选择。进一步深入的调研过程中，发现磷酸铁锂电池是目前电动汽车使用最多的蓄电池，也有少量使用三元锂电池的。作为本次设计参考的电动汽车的基本参数在前文中已经列出，所使用车载电池是磷酸铁锂电池，其标准是60V、120AH。2.4.2电池的充电方式适合的充电方式对蓄电池自然使用寿命和损耗情况有直接的影响，目前的充电方式有静电充电、定压充电、脉冲充电等，定压充电前的静电电流等。2.4.2.1恒流充电恒流充电就是以恒定不变的电流对蓄电池进行充电，恒流充电时其电压大小和电流大小的曲线如图2-4所示。恒定电流充电方式的充电电压随时间的增加在逐渐变大，而一般比较简陋的充电设备是无法自动调节充电电压的大小，如果让充电电压持续增大会造成蓄电池内的电解现象非常严重，过渡的电解会导致极板上的反应物脱落，缩短电池的使用寿命。若为了缓解电解现象一开始就减小充电电压，持续低的充电电压会使充电时间延长，达不到快速充电的要求。所以恒流充电的充电方法很少采用。图2-4恒流充电2.4.2.2恒压充电恒压充电是用一定的电压给蓄电池充电。图2-5显示了用恒压充电时的电流和电压曲线。充电开始时，蓄电池两侧的电流大于电压，在中后期，电池两侧的电流随着时间的推移而变化，采用定压充电方法可以避免后期低电压引起的充电效率低、充电电流大的问题。但是，在充电开始时，初始充电和充电电流会损坏电池的机械结构，导致反应物从水源中释放，降低电池寿命。充电开始时，当充电时间增加，电流太小，充电后期电池不能达到完全状态时，可选择减小充电电流，并不断降低充电电流[5]。图2-5恒压充电2.4.2.3脉冲充电脉冲充电是利用约束电压代替一定电压充电。脉冲充电一般如图2-6所示。连续负脉冲可以大大减小电池充电时的极化现象。对电池特性的分析表明，电流密度反而增大，如果电池停止充电，电流密度会消失，极化现象也会减小，从而在电池上提供短负脉冲，充电时迅速去除表面气泡，充电时，电池极化降低，电池使用寿命提高[6]。图2-6脉冲充电2.4.2.4先恒流后恒压先恒流后恒压的充电方式也可以叫二段法。经过分析我们知道恒流充电在充电前期的充电效率高、对蓄电池的损坏低，但是到后期的充电效率低、对蓄电池的损坏高。而恒压充电与恒流充电的特性恰恰相反，恒压充电后期的充电效率比前期高、对蓄电池的损坏也低。我们采用前期使用恒流充电而后期改用恒压充电的充电方式，这种充电方法既可以保证充电的时间又不会对蓄电池产生不可逆的损伤。虽然这种充电方式仍存在一些蓄电池电量充不满的问题，但影响不大。充电时电流大小和电压大小的关系如图2-7所示：图2-7先恒流后恒压充电3太阳能光伏充电桩系统的电气设计3.1光伏发电部分的设计3.1.1DC/DC变换器DC/DC转换器的主要功能是将固定的DC值转换为可调的DC值或我们需要的另一个DC值。连接六个250W光伏面板，并在约180V左右测量其工作电压，为了使太阳能光伏板输出的电压值达到充电桩直流母线的电压值（400V），我们需使用升压斩波电路(Boost)来达到母线的电压值。升压斩波电路是我们经常用来直接增加DC电压的电路。如图3-1所示：图3-1Boost原理图升压电路的工作原理如下：当打开电源开关时，电感L充电，二极管处于反向截止状态，并且负载R和电容器C当前并联，当关闭电源开关时，由于电感器L中的电流不会突然变化，因此二极管处于导通状态，并且电感器L和电源同时为电容器充电，从而实现了升压。实际上电感Ｌ能量传递的过程就是Boost电路中开关管的导通和关断，电感Ｌ释放的能量和存储的能量是相等的[7]。根据公式：（3-1）可推导出：（3-2）假设，则上式变为：（3-3）可得D的值。（1）电感20kHz开关电路的开关频率，电感转换系数为100%，Boost电路处于工作状态，当在最大工作点Pmax=1.5kW，E=400V时，输出处的最大负载流为：（3-4）若选取波纹率为20%时：（3-5）代入公式得出：（3-6）经上面的公式计算：（3-7）由于要考虑实验和后续电路的更改，所以选择800μH的电感。（2）电容C在Boost电路中滤波电容可以稳定母线电压、保证输出端电压大小，所以它的作用尤为重要。在本设计中滤波电容的波纹大小应该是母线电压的1%左右，那么可以得到以下数据：（3-8）（3-9）（3-10）由于要考虑后续电路的更改，所以选择30μF的电容，最大承受电压为400V。（3）功率开关管在DC/DC转换电源电路中，电源开关管有IGBT和MOSFET两种电源开关管。由于通常在交流电压超过600V的条件下使用IGBT，因此本设计选择MOSFET电源开关。MOSFET功率开关管可以接受的较大输出电压为400V，输入工作电压大约有10%的波动，所以取工作电压的80%为额定值，计算其最大电压和电流：（3-11）（3-12）MOSFET的选择也应考虑后续电路的更改，选择的型号为KIA4750S。（4）二极管MOSFET功率开关管可以接受的较大输出电压为400V最大电流10A。因为要留取余量所以根据电压、电流的大小选取二级管（IN4007）。3.1.2MOSFET驱动电路驱动电路原理图如图3-2所示。驱动电路由光耦合器隔开。光耦合器打开时，Q3关闭。当Q1和Q2接通时，开关接通。光耦合器关闭时，Q3连接，开关关闭。二极管D1和D2，电容器C1及其晶体管Q2可以提高功率开关的速度和高效率[8]。图3-2驱动电路3.2整流电路图3-3VIENNA整流器VIENNA整流器可以在一定程度上调节母线电压的稳定性。整流器出口动态电压良好。即使没有控制开关的PWM信号，二极管也能使电路输出稳定的直流电压。VIENNA整流器确保单向流动的能量，但VIENNA整流器是非常有效的。使用以下公式计算数值。（1）交流侧的电感电感不但能增加阻尼，还有滤波的功能。电感大小和型号的选择可以直接影响到整体的设计效果。根据输入电压为220V、输出电压为400V、效率为95%、电网频率为50Hz、电网的波动率（一般电网的波动率在20%）。代入以下公式可以得到：（3-13）因为要考虑实验的盈余和后续电路的更改，所以选取900μH的电感。（2）直流母线的电容考虑到整流器的作用其应满足:（3-14）当输入变化时，要满足：（3-15）因为要考虑后续电路的更改，并且电容必须满足上面计算的数值，所以选用为4700μF，最大电压为400V的。3.3充电电路3.3.1全桥变换器图3-4全桥变换器的原理图整个设计参数：输入400V输入电压，62V输出电压，22A输出电流，21kHz开关频率和接通整流二极管时的1.5V压降。（1）变比高频变压器的变比要按最低输入电压选择，因为只有这样选择才能够在规定的电压输入范围内输出所需要的电压。（3-16）K=3.25经过计算变比为3.25。（2）谐振电感谐振电感是实现零电压开关的条件，所以选择电感量大一点的：（3-17）电容（3-18）电容（3-19）经过以上公式的计算，用EE50型号的的变压器。功率开关管、整流二极管、输出滤波电容分别选择：SPP20N60C型，MUR3020PT型，100μF、400V电容。3.3.2驱动电路变换器中有四个开关管，一般当启动电压小于栅极和源极的电压时，开关管就处于开启状态。控制和功率转换电路需要隔离，全桥变换器可以实现隔离，保证设备的安全。驱动电路如图3-5所示。图3-5驱动电路3.4采样电路3.4.1电压采样电路（1）需要获取并分析光伏单元部分的电压，此处选择电压采样电路。电压经电阻分压后，高压信号按照一定比例转换为控制芯片可以接收的电压。AD620放大后，将其连接到控制芯片的A/D端口。示意图如图3-6所示：图3-6光伏电池电压检测（2）储能电池电压检测图如图3-7所示：图3-7蓄电池电压检测3.4.2电流采样电路在电流采样电路中，电流信号必须转换为电压信号，电压信号必须转换为控制芯片接收到的电压。根据我们自己的实验要求，用电阻来检测电流，工作原理是增加电阻电流测量信号，也就是说，由于电阻的电阻很小，所以被测电流也很小，所以如图3-8所示，小电压信号必须扩展到更大的电压通过AD620。图3-8电流采样电路原理图4太阳能光伏充电桩系统的程序设计4.1MPPT程序根据后面太阳能电池的模拟仿真结果曲线可以看出，功率不是一成不变的，整个曲线呈现抛物线型，这个时候一定存在一个最大的功率。我们可以根据这一特性调整光伏电池的工作状态，使其一直工作在最大功率范围内，提高一天的发电总量。跟踪调整光伏电池的工作状态的过程就是最大功率点跟踪(MaximumPowerPointTracking)，也叫MPPT。最大功率点跟踪所使用的方法有以下几种。（1）恒电压控制法：有结构简单、造价便宜的优点。但是这种方法在外部环境发生突然变化时，例如在白天温差特别大的地方是不能准确跟踪调整最大功率点。因此恒电压控制法用在控制要求不精确以及预算不高的系统中。（2）扰动观察法：在一个范围内对光伏电池的工作电压设定一个很小的数值，减去或者加上这个数值记录下两次不同的功率和，在比较这两次电压下发出的功率值，作为调整工作状态的依据，假如<，则继续在这个方向加上一个设定的数值，反复多次。若>，则往相反的方向减去一个设定的数值，反复多次，一直调整到光伏电池的工作状态达到最佳状态。（3）其他的智能MPPT还有很多，比如模糊逻辑控制等，但是这些运行太复杂，技术还不是很成熟。经过比较，最后选择了扰动观察法。当系统测量到光伏电池某一时刻的电压值U(k)和电流值I(k)时，把检测到的U/(k)与U(k-l)做差得到U0，当得到的U0是零时，说明两次电压值相等，这时光伏阵列工作在功率峰值附近其效率最高，程序结束。如果U0不是0，则可以通过I（k）*U（k）获得P（k）和P（k-1）。如果输出P（k）和P（k-1）不同，则输出差P0。此时，当功率差P0和电压差U0大于0时，光伏阵列将作用在功率峰值左侧，当功率差大于0且电压差大于0时，光伏阵列将作用在功率峰值附近，小于0的PVP1在功率峰值右侧运行，并移动到靠近功率峰值的位置。当电压差小于0时，功率差大于0，光伏阵列作用在功率峰值右侧。当电压差大于0时，光伏阵列在U0附近移动意味着光伏阵列远离功率峰值值并移动功率峰值值。当U0小于0时，力差P0大于0，PV阵列将作用在功率峰值左侧，远离功率峰值。假设一个变扰动步长改变值为，当功率点向靠近功率峰值的位置移动时减去一个，当功率点向远离功率峰值的位置移动时加上一个。程序在经过多次运行之后，最终可以使光伏阵列工作在功率峰值附近。4.2充电程序充电桩的充电系统使用了先恒流再恒压的充电方式。先以不变的电流充电，当蓄电池的压值达到一定程度后，再改用恒压充电，充电后期电流减小到一定程度时说明蓄电池达到充满状态，这时中断充电。充电桩首先对接入充电桩的负载进行电压和电流的检验并作出正确的判断，只有满足充