《太陽能光伏充電樁設計7500字（論文）》

一、引言電力行業(yè)的蓬勃發(fā)展促進一批新事物的產生，其中電動汽車的研發(fā)就是一個重要的項目。隨著全球自然環(huán)境的迅速惡化以及我們國家政策大力提倡保護環(huán)境綠色出行，無污染純綠色出行的電動車開始走進千家萬戶，獲得越來越多的用戶認可。電動汽車的出現從源頭上解決了尾氣的產生，二氧化碳的減少使得空氣污染得到有效的控制。雖然汽車產生的有害氣體得到控制，但是從源頭來看并沒有徹底解決有害氣體產生的問題。因為目前為電動汽車提供能源的設備主要依靠的是電網，而我國電網所得的電基本來源于火力發(fā)電廠，過多的充電樁不僅會增加電網的壓力迫使火力發(fā)電廠產生更多的二氧化碳，而且還會產生諧波等因素，間接降低了電網的電能質量，所以這并沒有從源頭上解決問題。想要從源頭解決問題一是解決發(fā)電廠的發(fā)電形式，利用可再生無污染的能源進行發(fā)電，二是改變充電樁獲取電能的方法，直接利用可再生能源給充電樁充電。從實現方式和現有科技來看，第二種改變充電樁獲取電能的方法，建設可再生能源充電樁是相對簡單且容易推廣的，結合每個地區(qū)都有并且豐富的可再生能源，因此提出了太陽能充電樁系統的建設。現在技術對太陽能的開發(fā)利用率比較高的有三種：一是光熱發(fā)電方式、二是光化學轉換方式、三是光伏發(fā)電方式。其中光熱發(fā)電效率最高而且其成本低具有安裝方便快捷的優(yōu)點，但是熱能不便于傳輸的缺點極大的限制了光熱發(fā)電的發(fā)展前景。對于光化學轉換人類還沒有很好的利用方式。光伏發(fā)電是根據光生伏打效應的原理通過光伏半導體將太陽能轉化為電能的一種發(fā)電形式。研究開發(fā)太陽能充電樁，是為了直接利用太陽能發(fā)電給電動汽車充電，從跟本上解決大氣污染的問題。二、太陽能光伏充電樁系統的整體設計（一）太陽能光伏充電樁整體設計方案太陽能光伏充電系統由以下幾個部分構成：光伏發(fā)電系統部分、DC/DC變換器部分、直流母線部分、AC/DC變換器部分、控制器部分和充電樁部分，如圖2-1所示。發(fā)電部分主要是由光伏電池串并聯組成的光伏陣列進行發(fā)電，在經過DC/DC變換器升壓給直流母線供電，光伏陣列是給負載供電的主要電能來源。充電樁系統使用兩個單相的DC/DC變換器實現直流母線與光伏陣列和充電樁主體的連接。由于外部環(huán)境的影響充電樁系統有時還需要電網提供電能，因此需要一個AC/DC變換器和電網進行連接?？刂破鞯闹饕δ苁菍崟r采集各個模塊的的電氣信息，隨時控制各模塊之間的能量流動，使之達到最佳狀態(tài)。圖2-1光伏充電樁系統太陽能光伏充電樁的大量普及可以有效的緩解電網的壓力，從而保護環(huán)境節(jié)約成本。如圖2-2所示是充電控制的流程圖，電動汽車連接光伏充電樁時，系統會自動檢測光伏陣列是否正常工作、輸出的功率值能否達到充電要求，如果滿足充電要求充電樁的光伏陣列開始向直流母線輸送電能經變壓后對電動汽車進行充電，若光伏陣列不可以正常工作或者功率值不能達到充電要求時，這時充電樁的直流母線需要電網提供的電能經變壓后對電動汽車進行充電。假如以上條件都不滿足或者滿足其中一個但不能充電時，說明充電樁需要進行維修，這時充電樁的報警系統會發(fā)出報警信號，請求人工處理排除故障。圖2-2光伏充電樁系統充電流程圖（二）光伏電池的選擇光伏陣列在光伏發(fā)電中是發(fā)電的關鍵器件，光伏電池又是組成光伏陣列的核心部位。其基本原理是光伏板接受太陽的照射后其內部的P-N產生游離的電子發(fā)生導電現象，從而進行發(fā)電。光伏電池的原理如下圖2-3所示：圖2-3光伏電池的原理圖非晶體硅電池和晶體硅電池是目前光伏發(fā)電上應用廣泛的兩種光電轉換器件。在晶體硅電池的應用中，單晶硅電池應用技術相對于多晶硅電池比較成熟，在轉化效率方面也有較大區(qū)別。其中單晶硅的工業(yè)利用效率不僅可以達到百分之二十，而且單晶硅的自然使用壽命更是高達二十年以上。但是單晶硅電池的成本太高，使整個太陽能光伏板的造價大幅提高，從而限制了單晶硅電池的應用和市場前景。另一種多晶硅材料電池，是由特殊材質構成的晶硅電池，由于制造工藝的簡單，所以它的價格遠遠低于單晶硅，但是它在工業(yè)效率方面卻和單晶硅相差無幾，也可以達到百分之二十以上，因此多晶硅在光伏電池制造上占有相當大的優(yōu)勢，使得多晶硅電池得到廣泛的研究和使用。非晶體硅電池雖然成本也比較低，但是非晶體硅電池的轉換效率相對也比較低，利用價值不高所以使用率不是特別高。由于多晶硅電池的造價比單晶硅電池要便宜的多，有利于光伏充電樁大范圍的制造建設，經過比較選用了多晶硅電池制造的光伏板。（三）光伏陣列的容量設計與選擇光伏陣列的容量在實際的生活中應和充電樁所帶負載一天內消耗電能的總量相對應，例如一個停車場一天想要實現上百臺電動汽車的充電，所消耗的電能大概在上百千瓦時，就需要上百千瓦時裝機容量的光伏陣列。太陽能光伏充電樁系統應該在實際條件允許的情況下設計的。充電樁母線的電壓設定為400V，光伏板在標準條件下（S=1000W/m2,T=25℃）單塊輸出為250W，光伏板的主要參數如下：表2-1光伏板的主要參數電氣特性規(guī)格單塊光伏板的額定輸出功率250W開路電壓38V短路電流8.79A工作電壓30V工作電流8.27A尺寸1640*992*40mm重量18.6kg由于一塊光伏板的開路電壓比較低達不到設計要求，為此我們設計將6塊進行串聯，串聯后開路電壓為228V，可以達到我們的設計要求。為了使得光伏陣列的轉化效率達到最大，這時選擇合適的安裝角度很重要，光伏陣列安裝合適角度能夠接收到更多的陽光可以得到更大的利用。由于要考慮到每個地區(qū)地形的復雜性和安裝成本等問題，所以采用最方便簡單的固定角度安裝方式，應根據當地日照（東經、北緯、海拔）的實際情況，設置安裝角度。（四）車載電池及充電策略的選擇1.車載電池的選擇現在市場上的電動汽車采用的電池各種各樣，其中三元鋰電池、鎳氫電池、磷酸鐵鋰電池和氫燃料電池是電動汽車最常見的選擇。進一步深入的調研過程中，發(fā)現磷酸鐵鋰電池是目前電動汽車使用最多的蓄電池，也有少量使用三元鋰電池的。作為本次設計參考的電動汽車的基本參數在前文中已經列出，所使用車載電池是磷酸鐵鋰電池，其標準是60V、120AH。2.電池的充電方式適合的充電方式對蓄電池自然使用壽命和損耗情況有直接的影響，所以選擇充電方式很重要。目前充電方式主要有：恒流充電的方式、恒壓充電的方式、脈沖充電的方式、先恒流后恒壓的方式等。（1）恒流充電恒流充電就是以恒定不變的電流對蓄電池進行充電，恒流充電時其電壓大小和電流大小的曲線如圖2-4所示。恒定電流充電方式的充電電壓隨時間的增加在逐漸變大，而一般比較簡陋的充電設備是無法自動調節(jié)充電電壓的大小，如果讓充電電壓持續(xù)增大會造成蓄電池內的電解現象非常嚴重，過渡的電解會導致極板上的反應物脫落，縮短電池的使用壽命。若為了緩解電解現象一開始就減小充電電壓，持續(xù)低的充電電壓會使充電時間延長，達不到快速充電的要求。所以恒流充電的充電方法很少采用。圖2-4恒流充電（2）恒壓充電恒壓充電就是以恒定不變的電壓對蓄電池充電，恒壓充電時電流大小和電壓大小的曲線如圖2-5所示。充電起始階段蓄電池兩端的電流要比電壓大的多，而到了中后期蓄電池兩端的電流會隨時間的增加迅速減小。雖然恒壓充電的方式回避了后期低電壓造成的充電效率低以及后面充電電流大的問題，但是在充電開始階段，前期過大的充電電流會損傷蓄電池的機械結構，也會導致活性反應物的脫落，減少蓄電池的自然壽命。如若在充電前期就選擇降低充電時電流，那持續(xù)低的充電電流會使充電時間增加，并且到充電后期過小的電流會使蓄電池無法達到充滿狀態(tài)。圖2-5恒壓充電（3）脈沖充電脈沖充電就是用斷續(xù)的電壓代替恒定的電壓對蓄電池充電。脈沖充電一般在正脈沖后面接上一段負脈沖如圖2-6，這樣可以極大的減弱充電時蓄電池內部的極化現象。從蓄電池的特性分析我們可以得知，電流密度的變大會使蓄電池內部的極化現象增強，相反當停止對蓄電池的充電時電流密度消失極化現象會逐漸衰弱最后消失。所以對蓄電池提供一個短暫的負脈沖可以迅速消除充電過程中表面產生的氣泡，減少充電時電池產生的極化，有利于蓄電池的使用壽命。圖2-6脈沖充電（4）先恒流后恒壓先恒流后恒壓的充電方式也可以叫二段法。經過分析我們知道恒流充電在充電前期的充電效率高、對蓄電池的損壞低，但是到后期的充電效率低、對蓄電池的損壞高。而恒壓充電與恒流充電的特性恰恰相反，恒壓充電后期的充電效率比前期高、對蓄電池的損壞也低。我們采用前期使用恒流充電而后期改用恒壓充電的充電方式，這種充電方法既可以保證充電的時間又不會對蓄電池產生不可逆的損傷。雖然這種充電方式仍存在一些蓄電池電量充不滿的問題，但影響不大。充電時電流大小和電壓大小的關系如圖2-7所示：圖2-7先恒流后恒壓充電三、太陽能光伏充電樁系統的電氣設計（一）光伏發(fā)電部分的設計1.DC/DC變換器DC/DC轉換器的主要功能是將固定的DC值轉換為可調的DC值或我們需要的另一個DC值。連接六個250W光伏面板，并在約180V左右測量其工作電壓，為了使太陽能光伏板輸出的電壓值達到充電樁直流母線的電壓值（400V），我們需使用升壓斬波電路(Boost)來達到母線的電壓值。升壓斬波電路是我們經常用來直接增加DC電壓的電路。如圖3-1所示：圖3-1Boost原理圖升壓電路的工作原理如下：當打開電源開關時，電感L充電，二極管處于反向截止狀態(tài)，并且負載R和電容器C當前并聯，當關閉電源開關時，由于電感器L中的電流不會突然變化，因此二極管處于導通狀態(tài)，并且電感器L和電源同時為電容器充電，從而實現了升壓。實際上電感Ｌ能量傳遞的過程就是Boost電路中開關管的導通和關斷，電感Ｌ釋放的能量和存儲的能量是相等的。根據公式：（3-1）可推導出：（3-2）假設，則上式變?yōu)椋海?-3）可得D的值。（1）電感20kHz開關電路的開關頻率，電感轉換系數為100%，Boost電路處于工作狀態(tài)，當在最大工作點Pmax=1.5kW，E=400V時，輸出處的最大負載流為：（3-4）若選取波紋率為20%時：（3-5）代入公式得出：（3-6）經上面的公式計算：（3-7）由于要考慮實驗和后續(xù)電路的更改，所以選擇800μH的電感。（2）電容C在Boost電路中濾波電容可以穩(wěn)定母線電壓、保證輸出端電壓大小，所以它的作用尤為重要。在本設計中濾波電容的波紋大小應該是母線電壓的1%左右，那么可以得到以下數據：（3-8）（3-9）（3-10）由于要考慮后續(xù)電路的更改，所以選擇30μF的電容，最大承受電壓為400V。（3）功率開關管在DC/DC轉換電源電路中，電源開關管有IGBT和MOSFET兩種電源開關管。由于通常在交流電壓超過600V的條件下使用IGBT，因此本設計選擇MOSFET電源開關。MOSFET功率開關管可以接受的較大輸出電壓為400V，輸入工作電壓大約有10%的波動，所以取工作電壓的80%為額定值，計算其最大電壓和電流：（3-11）（3-12）MOSFET的選擇也應考慮后續(xù)電路的更改，選擇的型號為KIA4750S。（4）二極管MOSFET功率開關管可以接受的較大輸出電壓為400V最大電流10A。因為要留取余量所以根據電壓、電流的大小選取二級管（IN4007）。2.MOSFET驅動電路驅動電路的原理圖如圖3-2所示。驅動電路采用光耦合器隔離。當光耦合器打開時，Q3關閉。當Q1和Q2打開時，開關打開；當光耦合器關閉時，Q3打開，并且開關關閉。二極管D1和D2，電容器C1及其晶體管Q2可以提高功率開關的速度和高效率。圖3-2驅動電路（二）整流電路圖3-3VIENNA整流器VIENNA可以在某種程度上控制母線電壓的穩(wěn)定性，并且整流器輸出的動態(tài)電壓良好。即使缺少控制開關PWM信號，二極管仍然可以使電路輸出穩(wěn)定的直流電壓。雖然VIENNA整流器只能保證能量單向流動，但是VIENNA整流器效率高，下面用公式計算其數值。（1）交流側的電感電感不但能增加阻尼，還有濾波的功能。電感大小和型號的選擇可以直接影響到整體的設計效果。根據輸入電壓為220V、輸出電壓為400V、效率為95%、電網頻率為50Hz、電網的波動率（一般電網的波動率在20%）。代入以下公式可以得到：（3-13）因為要考慮實驗的盈余和后續(xù)電路的更改，所以選取900μH的電感。（2）直流母線的電容考慮到整流器的作用其應滿足:（3-14）當輸入變化時，要滿足：（3-15）因為要考慮后續(xù)電路的更改，并且電容必須滿足上面計算的數值，所以選用為4700μF，最大電壓為400V的。（三）充電電路1.全橋變換器圖3-4全橋變換器的原理圖整個設計參數：輸入400V輸入電壓，62V輸出電壓，22A輸出電流，21kHz開關頻率和接通整流二極管時的1.5V壓降。（1）變比高頻變壓器的變比要按最低輸入電壓選擇，因為只有這樣選擇才能夠在規(guī)定的電壓輸入范圍內輸出所需要的電壓。（3-16）K=3.25經過計算變比為3.25。（2）諧振電感諧振電感是實現零電壓開關的條件，所以選擇電感量大一點的：（3-17）電容（3-18）電容（3-19）經過以上公式的計算，用EE50型號的的變壓器。功率開關管、整流二極管、輸出濾波電容分別選擇：SPP20N60C型，MUR3020PT型，100μF、400V電容。2.驅動電路變換器中有四個開關管，一般當啟動電壓小于柵極和源極的電壓時，開關管就處于開啟狀態(tài)?？刂坪凸β兽D換電路需要隔離，全橋變換器可以實現隔離，保證設備的安全。驅動電路如圖3-5所示。圖3-5驅動電路（四）采樣電路1.電壓采樣電路（1）需要獲取并分析光伏單元部分的電壓，此處選擇電壓采樣電路。電壓經電阻分壓后，高壓信號按照一定比例轉換為控制芯片可以接收的電壓。AD620放大后，將其連接到控制芯片的A/D端口。示意圖如圖3-6所示：圖3-6光伏電池電壓檢測（2）儲能電池電壓檢測圖如圖3-7所示：圖3-7蓄電池電壓檢測2.電流采樣電路在電流采樣電路中，必須將電流信號轉換為電壓信號，然后將電壓信號轉換為控制芯片可以承受的電壓。根據自己實驗的需求，采用電阻檢測電流。其工作原理是通過增加一個電阻測電流信號，由于電阻的阻值很小所以測的電流也很小，所以要將較小的電壓信號經AD620放大成較大的電壓如圖3-8所示：圖3-8電流采樣電路原理圖四、太陽能光伏充電樁系統的程序設計（一）MPPT程序根據后面太陽能電池的模擬仿真結果曲線可以看出，功率不是一成不變的，整個曲線呈現拋物線型，這個時候一定存在一個最大的功率。我們可以根據這一特性調整光伏電池的工作狀態(tài)，使其一直工作在最大功率范圍內，提高一天的發(fā)電總量。跟蹤調整光伏電池的工作狀態(tài)的過程就是最大功率點跟蹤(MaximumPowerPointTracking),也叫MPPT。最大功率點跟蹤所使用的方法有以下幾種。（1）恒電壓控制法：有結構簡單、造價便宜的優(yōu)點。但是這種方法在外部環(huán)境發(fā)生突然變化時，例如在白天溫差特別大的地方是不能準確跟蹤調整最大功率點。因此恒電壓控制法用在控制要求不精確以及預算不高的系統中。（2）擾動觀察法：在一個范圍內對光伏電池的工作電壓設定一個很小的數值，減去或者加上這個數值記錄下兩次不同的功率和，在比較這兩次電壓下發(fā)出的功率值，作為調整工作狀態(tài)的依據，假如<,則繼續(xù)在這個方向加上一個設定的數值，反復多次。若>,則往相反的方向減去一個設定的數值，反復多次，一直調整到光伏電池的工作狀態(tài)達到最佳狀態(tài)。（3）其他的智能MPPT還有很多，比如模糊邏輯控制等，但是這些運行太復雜，技術還不是很成熟。經過比較，最后選擇了擾動觀察法。當系統測量到光伏電池某一時刻的電壓值U(k)和電流值I(k)時，把檢測到的U/(k)與U(k-l)做差得到U0，當得到的U0是零時，說明兩次電壓值相等，這時光伏陣列工作在功率峰值附近其效率最高，程序結束。若這時U0不為零，我們通過I(k)*U(k)分別得到兩次采集的電壓值此時的功率P(k)和P(k-l),對得到的功率值P(k)和P(k-l)作差，得到一個功率差值P0。這時當功率差值P0和電壓差值U0都大于零時，說明此時光伏陣列工作在功率峰值的左側，并向靠近功率峰值的地方移動；當功率差值P0大于零且電壓差值U0小于零時，說明光伏陣列工作在功率峰值的右側，并向靠近功率峰值的地方移動；當功率差值P0小于零并且電壓差值U0大于零時，說明光伏陣列工作在功率峰值的右側，并向遠離功率峰值的地方移動；當功率差值P0小于零且電壓差值U0小于零時，說明光伏陣列工作在功率峰值的左側，并向遠離功率峰值的地方移動。假設一個變擾動步長改變值為，當功率點向靠近功率峰值的位置移動時減去一個，當功率點向遠離功率峰值的位置移動時加上一個。程序在經過多次運行之后，最終可以使光伏陣列工作在功率峰值附近。（二）充電程序充電樁的充電系統使用了先恒流再恒壓的充電方式。先以不變的電流充電，當蓄電池的壓值達到一定程度后，再改用恒壓充電，充電后期電流減小到一定程度時說明蓄電池達到充滿狀態(tài)，這時中斷充電。充電樁首先對接入充電樁的負載進行電壓和電流的檢驗并作出正確的判斷，只有滿足充電的條件時才可以充電，否則為了安全不會進行充電。當車載電池的電壓小于50V時，因為蓄電池過放電，不能馬上進行正常充電，應優(yōu)先給蓄電池進行一段時間的預充電，使其達到滿足恒流充電的狀態(tài)，如果沒