2.2.3 太陽能電動(dòng)汽車太陽電池最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)

最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking, MPPT）系統(tǒng)，它是一種高效率的DC-DC變換器，作為太陽能電動(dòng)汽車MP P T系統(tǒng)，它相當(dāng)于太陽電池輸出端的阻抗變換器，其作用是使太陽電池陣列工作在最大輸出功率點(diǎn)上。MP P T要實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤這個(gè)過程，本身也是需要消耗能量的，同時(shí)其重量也將增加整車功率的消耗，如果MPPT的轉(zhuǎn)換效率過低，則應(yīng)用MPPT所獲得的太陽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。所以，MPPT不僅要是一個(gè)高效率的DC-DC轉(zhuǎn)換器，更要是一個(gè)智能的控制系統(tǒng)，根據(jù)智能的控制策略，MP P T能隨太陽能電動(dòng)汽車工作環(huán)境的變化監(jiān)測太陽電池陣列輸出狀態(tài)的變化并快速、精確地判斷最大功率點(diǎn)（Maximum Power Point, MPP）的位置，及時(shí)調(diào)整太陽電池陣列工作電壓跟蹤MP P的電壓。

1.最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)概念

根據(jù)前面對太陽電池輸出特性的分析，我們知道當(dāng)輻射度和電池溫度變化時(shí)，太陽電池輸出電壓和輸出電流呈非線性關(guān)系變化，其輸出功率也隨之改變。圖2-11和圖2-12分別為25℃、不同輻照度時(shí)的伏-瓦（電壓-功率）特性曲線和輻照度1000W/m2、不同溫度時(shí)的伏-瓦特性曲線。由圖2-11和圖2-12可以看出，每一個(gè)環(huán)境狀態(tài)下，都有一個(gè)MP P，此MP P即為太陽（光伏）電池陣列在該外界條件下的最佳工作點(diǎn)。對于純阻性負(fù)荷，其負(fù)荷線和I—U曲線的交叉點(diǎn)決定了太陽電池陣列的工作點(diǎn)，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，太陽電池陣列的工作點(diǎn)也會(huì)相應(yīng)地變化，使得太陽電池陣列的輸出功率降低，并不是時(shí)刻都處于MP P。因此在不同的溫度、不同的輻照度條件下，當(dāng)最大功率點(diǎn)發(fā)生漂移時(shí)，可通過調(diào)節(jié)負(fù)荷使太陽電池陣列重新工作在MP P處。目前解決這一問題的有效辦法是在太陽電池輸出端和負(fù)荷之間加入開關(guān)變換電路，利用阻抗變換原理，使得負(fù)荷的等效阻抗跟蹤電阻電池輸出最大功率時(shí)的輸出阻抗，從而使得太陽電池輸出最大功率。這種技術(shù)就是MP P跟蹤技術(shù)、即MP P T技術(shù)。

2.最大功率點(diǎn)跟蹤器的工作原理

如圖2-13所示的簡單線性電路，負(fù)荷上的功率為，對此式求導(dǎo)，Ui和Ri都是常數(shù)，可得。當(dāng)Ri=R0時(shí)，功率具有最大值。對于線性電路來說，當(dāng)負(fù)荷電阻Ri等于電源內(nèi)阻R0時(shí)，電源有最大功率輸出。雖然太陽電池電路是強(qiáng)非線性的，然而在極短的時(shí)間內(nèi)，可以認(rèn)為是線性電路。因此，只要調(diào)節(jié)控制電路的等效電阻使它始終等于太陽電池的內(nèi)阻，就可以實(shí)現(xiàn)太陽電池的最大功率輸出，也就實(shí)現(xiàn)了太陽電池的MP P。而在實(shí)際應(yīng)用中，是通過調(diào)節(jié)負(fù)荷兩端的電壓來實(shí)現(xiàn)太陽電池的MP P，其原理如圖2-14所示。圖2-14中，實(shí)直線為負(fù)荷電阻線、虛曲線為等功率線、Isc為太陽電池的短路電流、Uoc為太陽電池的開路電壓、Pm為太陽電池的MPP。將太陽電池與負(fù)荷直接相連，太陽電池的工作點(diǎn)由負(fù)荷限定，工作在A點(diǎn)，從圖2-14可以看出，太陽電池在A點(diǎn)的輸出功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于在MP P的輸出功率。通過調(diào)節(jié)輸出電壓的方法，將負(fù)荷電壓調(diào)節(jié)到UR處，使負(fù)荷上的功率從A點(diǎn)移到B點(diǎn)。由于B點(diǎn)與太陽電池的MP P在同一條等功率線上，因此太陽電池此時(shí)有最大功率輸出。

3.最大功率點(diǎn)跟蹤器的結(jié)構(gòu)

圖2-15所示為太陽電池MP P T系統(tǒng)框圖，太陽電池對蓄電池充電。系統(tǒng)通過MPPT控制器尋找太陽電池MPPT，給出控制信號，通過PWM驅(qū)動(dòng)電路調(diào)節(jié)系統(tǒng)中Boost變換器的占空比，調(diào)節(jié)Boost變換器的Uin，使其與太陽電池MPPT對應(yīng)的電壓相匹配，從而使太陽電池輸出功率最大，充分利用太陽電池。

4.幾種常見的最大功率點(diǎn)跟蹤算法分析及比較

根據(jù)尋優(yōu)原理和實(shí)現(xiàn)方法，MP P T算法大概可以歸納為七種方法，分別為恒定電壓控制法、電流回授法、功率回授法、直線近似法、實(shí)際測量法、擾動(dòng)觀察法和增量電導(dǎo)法。其中又以恒定電壓控制法、擾動(dòng)觀察法和增量電導(dǎo)法最為常見，以下將對這3種MP P T算法的工作原理分別進(jìn)行說明并對其做簡要的對比。

（1）恒定電壓控制法 在太陽電池溫度一定時(shí)，太陽電池的輸出P—U曲線上MPPT電壓幾乎分布在一個(gè)固定電壓值的兩側(cè)。CVT控制法思路即是將太陽電池輸出電壓控制在該電壓處，此時(shí)太陽電池在整個(gè)工作過程中，將近似工作在MP P T處。

（2）擾動(dòng)觀察法 這種方法也被稱為爬山法（Hill Climbing）。這種方法先是測量太陽電池陣列的輸出功率，然后在原來的輸出電壓上增加一個(gè)小電壓分量（即擾動(dòng)量），使其輸出功率發(fā)生改變，再對改變后的功率與改變前的功率做比較，即可知道功率變化的方向。如果功率增大了就繼續(xù)使用原來的擾動(dòng)方向，如果功率減小了就改變原來的擾動(dòng)方向。圖2-16說明了擾動(dòng)觀察法的MP P T過程，這樣的過程可以分以下四種情況來討論[ΔP（k）、ΔU（k）分別為功率與電壓變化量，ΔP（k）=P（k+1）-P（k），ΔU（k）=U（k+1）-U（k）]：

ΔP（k）＞0，ΔU（k）＞0時(shí)，工作點(diǎn)位于MPP左側(cè)，移動(dòng)方向1→2，繼續(xù)調(diào)整U=U+ΔU；

ΔP（k）＞0，ΔU（k）＜0時(shí)，工作點(diǎn)位于MPP右側(cè)，移動(dòng)方向5→4，繼續(xù)調(diào)整U=U-ΔU；

ΔP（k）＜0，ΔU（k）＞0時(shí)，工作點(diǎn)位于MPP右側(cè)，移動(dòng)方向4→5，反向調(diào)整U=U-ΔU；

ΔP（k）＜0，ΔU（k）＜0時(shí)，工作點(diǎn)位于MPP左側(cè)，移動(dòng)方向2→1，反向調(diào)整U=U+ΔU。

擾動(dòng)觀察法就是通過這樣的過程最終控制工作點(diǎn)位于MP P。圖2-17所示為擾動(dòng)觀察法的簡易流程圖，描述了擾動(dòng)觀察法的簡單控制過程。

（3）增量電導(dǎo)法 增量電導(dǎo)法的出發(fā)點(diǎn)是dP/dU=0這個(gè)邏輯判斷式，由圖2-18所示，太陽電池板電壓在0→Uoc間有且只有一個(gè)極點(diǎn)，系統(tǒng)連續(xù)可導(dǎo)，由圖可知，dP/dU=0時(shí)，U=Umpp；dP/dU＞0時(shí)，U＜Umpp；dP/dU＜0時(shí)，U＞Umpp。

結(jié)合邊界條件，可得增量電導(dǎo)法控制策略如下：

1）

2）

3）

其中，dI為增量前后測到的電流差；dU為增量前后測到的電壓差。

因此，借助測得的增量值dI/dU與瞬間太陽電池陣列的電導(dǎo)值I/U，可以決定下一次的改變方向，當(dāng)增量電導(dǎo)值與瞬間電導(dǎo)值負(fù)數(shù)值相等時(shí)，表示已達(dá)到MP P。

增量電導(dǎo)法仍然是通過改變太陽電池陣列輸出的電壓來達(dá)到最大功率Pm。雖然這種方法借助修改邏輯判斷式來減少在MP P附近的振蕩現(xiàn)象，使其更能適應(yīng)太陽能電動(dòng)汽車行駛過程中多變的大氣環(huán)境和負(fù)荷情況，理論上說這種方法是非常完美和準(zhǔn)確的，但是由于傳感器精度有限，其誤差是不可避免的，因此在實(shí)際應(yīng)用這種方法時(shí)，仍有很大的誤差存在。

恒定電壓控制法雖然控制簡單，但容易產(chǎn)生過電壓或電流沖擊以及噪聲污染，且該方法控制精度差、光電轉(zhuǎn)化效率低，故一般僅用于小功率場合；擾動(dòng)觀察法和增加電導(dǎo)法是目前應(yīng)用較多的兩種方法，這兩種方法轉(zhuǎn)化效率高，但后者對傳感器精度的要求非常高。表2-2對以上各種MP P跟蹤算法進(jìn)行了對比分析。