一种带组串式MPPT的太阳能混合驱动式微型电动汽车的制作方法

本发明涉及新能源汽车领域，特别涉及到一种带组串式mppt的太阳能混合驱动式微型电动汽车。

背景技术：

目前太阳能发电技术逐渐成熟，太阳能电池板的技术也有很大的提高，非晶硅/微晶硅叠层结构的太阳能电池板，可大幅度提高转换效率太阳能，mppt技术更好的提高了太阳能电池组的输出特性。但是在汽车上的应用很少，一般只涉及汽车的辅助电源系统，太阳能电池所提供的能量大都用于车辆的电器、仪表等，或是对车的蓄电池进行充电。现今有一些量产车在其天窗顶部添加太阳能电池，经控制器和逆变器驱动车载空调工作，有太阳能发电驱动汽车的例子非常少，并且太阳能所能提供的能量只能占到所需驱动能量的30％以下，并且对天气依赖性高。

太阳能充电时间慢，输出特性不稳定，对天气依赖程度高，电池续航能力弱，行驶里程短。而目前纯电动汽车电池的续航能力较弱，且行驶里程短，对充电桩的依赖性高，但在许多公共场所并没有充电桩或者数量很少，给正常的使用带来了很大的不便。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种带组串式mppt的太阳能混合驱动式微型电动汽车，以解决上述问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种带组串式mppt的太阳能混合驱动式微型电动汽车，包括供电控制系统，供电控制系统包括太阳能电池组、蓄电池、组串式mppt控制器、储能系统、辅助电源、电动机控制器、控制器电源和电动机，太阳能电池组和蓄电池与mppt控制器电连接，mppt控制器通过储能系统和辅助电源与电动机控制器相连，控制器电源与电动机控制器相连，电动机控制器与电动机相连。

进一步的，所述mppt控制器包括四种工作模式，分别为旁路模式(stb)、直通模式(pm)、升压模式(boost)和降压模式(buck)，在初始化阶段，首先进入stb模式，在此模式下等待一段时间ttsb后尝试进入工作模式，开始追踪mpp，追踪稳定后检测输出功率值pmmp，判断是否超过所设定的功率门槛值

pstartmin，若不符合条件，则重新进入stb模式；

从初始状态开始工作时，首先进行stb模式向buck模式的切换，每个太阳能电池组件分别与一个微型dc/dc功率变流器相连，通过控制微型dc/dc功率变流器，使输入侧电压vin从开路电压值开始逐步减小，输入侧功率随之增大，系统的工作点向mpp靠拢；随着输入侧电压vin降低、输出侧电压vout逐步升高，如果输入测电压vin与输出侧电压vout相等时，系统仍未达到mpp点，则进行由buck模式向boost模式的切换，进一步降低输入电压同时增大输入功率，直至达到mpp点；当系统达到mpp点时，若输入电压vmpp与输出电压vout满足|vout-vmpp|＜0.02vmpp的关系时，系统将主动转入pm模式。

进一步的，当系统稳定工作时，如果出现两种情况之一，将重新启动mppt过程：(1)系统已稳定工作的时间或处于pm模式工作的时间超过了设定的时间；(2)系统的输出功率变化△p超过了设定值△pset。

进一步的，所述mppt控制器的主电路包括第一开关管q1、第二开关管q2、第三开关管q3、第四开关管q4、第五开关管q5、第六开关管q6和电感l，第一开关管q1的漏极与输入端的正极相连，第一开关管q1的源极分别与第二开关管q2的漏极以及电感l的一端相连，第二开关管q2的源极与输入端的负极相连，第三开关管q3的漏极与输出端的正极相连，第三开关管q3的源极与第四开关管q4的漏极以及电感l的另一端相连，第四开关管q4的源极与输出端的负极相连；第五开关管q5的源极与第六开关管q6的漏极相连，第五开关管q5的漏极与输入端的正极相连，第六开关管q6的源极与输出端的正极相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

太阳能发电是一种无污染的发电方式，带组串式mppt的太阳能混合驱动式微型电动汽车比一般太阳能汽车的对光能的转化效率更高，比纯电动汽车的续航能力更强，充电方式多样，减少了对天气的依赖性，而且体积小，在节省耗能的情况下进一步缓解了城市交通拥堵的情况。

本发明可以很好地弥补纯电动汽车的续航力程短，充电不方便的缺点，还可减少电动汽车充电桩和天气的依赖程度，既可满足人们日常出行需求，也可以满足人们中远途出行的需求。微型汽车数量的增加可以相对缓解交通拥堵的状况。

附图说明

图1为本发明所述的供电控制系统的结构示意图。

图2为本发明所述的驱动控制系统的结构示意图。

图3为本发明所述的mppt控制器的控制流程图。

图4为本发明所述的mppt控制器的主电路的电路图。

图5为本发明所述的mppt模块串联模型的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1～图5，本发明所述的一种带组串式mppt的太阳能混合驱动式微型电动汽车，包括供电控制系统。供电控制系统包括太阳能双模电源(太阳能电池组及蓄电池)、组串式mppt控制器、储能系统、辅助电源、电动机控制器、控制器电源和电动机。太阳能电池组和蓄电池与mppt控制器电连接，mppt控制器通过储能系统和辅助电源与电动机控制器相连。控制器电源与电动机控制器相连，电动机控制器与电动机相连。

太阳能光电池阵列是整个系统中的能量转换部件，它根据光强和温度等条件，以一定的输出特性对外输出功率，提供能量的来源。同时，mppt控制器也能对储能系统进行充电控制，限制其充电电流和电压。电动机控制器用于驱动电动机以及控制电动机转速转矩等，同时起到对储能系统放电进行控制的作用。

采用组串式mppt控制器可以在输入端实时追踪太阳能电池组的最大工作点，在输出端控制器根据外部电路情况通过升降压变换，使多模块之间实现工作点匹配，从而实现太阳电池阵功率的最大程度输出，再将这种复合的单元进行串、并连接，就可以组成一个高效率的光伏发电阵列。其中在采用组串式mppt控制器之外，还为每个太阳能电池组件都配备一个微型dc/dc功率变流器，以改变输出特性，使其始终工作在最大功率点上。这种太阳能汽车比一般太阳能汽车的对光能的转化效率更高，输出特性稳定，续航能力更强，充电方式多样，减少了对天气的依赖性，而且体积小，在节省耗能的情况下进一步缓解了城市交通拥堵的情况。

mppt控制器包括四种工作模式，分别为旁路模式(stb)、直通模式(pm)、升压模式(boost)和降压模式(buck)。在初始化阶段，首先进入stb模式，太阳电池组件相当于开路状态，在此模式下等待一段时间ttsb后尝试进入工作模式。开始追踪mpp，追踪稳定后检测输出功率值pmmp，判断是否超过所设定的功率门槛值pstartmin，若不符合条件，则表示光照太弱或者组件工作失效，则重新进入stb模式。

从初始状态开始工作时，首先进行stb模式向buck模式的切换。每个太阳能电池组件分别与一个微型dc/dc功率变流器相连，通过控制微型dc/dc功率变流器，使输入侧电压vin从开路电压值开始逐步减小，输入侧功率随之增大，系统的工作点向mpp靠拢。随着输入侧电压vin降低、输出侧电压vout逐步升高，如果输入测电压vin与输出侧电压vout相等时，系统仍未达到mpp点，则进行由buck模式向boost模式的切换，进一步降低输入电压同时增大输入功率，直至达到mpp点。当系统达到mpp点时，若输入电压vmpp与输出电压vout满足|vout-vmpp|＜0.02vmpp的关系时，说明此时dc/dc的控制效果微乎其微，系统可以直接将太阳能电池组件与输出端相连，反而可以减小损耗、提高效率。此时，系统将主动转入pm模式。

当系统稳定工作时，如果出现两种情况之一，将重新启动mppt过程：(1)系统已稳定工作的时间或处于pm模式工作的时间超过了设定的时间。即统已稳定工作了足够长的时间，或者处于pm模式工作超过了一定的时间。这些时间间隔均可设定，主要的目的是为了避免光照或者负荷缓慢变化而使系统偏离最大功率点。(2)系统的输出功率变化△p超过了设定值△pset。即系统的输出功率变化超过一定限值△p。该限值可以设定，主要的目的是为了适应光照或负载的突然或快速变化而导致系统最佳工作点的偏离。其中△pset是预先设定的一个值，用来与系统的输出功率变化值△p对比。

mppt控制器的主电路包括第一开关管q1、第二开关管q2、第三开关管q3、第四开关管q4、第五开关管q5、第六开关管q6和电感l。第一开关管q1的漏极与输入端的正极相连，第一开关管q1的源极分别与第二开关管q2的漏极以及电感l的一端相连。第二开关管q2的源极与输入端的负极相连，第三开关管q3的漏极与输出端的正极相连。第三开关管q3的源极与第四开关管q4的漏极以及电感l的另一端相连。第四开关管q4的源极与输出端的负极相连；第五开关管q5的源极与第六开关管q6的漏极相连。第五开关管q5的漏极与输入端的正极相连，第六开关管q6的源极与输出端的正极相连。

mppt模块串联模型：n个mppt模块串联的系统，每个模块所受的光照条件分别为s1、s2.......sn；温度条件分别为t1、t2......tn；输出恒功率pm1、pm2......pmn。该系统可看作在一定的光照、温度等外界条件下的恒功率源，因为工作点自协调mppt功能可以保证太阳能电池组总是在最大值输出功率。

mppt的控制器的主电路图纸就是一个比较简单的dc/dc电路，这个电路包含四种的工作模式：包括旁路、直通、升压(boost)、降压(buck)等四种工作模式，工作模式间的切换流程可以参考控制器的控制流程理解。这个电路的目的就是通过一些控制手段输出最大的功率。该模型可以看作是在一定的光照、温度等外界条件下的恒功率源，因为工作点自协调mppt功能可以保证太阳电池组件总以最大值输出功率。微型dc/dc变流器相当于一个电压、电流变换器，变换前后的功率相等。因此，如果不考虑损耗，控制器向负载提供的功率就将与从太阳电池组件获取的功率完全相等，这实际上也是实际的mppt控制器设计的初衷。以下是基于这个论点，对分布式发电系统各单元模块之间协调工作机理的分析。

在所有模块的输出功率及负载确定的条件下，下列结论成立：

(1)串联支路的总电流由所有模块的总功率及负载情况决定；

(2)各模块的输出端电压按照其输出功率占所有模块的总功率的比例自动分配；

(3)当某个模块的输出功率增大(或减小)时，串联支路的总电流将增大(或减

小)；相应地，该模块两端的电压将增大(或减小)，而其他模块两端的电压

均将减小(或增大)。

利用这些结论，可以很好地解释分布式光伏系统各模块之间的协调工作过程，包括一个模块从接入到切除过程中系统的调节过程。工作点自协调mppt控制器模块表现出“功率源”的特性，即端口的电压和电流存在约束关系，但模块本身没有限定解，只有当模块接入电路时，电压或电流之一就受到外界约束，才可以确定唯一解；当电路条件发生变化时，端口电压和电流也发生变化，但输出的功率保持不变。

本发明的驱动控制系统：电动汽车的电能装置来自于太阳能光伏电池和电源两种充电方式，太阳能电池板在阳光的照射下产生电流，通过光伏控制器给蓄电池充电，再由蓄电池给电动机和其他负载供电。当太阳能电池板产生电能，与控制装置和储能装置连接后，再由另一端连接负载，负载就是电动汽车的电动机(驱动装置)。一般电动车运行时，被转换的太阳光能通过控制装置直接运送到负载，而停驶或太阳光充足时，剩余部分的电能向蓄电池充电并储存起来，当太阳光不足时，由太阳能光伏电池和蓄电池同时向负载供电；当汽车减速或制动时，应具有“回收性制动装置”，将电能量通过控制器，将发动机变成电动机，反向进入蓄电池进行储存。这样的互补式不间断供电技术，可以改善对天气严重依赖的缺陷，完善太阳能汽车的性能。

本发明在白天闲置并且光照较好的时间可通过太阳能电池板发电，然后将电能通过光伏控制器向磷酸铁锂电池组充电，铁锂电池组再产生电流驱动汽车运行。为了长途旅行或预防阴雨天气的需要，在蓄电池组上增加了外界充电接口。

为了解决组件输出特性差异对整个光伏发电系统造成的不利影响，提高系统的整体效率，最有效的手段就是采用分布式控制方式，通过对尽可能小的组件集合分别进行mppt控制。采用组串式mppt控制器可以在输入端实时追踪太阳能电池组的最大工作点，在输出端控制器根据外部电路情况通过升降压变换，使多模块之间实现工作点匹配，从而实现太阳电池阵功率的最大程度输出。组串式结构mppt有三个优点：1.无需设阻塞二极管，可降低阵列的损耗；2.每个组件都有逆变器，系统的扩展能力及冗余能力都较强；3.不需要直流母线。但由于传统组串式无法解决支路内部各个组件的特性差异问题，以及带来的热斑现象、阴影造成的功率损失、功率多峰特性等问题仍无法解决，因此将为每一个太阳能电池组件都配备一个微型dc/dc功率变流器，以改变输出特性，使其始终工作在最大功率点上，再将这种复合的单元进行串、并连接，就可以组成一个高效率的光伏发电阵列。

太阳能电池板采用非晶硅/晶硅叠层结构太阳能电池。微晶硅电池和非晶硅电池相比，微晶硅不仅具有类似于单晶硅的低光学带隙，可实现高的电流密度；还具有很小的光致衰退效应，可明显提高电池稳定性。但微晶硅电池的缺点在于它是间接带隙半导体，在短波段的光吸收系数比非晶硅低，因此要实现高的短路电流密度需要超过1μm的吸收层厚度。因此，鉴于非晶硅良好的短波响应特性和微晶硅良好的长波响应特性，常用微晶硅作底电池，形成非晶硅/微晶硅叠层结构，可大幅度提高转换效率。

电动汽车的电池采用磷酸铁锂电池。磷酸铁锂电池属于锂离子二次电池，主要用作动力电池，而且它的放电效率较高，倍率放电情况下充放电效率可达到90％以上，而铅酸电池大约为80％。在电池中，磷酸铁锂电池的安全性也高于其他的电池，理论寿命可以达到7～8年，实际使用寿命大约为3～5年，性能价格比理论上为铅酸电池的4倍以上。

本发明为可容纳三到四人的微型汽车，尽可能地减少不必要的空间，此类微型汽车具有质量较轻，耗能较少，这也可以有效提高电池的续航能力，而且体型比普通汽车要小很多，这可以一定程度的缓解城市中上下班高峰期道路拥堵的情况。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。