2.2.3 太陽能電動汽車太陽電池最大功率點跟蹤系統

最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking, MPPT）系統，它是一種高效率的DC-DC變換器，作為太陽能電動汽車MP P T系統，它相當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上。MP P T要實現最大功率跟蹤這個過程，本身也是需要消耗能量的，同時其重量也將增加整車功率的消耗，如果MPPT的轉換效率過低，則應用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不僅要是一個高效率的DC-DC轉換器，更要是一個智能的控制系統，根據智能的控制策略，MP P T能隨太陽能電動汽車工作環境的變化監測太陽電池陣列輸出狀態的變化并快速、精確地判斷最大功率點（Maximum Power Point, MPP）的位置，及時調整太陽電池陣列工作電壓跟蹤MP P的電壓。

1.最大功率點跟蹤技術概念

根據前面對太陽電池輸出特性的分析，我們知道當輻射度和電池溫度變化時，太陽電池輸出電壓和輸出電流呈非線性關系變化，其輸出功率也隨之改變。圖2-11和圖2-12分別為25℃、不同輻照度時的伏-瓦（電壓-功率）特性曲線和輻照度1000W/m2、不同溫度時的伏-瓦特性曲線。由圖2-11和圖2-12可以看出，每一個環境狀態下，都有一個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。對于純阻性負荷，其負荷線和I—U曲線的交叉點決定了太陽電池陣列的工作點，當負荷發生變化時，太陽電池陣列的工作點也會相應地變化，使得太陽電池陣列的輸出功率降低，并不是時刻都處于MP P。因此在不同的溫度、不同的輻照度條件下，當最大功率點發生漂移時，可通過調節負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荷之間加入開關變換電路，利用阻抗變換原理，使得負荷的等效阻抗跟蹤電阻電池輸出最大功率時的輸出阻抗，從而使得太陽電池輸出最大功率。這種技術就是MP P跟蹤技術、即MP P T技術。

2.最大功率點跟蹤器的工作原理

如圖2-13所示的簡單線性電路，負荷上的功率為，對此式求導，Ui和Ri都是常數，可得。當Ri=R0時，功率具有最大值。對于線性電路來說，當負荷電阻Ri等于電源內阻R0時，電源有最大功率輸出。雖然太陽電池電路是強非線性的，然而在極短的時間內，可以認為是線性電路。因此，只要調節控制電路的等效電阻使它始終等于太陽電池的內阻，就可以實現太陽電池的最大功率輸出，也就實現了太陽電池的MP P。而在實際應用中，是通過調節負荷兩端的電壓來實現太陽電池的MP P，其原理如圖2-14所示。圖2-14中，實直線為負荷電阻線、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。將太陽電池與負荷直接相連，太陽電池的工作點由負荷限定，工作在A點，從圖2-14可以看出，太陽電池在A點的輸出功率遠遠小于在MP P的輸出功率。通過調節輸出電壓的方法，將負荷電壓調節到UR處，使負荷上的功率從A點移到B點。由于B點與太陽電池的MP P在同一條等功率線上，因此太陽電池此時有最大功率輸出。

3.最大功率點跟蹤器的結構

圖2-15所示為太陽電池MP P T系統框圖，太陽電池對蓄電池充電。系統通過MPPT控制器尋找太陽電池MPPT，給出控制信號，通過PWM驅動電路調節系統中Boost變換器的占空比，調節Boost變換器的Uin，使其與太陽電池MPPT對應的電壓相匹配，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跟蹤算法分析及比較

根據尋優原理和實現方法，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、實際測量法、擾動觀察法和增量電導法。其中又以恒定電壓控制法、擾動觀察法和增量電導法最為常見，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，太陽電池的輸出P—U曲線上MPPT電壓幾乎分布在一個固定電壓值的兩側。CVT控制法思路即是將太陽電池輸出電壓控制在該電壓處，此時太陽電池在整個工作過程中，將近似工作在MP P T處。

（2）擾動觀察法 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小電壓分量（即擾動量），使其輸出功率發生改變，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使用原來的擾動方向，如果功率減小了就改變原來的擾動方向。圖2-16說明了擾動觀察法的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，工作點位于MPP左側，移動方向1→2，繼續調整U=U+ΔU；

ΔP（k）＞0，ΔU（k）＜0時，工作點位于MPP右側，移動方向5→4，繼續調整U=U-ΔU；

ΔP（k）＜0，ΔU（k）＞0時，工作點位于MPP右側，移動方向4→5，反向調整U=U-ΔU；

ΔP（k）＜0，ΔU（k）＜0時，工作點位于MPP左側，移動方向2→1，反向調整U=U+ΔU。

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

（3）增量電導法 增量電導法的出發點是dP/dU=0這個邏輯判斷式，由圖2-18所示，太陽電池板電壓在0→Uoc間有且只有一個極點，系統連續可導，由圖可知，dP/dU=0時，U=Umpp；dP/dU＞0時，U＜Umpp；dP/dU＜0時，U＞Umpp。

結合邊界條件，可得增量電導法控制策略如下：

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值I/U，可以決定下一次的改變方向，當增量電導值與瞬間電導值負數值相等時，表示已達到MP P。

增量電導法仍然是通過改變太陽電池陣列輸出的電壓來達到最大功率Pm。雖然這種方法借助修改邏輯判斷式來減少在MP P附近的振蕩現象，使其更能適應太陽能電動汽車行駛過程中多變的大氣環境和負荷情況，理論上說這種方法是非常完美和準確的，但是由于傳感器精度有限，其誤差是不可避免的，因此在實際應用這種方法時，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、光電轉化效率低，故一般僅用于小功率場合；擾動觀察法和增加電導法是目前應用較多的兩種方法，這兩種方法轉化效率高，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跟蹤算法進行了對比分析。