2.2.3 太阳能电动汽车太阳电池最大功率点跟踪系统

最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking, MPPT）系统，它是一种高效率的DC-DC变换器，作为太阳能电动汽车MP P T系统，它相当于太阳电池输出端的阻抗变换器，其作用是使太阳电池阵列工作在最大输出功率点上。MP P T要实现最大功率跟踪这个过程，本身也是需要消耗能量的，同时其重量也将增加整车功率的消耗，如果MPPT的转换效率过低，则应用MPPT所获得的太阳电池阵列输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不仅要是一个高效率的DC-DC转换器，更要是一个智能的控制系统，根据智能的控制策略，MP P T能随太阳能电动汽车工作环境的变化监测太阳电池阵列输出状态的变化并快速、精确地判断最大功率点（Maximum Power Point, MPP）的位置，及时调整太阳电池阵列工作电压跟踪MP P的电压。

1.最大功率点跟踪技术概念

根据前面对太阳电池输出特性的分析，我们知道当辐射度和电池温度变化时，太阳电池输出电压和输出电流呈非线性关系变化，其输出功率也随之改变。图2-11和图2-12分别为25℃、不同辐照度时的伏-瓦（电压-功率）特性曲线和辐照度1000W/m2、不同温度时的伏-瓦特性曲线。由图2-11和图2-12可以看出，每一个环境状态下，都有一个MP P，此MP P即为太阳（光伏）电池阵列在该外界条件下的最佳工作点。对于纯阻性负荷，其负荷线和I—U曲线的交叉点决定了太阳电池阵列的工作点，当负荷发生变化时，太阳电池阵列的工作点也会相应地变化，使得太阳电池阵列的输出功率降低，并不是时刻都处于MP P。因此在不同的温度、不同的辐照度条件下，当最大功率点发生漂移时，可通过调节负荷使太阳电池阵列重新工作在MP P处。目前解决这一问题的有效办法是在太阳电池输出端和负荷之间加入开关变换电路，利用阻抗变换原理，使得负荷的等效阻抗跟踪电阻电池输出最大功率时的输出阻抗，从而使得太阳电池输出最大功率。这种技术就是MP P跟踪技术、即MP P T技术。

2.最大功率点跟踪器的工作原理

如图2-13所示的简单线性电路，负荷上的功率为，对此式求导，Ui和Ri都是常数，可得。当Ri=R0时，功率具有最大值。对于线性电路来说，当负荷电阻Ri等于电源内阻R0时，电源有最大功率输出。虽然太阳电池电路是强非线性的，然而在极短的时间内，可以认为是线性电路。因此，只要调节控制电路的等效电阻使它始终等于太阳电池的内阻，就可以实现太阳电池的最大功率输出，也就实现了太阳电池的MP P。而在实际应用中，是通过调节负荷两端的电压来实现太阳电池的MP P，其原理如图2-14所示。图2-14中，实直线为负荷电阻线、虚曲线为等功率线、Isc为太阳电池的短路电流、Uoc为太阳电池的开路电压、Pm为太阳电池的MPP。将太阳电池与负荷直接相连，太阳电池的工作点由负荷限定，工作在A点，从图2-14可以看出，太阳电池在A点的输出功率远远小于在MP P的输出功率。通过调节输出电压的方法，将负荷电压调节到UR处，使负荷上的功率从A点移到B点。由于B点与太阳电池的MP P在同一条等功率线上，因此太阳电池此时有最大功率输出。

3.最大功率点跟踪器的结构

图2-15所示为太阳电池MP P T系统框图，太阳电池对蓄电池充电。系统通过MPPT控制器寻找太阳电池MPPT，给出控制信号，通过PWM驱动电路调节系统中Boost变换器的占空比，调节Boost变换器的Uin，使其与太阳电池MPPT对应的电压相匹配，从而使太阳电池输出功率最大，充分利用太阳电池。

4.几种常见的最大功率点跟踪算法分析及比较

根据寻优原理和实现方法，MP P T算法大概可以归纳为七种方法，分别为恒定电压控制法、电流回授法、功率回授法、直线近似法、实际测量法、扰动观察法和增量电导法。其中又以恒定电压控制法、扰动观察法和增量电导法最为常见，以下将对这3种MP P T算法的工作原理分别进行说明并对其做简要的对比。

（1）恒定电压控制法 在太阳电池温度一定时，太阳电池的输出P—U曲线上MPPT电压几乎分布在一个固定电压值的两侧。CVT控制法思路即是将太阳电池输出电压控制在该电压处，此时太阳电池在整个工作过程中，将近似工作在MP P T处。

（2）扰动观察法 这种方法也被称为爬山法（Hill Climbing）。这种方法先是测量太阳电池阵列的输出功率，然后在原来的输出电压上增加一个小电压分量（即扰动量），使其输出功率发生改变，再对改变后的功率与改变前的功率做比较，即可知道功率变化的方向。如果功率增大了就继续使用原来的扰动方向，如果功率减小了就改变原来的扰动方向。图2-16说明了扰动观察法的MP P T过程，这样的过程可以分以下四种情况来讨论[ΔP（k）、ΔU（k）分别为功率与电压变化量，ΔP（k）=P（k+1）-P（k），ΔU（k）=U（k+1）-U（k）]：

ΔP（k）＞0，ΔU（k）＞0时，工作点位于MPP左侧，移动方向1→2，继续调整U=U+ΔU；

ΔP（k）＞0，ΔU（k）＜0时，工作点位于MPP右侧，移动方向5→4，继续调整U=U-ΔU；

ΔP（k）＜0，ΔU（k）＞0时，工作点位于MPP右侧，移动方向4→5，反向调整U=U-ΔU；

ΔP（k）＜0，ΔU（k）＜0时，工作点位于MPP左侧，移动方向2→1，反向调整U=U+ΔU。

扰动观察法就是通过这样的过程最终控制工作点位于MP P。图2-17所示为扰动观察法的简易流程图，描述了扰动观察法的简单控制过程。

（3）增量电导法 增量电导法的出发点是dP/dU=0这个逻辑判断式，由图2-18所示，太阳电池板电压在0→Uoc间有且只有一个极点，系统连续可导，由图可知，dP/dU=0时，U=Umpp；dP/dU＞0时，U＜Umpp；dP/dU＜0时，U＞Umpp。

结合边界条件，可得增量电导法控制策略如下：

1）

2）

3）

其中，dI为增量前后测到的电流差；dU为增量前后测到的电压差。

因此，借助测得的增量值dI/dU与瞬间太阳电池阵列的电导值I/U，可以决定下一次的改变方向，当增量电导值与瞬间电导值负数值相等时，表示已达到MP P。

增量电导法仍然是通过改变太阳电池阵列输出的电压来达到最大功率Pm。虽然这种方法借助修改逻辑判断式来减少在MP P附近的振荡现象，使其更能适应太阳能电动汽车行驶过程中多变的大气环境和负荷情况，理论上说这种方法是非常完美和准确的，但是由于传感器精度有限，其误差是不可避免的，因此在实际应用这种方法时，仍有很大的误差存在。

恒定电压控制法虽然控制简单，但容易产生过电压或电流冲击以及噪声污染，且该方法控制精度差、光电转化效率低，故一般仅用于小功率场合；扰动观察法和增加电导法是目前应用较多的两种方法，这两种方法转化效率高，但后者对传感器精度的要求非常高。表2-2对以上各种MP P跟踪算法进行了对比分析。