太陽能賽車是利用太陽能電池發(fā)電驅(qū)動的電動車。太陽能電動賽車的電器系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。 MPPT(Maximum Power Point Tracker)即峰值功率跟蹤器，是太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)中的重要部件。眾所周知，在確定的外部條件下，隨著負載的變化，太陽能電池陣列輸出功率也會變 化，但是存在一個最大功率點Pm以及與最大功率點相對應的電壓UMp和電流IMD。當工作環(huán)境變化時，特別是日光照度和環(huán)境溫度變化時，太陽能電池陣列的 輸出特性曲線也隨之變化，與之相對應的最大功率點也隨之改變，如圖2所示。通常來講，太陽能電池輸出特性曲線的變化與日光照度的變化是成比例的。但在實際 應用中，日光照度的變化再加上工作溫度的變化，使得太陽能電池輸出特性的變化很復雜。

在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中沒有采用MPPT，而是直接把太陽能電池陣列與蓄電池并聯(lián)工作時，由于陣列的輸出狀態(tài)受到電池、電機工作狀態(tài)的限制，輸出功率往往不在 陣列的最大功率點。MPPT的作用是使太陽能電池陣列工作在最大輸出功率點。它是高效率的DC／DC變換器，相當于太陽能電池輸出端的阻抗變換器。 MPPT是太陽能車、太陽能發(fā)電系統(tǒng)、太陽能水泵上常用的功率提升部件。MPPT能使太陽能電池陣列的輸出功率增加約15％～36％。

1 太陽能賽車的MPPT方案設(shè)計

本文所述MPPT是為清華大學“追日號”太陽能賽車研制的。“追日號”太陽能賽車的太陽能電池陣列總面積為6．67m2，最大輸出功率為825W，開路電 壓在160V～170V之間，根據(jù)太陽能電池陣列輸出特性試驗，得到陣列最大功率點電壓在129．6V～137．7V之間。由此確定蓄電池組由10個 12V／20Ah(5小時放電率)的鉛酸蓄電池串聯(lián)組成，額定電壓為120V，工作電壓在120V～140V之間。蓄電池工作電壓在太陽能電池陣列的最大 功率點電壓附近。 MPPT要實現(xiàn)太陽能電池工作電壓到蓄電池電壓轉(zhuǎn)換，其本身是需要消耗能量的；同時MPPT應用在“追日號”太陽能車上，它的重量將增加整車功率的消耗。 如果MPPT的轉(zhuǎn)換效率過低，應用MPPT所獲得的太陽能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。在工作中，由于日光照度、溫 度等的變化，太陽能電池陣列的最大功率點(MPP)將隨工作環(huán)境的變化而時刻變動著，MPPT必須隨時監(jiān)測陣列輸出狀態(tài)的變化，根據(jù)智能的控制策略判斷最 大功率點的位置，調(diào)整陣列的工作電壓跟蹤最大功率點電壓，由此實現(xiàn)MPPT的功能。因此，MPPT不僅是一個高效率的DC／DC轉(zhuǎn)換器，更是一個智能的控 制系統(tǒng)。

1．1 MPPT的硬件設(shè)計

MPPT的硬件包括MPPT主回路、微處理器、信號調(diào)理電路、PWM驅(qū)動電路、電源、通信接口等六個部分。其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。 MPPT的電壓轉(zhuǎn)換器采用Buck DC／DC轉(zhuǎn)換器，以MOTOROLA場效應管作為電子開關(guān)器件；采用PWM控制方式，工作頻率為16kHz。由上述的太陽能電池陣列電壓與蓄電池電壓可 知，MPPT的Buck DC／DC轉(zhuǎn)換器的降壓比在0．6～1．0之間。在這個降壓比范圍內(nèi)，MPPT的轉(zhuǎn)換效率在86％～99％之間。 由于采用了Buck DC／DC轉(zhuǎn)換器，在太陽能電池陣列的工作電壓高于蓄電池電壓的情況下，通過調(diào)整BuckDC／DC轉(zhuǎn)換器的占空比即可改變太陽能電池陣列的工作電壓 [3]。MPPT的Buck DC／DC轉(zhuǎn)換器的電感上L=4mH，臨界負載電流Iok為： Iok=(Vout/2Lf)/(1-D) Iok|D=0.7=120V/(2%26;#215;4mH%26;#215;13kHz)(1-0.7)≈0.35A 當電流I0．35A、占空比D0．7時，

　　在場效應管開關(guān)的一個周期內(nèi)，電感的電流是連續(xù)的，則Buck DC／DC轉(zhuǎn)換器的降壓比等于PWM控制信號的占空比。所以MPPT的控制策略是通過調(diào)整PWM的占空比D來調(diào)整Buck DC／DC轉(zhuǎn)換器的降壓比，以達到調(diào)整太陽能電池陣列工作電壓為最大功率點(MPP)電壓的目的。 MPPT微處理器的工作步驟是：首先采集MPPT主回路的電壓及電流信號，然后根據(jù)最大功率點跟蹤策略判斷最大功率點的位置，確定PWM信號占空比D的 值，最后輸出PWM信號給驅(qū)動電路。微處理器是MPPT的控制核心，這里采用飛利浦80C552單片機來實現(xiàn)MPPT的控制。而且微處理器可以通過 RS232接口與PC機連接，實現(xiàn)MPPT和PC機之間信息的交換。 在信號調(diào)理電路部分，設(shè)計了線性光耦電路來實現(xiàn)信號的隔離與放大，以保證微處理器部分免受干擾。

1．2 MPPT的軟件設(shè)計

MPPT的軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括初始化、采樣、窮舉法跟蹤、成功失敗法跟蹤、PWM輸出、串口通訊等模塊。系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。

MPPT最大功率點的跟蹤程序分為窮舉法和成功失敗法兩種，MPPT依據(jù)太陽能車不同的運行情況，分別調(diào)用這兩種最大功率點跟蹤程序，以實現(xiàn)MPPT的功能。

2 MPPT最大功率點跟蹤策略

由于光電轉(zhuǎn)換過程的物理方程難以在實際應用中準確獲取參數(shù)，同時太陽能電池陣列的工作條件是不斷變化著的，因而太陽能電池陣列的輸出特性方程在太陽能車的應用中成為一個存在極大值的約束不確定方程。因此MPPT的最優(yōu)化問題采用直接搜索法求取。