基于Matlab_Simulink的太阳能电动汽车动力系统仿真分析.pdf
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1、2023(7-8)轻型汽车技术40技术纵横基于Matlab/Simulink的太阳能电动汽车动力系统仿真分析宫英伟1高雪娇?薛菲3(1北京交通运输职业学院2 北京工业大学材料与制造学部3 北京汽车技师学院)摘要:太阳能电动汽车由于具有节能环保、资源丰富的优点,已经受到各国的普遍关注。本文对太阳能电池板进行了分析选取、安装设计和参数匹配。基于建立的太阳能电池仿真子模型,设计整车参数,对动力系统关键零部件电机、动力电池进行选型和匹配,对整车进行性能仿真,并与原车仿真结果进行对比分析。结果表明:该车的最高车速、加速性能和最大爬坡度等动力性能指标均满足设计要求,经过匹配的太阳能电动汽车动力系统可以很好
2、地满足车辆性能要求,也证明了加载的太阳能系统能够分担汽车的部分功率,在一定程度上能提升整车的续驶里程。关键词:太阳能电动汽车太阳能电池性能仿真Simulink1引言太阳能电动汽车由于具有不燃烧燃料和不排放污染物的优点,已经受到各国的普遍关注。我国拥有丰富的太阳能资源,把太阳能运用到电动汽车上将具有非常广阔的前景,一旦技术成熟,将对人类的社会产生巨大的正面影响。目前学者对太阳能电池板的研究主要集中在降低成本和提高车载太阳能电池转换及输出效率的研究方面,如丰田公司新款普锐斯插电式混合动力目前已实现了将太阳能电池板加入混合动力汽车,行驶时,产生的电能作为动力电池的辅助充电电源,与没有搭载太阳能电池板
3、的车型燃油经济性提升10%,延长了行驶距离,减少了油耗。由于太阳能电动汽车的开发总体设计部件之间的匹配还不成熟。对于研究的太阳能电动汽车实用性提升空间还很大,对车载太阳能仅作为整车小功率的辅助应用,主要原因有:例如光电技术、轻质车身技术、太阳能最大功率跟踪和控制技术等都有待提高,本文对太阳能电池转换及输出效率进行研究,对太阳能电池板进行选取,在电动汽车上进行安装设计及参数匹配。基于MATLAB/Simulink搭建了太阳能电池模型,并在ADVISOR中搭建整车模型,对太阳能电动汽车进行了性能仿真和理论分析。2车载太阳能电池的安装设计和参数匹配2.1车载太阳能电池转换及输出效率太阳能电池在光电转
4、换效率过程中,由于存在光学损失、光生载流子的收集效率、辐射效应、制造工艺等因素,相比理论极限效率,实际效率会降低。那么如何充分提高车载太阳能电池的转换输出效率是目前迫切需要解决的问题。目前提高太阳能电池转换及输出效率的方法有最大功率跟踪技术、应用混合型太阳能电池系统、优化电池表412023(7-8)技术纵横轻型汽车技术面结构和聚光技术。针对本车选择适合的方法提升太阳能电池转换效率,需要综合考虑多个因素和各转换效率方法的优缺点:首先针对本车选择提高转换效率明显的方法;其次要考虑实现难易性问题,最后是成本问题。另外上述几种方法若单独采用,所提高的转换效率都是有限的,若想较大幅度提高其转换效率,必须
5、同时采用多种技术。针对以上各方法优缺点的分析,本文选择目前较为成熟的最大功率跟踪技术,并优化太阳能电池的表面结构,采用凹凸结构,增加双层减反射膜。在选择最大功率跟踪技术的方法上,智能跟踪方法例如扰动观察法、电导增量法等。本文中所设模生产,但是受制于其制作材料的影响,使其具有光电效率衰退效应,稳定性不高。在成本方面,单晶硅太阳能电池成本较高,非晶硅薄膜太阳能电池和多晶硅薄膜太阳能电池成本较低。本文中设计的太阳能电动车主要从三个因素考虑太阳能电池的选型,分别为太阳能电池的光电转换效率、成本问题以及自身的工作稳定性。综合太阳能电池的各项性能,由于单晶硅太阳能电池技术成熟,转换效率最高,材质相比较好,
6、使用寿命较长,节约电耗,使用范围广泛,适用于本文所述的太阳能电动汽车。经调研,选取的太阳能电池主要参数如表1所示。表1太阳能电池的参数参数数值参数数值标称功率 Pm/W160最大功率点电压Vm/V25.4开路电压Voc/V34最大功率点电流m/A7.874m长*宽(LZ)/0.125X0.125短路电流Isc/A8.34计的太阳能发电系统,对控制精度的要求不是很高,开路电压已能很好地满足要求。2.2车载太阳能电池的选取太阳能电池应用广泛、目前发展最成熟的是硅太阳能电池。硅太阳能电池有单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。对比三种太阳能电池的性能。在转换效率方面,单晶
7、硅效率最高,技术最成熟,约为24.7%,规模生产时效率为15%;多晶硅薄膜效率约为18%,工业规模生产时效率为10%;相比非晶硅薄膜电池,两者转换效率较高。在制作工艺方面,多晶硅薄膜材料制造简便,制作时可节约电耗。单晶硅的材质要比多晶硅薄膜好,在生产过程中不易损坏。非晶硅薄膜有较轻的重量,便于大规2.3车载太阳能电池的安装设计和参数匹配本文所选的纯电动汽车是某品牌汽车产品,其外形参数如表2 所示。为增加太阳能电池板的安装面积,充分利用面积有限的车身,本车采用柔性半透明太阳能电池板,与普通的铝合金封装的太阳能电池板相比,柔性太阳能电池板重量轻,可轻微弯曲。后挡风玻璃可替换为太阳能电池板,由表2
8、可知车顶面积为:4.025*1.720=6.923m去除前档风玻璃面积,本文中所设计的太阳能电动汽车所能安装的太阳能电池板最大面积为:5.9 43 m。太阳能电池串联起来可获得所需要的电压,并联起来获得所需要的电流,从而对太阳能电池2023(7-8)42轻型汽车技术技术纵横表2纯电动汽车外形参数项目参数长/mm4025宽/mm1720高/mm1503前档风玻璃面积/0.98数量进行计算。(1)太阳能电池串联片数Ns的确定对于串联片数,需要根据动力电池的浮充电压U来确定。串联数太少,则串联电压相比动力电池浮充电压较低,阵列就不能对动力电池充电;串联数太多,相比于浮充电压串联电压较高,则充电电流不
9、会有明显增加,因此要达到最佳的充电状态,需要使得太阳能电池组件的串联电压与合适的浮充电压相等。串联片数Ns的确定:UFUr+Ui+UaNs=(1)UmUm式中UF-太阳能电池阵列的最小输出电压;Um太阳能电池组件的最佳工作电压;U-动力电池的浮充电压,随不同类型的动力电池变化;U,一一二极管电压降,一般取0.7 V;U。其他因素所引起的电压降。(2)太阳能电池组件并联片数Np的确定S=NsNpLZ(1+3%)5.943(2)S(3)Np=-NsLZ(1+3%)式中S-阵列总面积;L,Z分别为组件外形长、宽尺寸;3%阵列组件间的间隔余量。(3)太阳能电池组件每日发电量Q.的确定T=Hix2.77
10、8(4)10000式中T-峰值太阳小时数;H一-太阳能电池阵列安装位置的太阳能每日辐射量,取13 9 3 7 1kJ/m。Qp=locTKopCz(5)式中Q太阳能电池组件每日发电量Ioc太阳能电池组件最佳工作电流;T-等效峰值太阳小时数;Kop斜面修正系数,取1.0 9;C,修正系数,指因灰尘、衰减、组合、充电效率等造成的损失,一般取0.8;(4)太阳能电池阵列的功率计算根据太阳能电池组件的串并联数,即可计算出所需太阳能电池阵列的功率P:P=PoN,Np(6)式中P太阳能电池组件的额定功率。根据以上分析,本文匹配的太阳能电池的各项参数如表3 所示。3太阳能电池仿真模型的建立对于ADVISOR
11、现有的基于实验基础的总成模型,用户可根据需要进行修改模型的参数,也可设计算法建立新模型。ADVISOR仿真软件中只存在纯电动汽车模型,不能实现对太阳能电池和动力电池构成的复合能量源进行仿真实验,所以需要在Matlab/Simulink的基础上,建立太阳能电池仿真子模型,并将建立的太阳能电池模型添加至ADVISOR模型中。太阳能电池由P型半导体和N型半导体组432023(7-8)技术纵横轻型汽车技术表3匹配太阳能电池的参数参数数值参数数值阵列功率/kW3.92串联数1电池组件日发电量/Ah4.6并联数182北方地区日辐射量/(kJ/m)13937成,其利用了半导体PN结的光生伏特效应工作原理。当
12、半导体P-N结在有光照的情况下,使得带正电空穴移动至P型区域,负电子移动至N型区域,此时在PN结的两端形成电势差,从而形成电流。结合太阳能电池内部结构及其原理,得到太阳能电池的等效电路(如图1),另考虑金属电极在制作中,太阳能电池板的边缘可能会产生微小的裂痕、划痕,产生漏电流流过负载,使光生电流发生短路,所以引人并联电阻来等效。在实际的太阳能电池中,一般串联电阻大都在10 欧至几欧之间。并联电阻一般在1千欧以上,相比串联电阻较大。RIIaIshRsh图1太阳能电池的等效电路多片太阳能电池串、并联后的总输出电路公式为:g(V+IRs)V+IRsI=mlph-mloexp(11)nAKTRsh式中
13、m太阳能电池并联数;n太阳能电池串联数。I太阳能电池输出电流;I与日照强度成正比的光生电流;I一二极管正向电流;太阳能电池的漏电电流;Io-太阳能电池二极管反向饱和电流;单位电荷();V-太阳能电池输出电压;R.串联等效电阻;A一一二极管因子,介于1和2 之间;K一王玻尔兹曼常数();T一太阳能电池绝对温度;Rh并联等效电阻。在实际生产中,光电转换过程中会引起表面电极和半导体电阻率的损耗。当引人串联电阻R。越大,损耗就越大,此时太阳能电池的发电效率就偏低。通常输入的电阻在几欧姆至十几欧姆之间。由于工艺原因产生的并联电阻Rh比较大,有几千欧姆。所以针对以上特点提出以下两点近似:太阳能电池在进行光
14、电转化时负载端被短路,串联电阻很小,可近似为R,=0,假设短路电流I.等于二极管反向饱和电流Io,则有Is=I.e。假设并V+IR联电阻R无穷大,Lh=R.h近似为0,在光电转换时负载端开路,有V=V,I=0。式(10)可简化为:I=I.c-cl exp(-V(12)C2Voc在最大功率点时,V=Vm,I=Im代人式(12)得:2023(7-8)44轻型汽车技术技术纵横VmIm=Isc1-cileexp(C2Voc(13)VmIm式中C2Voc(14)C1IscVm一1ImC2:1n(15)VocIsc因此要计算出ci和c2,只需要获得厂商提供的标准情况(光照强度S=1000W/m和温度T=2
15、5)下太阳能电池的参数,包括太阳能电池的短路电流Ic、最大功率点电流Im、开路电压V。最大功率点电压Vm。根据厂商提供的参数,引人补偿系数a=0.0025-1、b=0.0 0 0 5(W/m)-1、c=0.00288-1,推算出任意日照强度和温度下的IcvU.I.和Vmo建立太阳能电池的仿真模型如图2 所示。本文所设计的太阳能电池仿真模型考虑了太阳能辐射强度、环境温度、太阳能电池的开路电压、短路电流、最大功率点电流、最大功率点电压对I-V特性的影响。同时,为了验证模型的准确性,建立太阳能电池特性仿真图,如图3 所示,获得了在标准条件下(环境温度2 5,光照强度1000/m2)的电池I-V和P-
16、V曲线图,分别如图4和图5 所示。M图2太阳能电池仿真模型25U-IGraphTc7000SToWorkspace1PV_cellToWorkspace2ProductToWorkspaceU-PGraph1图3太阳能电池特性仿真图765V/审4321001020304050电压/V图4电池I-V曲线图2023(7-8)45轻型汽车技术技术纵横从仿真结果可以看出,获得I-V和P-V的仿真曲线与理论曲线基本相符,建立的模型是可行的。由于新增太阳能电池系统,为了能实现太阳能电池、动力电池对电机的功率传递,需要重新建立接口模型。能量源由原来单一电池改为太阳能电池与动力电池复合能量,太阳能电池与动力电
17、池产生的功率之和是作为上一级电机的可用功率,完成上一级电机对电源功率需求的传递。200180160140M/本12010080604020001020304050电压/V图5电池P-V曲线图对于ADVISOR的总成模型,可根据需要对模型库文件进行修改、添加和新建等。将新建的模型进行系统封装,并存人电源库中,以便为太阳能电动汽车的性能仿真提供模块库,并构造太阳能电动汽车模块,如图6 所示。其次,由于ADVISOR默认的纯电动汽车的装载文件只包含了单一能源,为了满足太阳能电动汽车对装载文件调用的需要,需要配置装载文件。为确保ADVISOR在增加新模块后能够识别,需要对ADVISOR中内部的.m文件
18、进行适当的修改,向全局变量vinf的驱动链域中添加该车辆模型,正确调用太阳能电动汽车模块。4太阳能电动汽车整车性能仿真分析4.1整车参数设计进行汽车的动力总成的匹配研究之前,必须先确定汽车的性能指标。由于本文重点研究以某品牌车型为原型,根据电动汽车动力参数的设计原则,进行太阳能电动汽车的设计,对动力系统部件进行参数选择和匹配研究。太阳能电动汽车的整车参数指标如表4所示。太阳能电动汽车的动力特性主要由4个方面的指标组成,即最高车速、加速时间和最大爬坡度。最高车速140 km/h;0-100km/h加速时间t18s;30km/h时最大爬坡度3 0%;续驶里程10 0 km4.2电机的选取和匹配ga
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