Алгоритм MPPT на основе социально-групповой оптимизации в сочетании с фазосдвиговым резонансным преобразователем для зарядки аккумуляторов при частичном затенении СЭ

Почему важно умное солнечное зарядное

По мере роста числа электромобилей поиск чистых способов их зарядки становится не менее важным, чем производство самих автомобилей. Многие станции по-прежнему зависят от электроэнергии, полученной из ископаемого топлива, что подрывает экологические преимущества перехода на электротягу. Солнечные панели представляются привлекательной альтернативой, но их выход может сильно меняться при пролёте облаков, падении тени от зданий или оседании пыли на части массива. В этой работе исследуется более умный способ стабильно и эффективно извлекать энергию из солнечных панелей — даже при их частичном затенении — чтобы надёжно заряжать аккумуляторы электромобилей с минимальными потерями энергии.

Проблема неравномерного освещения

Солнечные панели ведут себя удивительно чувствительно, когда затенены лишь отдельные участки. Пара затемнённых ячеек может снизить эффективность всего массива, превращая эти элементы в небольшие нагреватели вместо источников энергии. Инженеры используют контроллеры «отслеживания точки максимальной мощности» (MPPT), которые постоянно регулируют режим работы панелей, чтобы получить как можно больше энергии. Традиционные методы хорошо работают при равномерном освещении, но когда одни панели в тени, а другие освещены, кривая «мощность — напряжение» приобретает несколько пиков вместо одного очевидного оптимума. Стандартные подходы склонны «застревать» на одном из локальных пиков и не использовать весь доступный потенциал.

Социально-вдохновлённый способ поиска оптимума

Авторы решают эту задачу с помощью стратегии управления, вдохновлённой тем, как люди учатся внутри социальных групп — метода Social Group Optimization. В этом подходе множество кандидатов на рабочую точку для солнечного массива ведут себя как члены группы. Некоторые играют роль лидеров, показывающих наилучший результат в данный момент, другие — ученики, которые корректируют свои решения, ориентируясь на успехи сверстников. Алгоритм чередует широкое исследование — пробует сильно отличающиеся рабочие точки — и сужение поиска на наиболее перспективную область при наличии явного лидера. Поскольку требуются лишь несколько настроечных параметров и простые вычисления, эта стратегия может выполняться в реальном времени на небольшом встроенном контроллере внутри зарядного устройства.

Высокоэффективный путь энергии к аккумулятору

Найти правильную рабочую точку — только половина дела; полученная энергия всё ещё должна быть передана в аккумулятор с минимальными потерями. Для этого команда разработала одноэтапный мостовой резонансный преобразователь — тип схемы, в которой используется высокочастотный трансформатор и тщательно подобранные индуктивности и ёмкости для переключения силовых элементов вблизи нуля напряжения или тока. Такое «мягкое переключение» существенно уменьшает нагрев и стресс в электронной компоненте. Схема также обеспечивает электрическую развязку для безопасности и способна работать при широком диапазоне входных условий от солнечного массива, выдавая стабильное низковольтное высокотоковое выходное напряжение, подходящее для зарядки аккумуляторов электромобилей.

Испытание системы

Полная система объединяет алгоритм социально-группового отслеживания с резонансным преобразователем в единой схеме управления. В подробных компьютерных моделированиях авторы сравнивают свой метод с несколькими известными глобальными алгоритмами поиска и базовым подходом отслеживания. При изменяющемся освещении социально-групповой метод быстро находит истинный глобальный максимум мощности, с меньшими колебаниями и более плавными переходами рабочих условий. При этом преобразователь удерживает стабильные выходные напряжение и ток, достигая пикового КПД около 97% — выше, чем у традиционных двухступенчатых систем — и улучшая регулирование напряжения примерно на 2%. Аппаратные испытания с использованием солнечного эмулятора и установки для зарядки мощностью 3 кВт подтверждают, что поведение, наблюдаемое в моделировании, воспроизводимо на практике.

Что это означает для будущих зарядных станций

Для неспециалиста главный вывод таков: авторы разработали архитектуру зарядного устройства, которая одновременно «думает» и «дышит» вместе с солнцем. «Думающая» часть — это социально вдохновлённый алгоритм, который постоянно учится находить, где массив может отдать максимум мощности, даже при частичном затенении. «Дышащая» часть — резонансный преобразователь, который аккуратно преобразует эту флуктуирующую энергию в плавный, эффективный поток в аккумулятор. Вместе они демонстрируют, что возможно создавать солнечные зарядные устройства для электромобилей с минимальными потерями энергии и надёжной работой в сложных реальных погодных условиях, способствуя тому, чтобы сети зарядки стали чище и устойчивее.

Цитирование: Jayaraman, J., Ramasamy, S., Vadivel, S. et al. Social group algorithm-based MPPT coupled with phase shift resonant converter for battery charging through partially shaded PV systems. Sci Rep 16, 9596 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-31674-y

Ключевые слова: солнечная зарядка электромобилей, частичное затенение, отслеживание максимальной мощности, резонансные преобразователи, силовая электроника