基于太陽能電池供電的復(fù)合電源控制系統(tǒng)畢業(yè)論文

1、. . . . 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文） 畢 業(yè) 論 文課題名稱基于太陽能電池供電的復(fù)合電源控制系統(tǒng)的設(shè)計系 部電氣工程系專 業(yè)電氣工程與其自動化班 級T1123-2學(xué) 號*姓 名*指導(dǎo)教師*摘要本文對復(fù)合電源的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。復(fù)合電源室友超級電容和鉛酸電池并聯(lián)構(gòu)成，將蓄電池的高比能量和超級電容的高比功率的優(yōu)點結(jié)合到了一起。超級電容可在電機負(fù)載啟動的過程中提供強大的電流，避免了因大電流放電而損壞鉛酸電池，可延長鉛酸電池的使用壽命；在電機制動的過程中反饋的大電流可由超級電容吸收，實現(xiàn)能量的回收，同時又保護(hù)了鉛酸電池不受大電流的沖擊而損壞。本文的研究容對復(fù)合電源控制系統(tǒng)進(jìn)行了初步的探索。在了解復(fù)

2、合電源的特性的基礎(chǔ)上，了解了復(fù)合電源控制系統(tǒng)中需完成的工作任務(wù)。并根據(jù)復(fù)合電源的控制目標(biāo)，制定了具體的控制方法，在一定的實際平臺上進(jìn)行控制方法的模擬測試以與對系統(tǒng)部分工作模式進(jìn)行了實際的測試分析。關(guān)鍵詞：復(fù)合電源；超級電容；鉛酸電池；控制系統(tǒng)AbstractThe hybrid power control system was researched in this paper. The hybrid power system constituted by the battery and the ultracapacitor can combine the advantage of the hi

3、gh energy density of battery and the high power density of ultracapacitor. Ultracapacitor can provide strong current when then motor load is starting in order to avoid the strong current discharge which can destroy the battery and to extend battery life. The feedback of strong current can be absorbe

4、d by the ultracapacitor when motor is braking in order to implement the energy recovery and protect the battery from the impact of the strong current. The research in this paper can be used as the initial exploration of hybrid power control system.Based on theunderstanding of the characteristicsofhy

5、bridpower system,what the control system ofhybridpoweris required to complete thetask is known. According to the control targetof hybrid power system,the specific control methods is formulated,Simulation test is taken forthe control methodsin practicalplatformof certain, and some part of the workmod

6、e ofsystem is analyzed inthe actual test.Key:Compositepower supply; ultracapacitor; lead-acidbattery;control system目錄第1章緒論- 1 -1.1 研究目的與意義- 1 -1.2 國外現(xiàn)狀- 1 -1.3 課題主要研究容- 3 -1.4 本章小結(jié)- 3 -第2章基于太陽能電池板充電系統(tǒng)控制工作原理- 4 -2.1 系統(tǒng)總體框圖- 4 -2.2 系統(tǒng)工作原理- 5 -2.3 系統(tǒng)控制方法分析- 6 -2.3.1 繼電器控制連接框圖- 6 -2.3.2 系統(tǒng)工作模式- 6 -2.3.3

7、 各工作模式下繼電器狀態(tài)- 9 -2.3.4 各工作模式間轉(zhuǎn)換時繼電器操作順序- 10 -2.4 本章小結(jié)- 13 -第3章系統(tǒng)控制硬件設(shè)計- 14 -3.1各組成模塊介紹- 14 -3.1.1光伏電池板- 14 -3.1.2單片機- 14 -3.1.3控制器DC-DC變換電路- 14 -3.2單片機控制原理圖- 15 -3.2.1最小系統(tǒng)- 15 -3.2.2單片機供電模塊- 16 -3.2.3通信模塊- 16 -3.2.4開關(guān)量輸入隔離模塊- 17 -3.2.5電壓電流采樣模塊- 17 -3.2.6 TL494輸出PWM控制- 18 -3.2.7 主回路繼電器控制- 19 -3.3 本章小

8、結(jié)- 19 -第4章系統(tǒng)軟件控制方法分析- 20 -4.1 軟件編程環(huán)境介紹- 20 -4.2 軟件控制總體流程分析- 20 -4.3 主程序分析- 24 -4.3.1 buck變換器單片機控制系統(tǒng)- 24 -4.3.2 boost變換器單片機控制系統(tǒng)- 27 -4.4 各部分子程序分析- 29 -4.4.1 buck變換單片機控制系統(tǒng)- 29 -4.4.2 boost變換器單片機控制系統(tǒng)- 30 -4.5 本章小結(jié)- 32 -第5章實驗結(jié)果分析- 33 -5.1 各工作模式下實驗數(shù)據(jù)分析- 33 -5.2 模式轉(zhuǎn)換控制實驗結(jié)果分析- 36 -5.3 本章總結(jié)- 37 -全文總結(jié)- 38 -致

9、- 39 -參考文獻(xiàn)- 40 - 38 - / 43第1章 緒論1.1 研究目的與意義為了解決環(huán)境污染和能源緊缺的問題,“節(jié)能減排”在世界各國政府產(chǎn)業(yè)政策中都處于重中之重的地位。為此世界各國的政府、學(xué)術(shù)界、工業(yè)界等正在加大對電動汽車開發(fā)的力度,加速電動汽車的商品化步伐。單一的能量源不能滿足需要,由超級電容和蓄電池組合成復(fù)合電源,充分利用超級電容比功率高和蓄電池比能量高的特點 宋慧.電動汽車M.第1版.:人民交通,2006.。超級電容可以在電動汽車啟動、加速、爬坡時提供強大的電流,避免了因大電流放電而損壞了蓄電池,延長了蓄電池的使用壽命;在電動汽車下坡或制動時,反饋的大電流被超級電容所吸收,實現(xiàn)

10、了能量回收,同時也保護(hù)了蓄電池不受大電流的沖擊而損壞。同時在如今能源越來越短缺的今天，太陽能作為一種清潔的、取之不盡用之不竭的能源，用做復(fù)合電源系統(tǒng)中的能量源也十分有利于能源的利用和環(huán)境的保護(hù)。復(fù)合電源在電動汽車上的應(yīng)用,具有重要意義,使得對復(fù)合電源的控制系統(tǒng)的研究有著重要的意義。本文針對基于太陽能電池供電的復(fù)合電源控制系統(tǒng)進(jìn)行研究?？傊?復(fù)合電源的應(yīng)用使電動汽車滿足動力性、經(jīng)濟(jì)性的要求,提高了電動汽車的實用性,具有重要的實用價值和廣闊的發(fā)展前景，決定了對于復(fù)合電源控制系統(tǒng)的應(yīng)運而生。1.2 國外現(xiàn)狀復(fù)合電源的研制與開發(fā)可以進(jìn)一步提高電動汽車的經(jīng)濟(jì)性與動力性,降低整車成本和使用費用,加快電動汽

11、車在我國推廣應(yīng)用的進(jìn)程,盡快使我國汽車工業(yè)在世界汽車舞臺上占有一席之地國一些汽車公司和高校已經(jīng)加快了對復(fù)合電源的研制工作,并且已經(jīng)取得了相應(yīng)的進(jìn)展。2003年理工大學(xué)與北方華德尼奧普蘭客車股份共同研制純電動旅游客車“BFC6110-EV” 張靖.超級電容蓄電池復(fù)合電源的研究與仿真D.武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文.2005. 。該車使用安裝了鏗電子電池組、超級電容儲能系統(tǒng)以與先進(jìn)的多能源管理控制系統(tǒng)、交通驅(qū)動系統(tǒng),目前己通過整車型式認(rèn)證試驗,主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或超過預(yù)定要求。大學(xué)汽車工程學(xué)院混合動力客車研究組負(fù)責(zé)承擔(dān)解放牌混合動力城市客車車載部件的實驗工作,對電池裝置進(jìn)行了比較充分的研究,并且掌握了大

12、量的相關(guān)數(shù)據(jù),為復(fù)合電源的開發(fā)打下了堅實的基礎(chǔ) 李福文.復(fù)合電源的參數(shù)匹配和控制策略研究D.吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文.2005. 。并且該課題組早已著手復(fù)合電源的研制工作,目前已經(jīng)完成了第一階段的工作,即仿真軟件的編寫與開發(fā)階段工作,已經(jīng)可以進(jìn)行各種連接與參數(shù)匹配形式的仿真研究。總之,國對由蓄電池和超級電容構(gòu)成的復(fù)合電源的設(shè)計與控制理論的研究還剛剛起步,雖然對超級電容的研究和生產(chǎn)已經(jīng)有了很大的進(jìn)展,但對復(fù)合電源的研究還比較少,還需要長時間的努力。在以后的幾年,復(fù)合電源的研究必然會引起人們的高度重視。在國外,復(fù)合電源作為電動汽車電源裝置已經(jīng)有原型車問世,不少企業(yè)與機構(gòu)的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。Fl

13、AT Cinquecento Eletra使用Sonnensehein公司的鉛酸電池和AlsthomAleatel的超級電容構(gòu)成復(fù)合電源。性能測試結(jié)果顯示:市區(qū)和郊區(qū)行駛工況分別節(jié)能40%和20%,在完整的ECE循環(huán)工況下節(jié)能14% 陳清泉,孫逢春,祝嘉光.現(xiàn)代電動汽車技術(shù)M.第1版.:理工大學(xué),2002.。Chugoku電力公司和豐田公司研發(fā)中心合作在MazdaBongoFriend上安裝由VRLA和超級電容組成的混合儲能系統(tǒng),并進(jìn)行相關(guān)的性能測試4。該儲能系統(tǒng)使用402的Panasonic超級電容,用超級電容作為負(fù)載均衡裝置使閥控鉛酸電池更好地運用于電動汽車。澳大利亞一家科研機構(gòu)研制出一臺

14、電動汽車,采用的是鉛酸電池和超級電容混合,電動機采用永磁無刷直流電動機。在電動汽車啟動時,由超級電容提供能量,采用降壓斬波驅(qū)動;正常運行時,由蓄電池提供所需能量,采用升壓斬波驅(qū)動。ISE公司將Maxwell的超級電容整合到汽油、柴油和燃料電池混合動力車之中。特別需要說明的是,自從開發(fā)ThundercaPn超級電容系統(tǒng),ISE已經(jīng)將其動力系統(tǒng)引入到汽一電混合動力車、柴一電混合動力車、氫一電混合動力車和燃料電池混合動力車的設(shè)計之中 倪穎倩.電動汽車關(guān)鍵技術(shù)-復(fù)合電源的研究D.南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文.2008.。清潔運行、安靜、低維護(hù)要求的車輛己經(jīng)走上了一些美國的城市,包括LongBeach和Sa

15、cramentoCA。ISE己經(jīng)與西門子與Flyer公司結(jié)成伙伴關(guān)系,共同生產(chǎn)這些混合動力車。目前,在ISE的混合動力和燃料電池公交車上,有3萬多超級電容器在工作,提供超過7500萬法拉的電力驅(qū)動和再生剎車功率。早在2006年初,Bartley就估計超級電容供電的公交車隊己經(jīng)提供了超過200萬英里的清潔、可靠的服務(wù),為我們的星球提供了清潔的運輸服務(wù)5。以上可以看出,國外對復(fù)合電源的研究已卓有成效,相信在不久的將來,在電動汽車上,復(fù)合電源會得到更廣泛的應(yīng)用。1.3 課題主要研究容本課題首先針對光伏電池的特性進(jìn)行了系統(tǒng)性的分析，對光伏電池的原理，負(fù)載特性和輸出特性曲線等深入掌握和了解，確定了光伏充

16、電器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本設(shè)計中用到了buck，boost 變換器，主回路的連接使用繼電器控制，繼電器則采用單片機控制，buck，boost變換器均有一塊單片機控制，兩塊單片機之間可相互通信，來控制電路的工作狀態(tài)。PWM控制電路的核心采用的是TL494。其中buck變換器用于給電容充電，boost變換器用于給鋰電池充電和負(fù)載供電，鋰電池，超級電容用于給負(fù)載供電，考慮到鋰電池的充放電特性，與負(fù)載啟動，制動的特性，超級電容主要作用就是提供負(fù)載啟動時所需電流，與吸收制動時所能量回饋產(chǎn)生的沖擊電流。 總而言之，有以下幾點：1. 控制buck變換器恒流工作模式2. 控制boost變換器恒壓、恒流工作模式與模式間

17、的切換3. 控制系統(tǒng)充電工作模式時，變換器的選擇以與充電對象的選擇。4. 控制負(fù)載工作時，供電對象的選擇與切換。1.4 本章小結(jié)本章主要講述了本研究課題的目的與意義，國外現(xiàn)狀，與本課題的主要研究容和研究系統(tǒng)的基本組成。第2章 基于太陽能電池板充電系統(tǒng)控制工作原理2.1 系統(tǒng)總體框圖圖2.1 系統(tǒng)總體框圖該系統(tǒng)中鉛酸電池用于給負(fù)載供電，超級電容主要是提供電機啟動時所需的大電流，和吸收電機制動時的反饋能量。系統(tǒng)中有兩套DC-DC變換裝置，光伏電池通過buck 變換器可給超級電容充電，將轉(zhuǎn)化的電能存儲到超級電容供電機啟動。Boost 變換器可用來給鉛酸電池充電，也可用來給超級電容充電，光照充足時還可

18、直接用來給負(fù)載供電?？傮w說來，系統(tǒng)的的工作模式比較多，如何使系統(tǒng)穩(wěn)定工作與合理的在各個工作模式之間切換時本文研究的關(guān)鍵。2.2 系統(tǒng)工作原理整個系統(tǒng)各個部分之間協(xié)同工作需根據(jù)負(fù)載的工作狀態(tài)與光伏電池的能量輸出狀態(tài)來控制系統(tǒng)的運行，同時兩個DC-DC變換器之間的單片機相互通信，根據(jù)對方控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)來控制自身的工作狀態(tài)，相互之間協(xié)調(diào)有序運行。針對電機負(fù)載的4種工作狀態(tài)，負(fù)載不工作、負(fù)載啟動、負(fù)載穩(wěn)定運行與負(fù)載制動。分析系統(tǒng)的工作模式，能量流向。電機負(fù)載不工作：此時，若光伏電池?zé)o功率輸出，則系統(tǒng)不工作，buck, boost變換器均與太陽能電池板斷開連接；若光伏電池有功率輸出，系統(tǒng)進(jìn)入充電狀態(tài)

19、，光伏電池接buck變換器，buck變換器單片機控制電路向boost變換器單片機控制電路發(fā)送工作狀態(tài)，控制boost變換器不與光伏電池連接，buck 變換器輸出端連接超級電容，系統(tǒng)進(jìn)入給電容充電狀態(tài)。Buck變換器單片機控制電路檢測電容充電狀態(tài)，當(dāng)檢測到buck變換器對電容充電完成時，斷開buck變換器與光伏電池的連接，準(zhǔn)備進(jìn)入系統(tǒng)下一狀態(tài)光伏電池通過boost變換器給鉛酸電池充電。此時，boost變換器輸出接鉛酸電池，光伏電池與boost變換器連接。當(dāng)boost變換器單片機控制電路檢測到鉛酸電池充電完成時，boost變換器輸出切換到超級電容，給超級電容充電。當(dāng)boost變換器單片機控制電路檢

20、測到電容上電壓達(dá)到上限時，停止充電，斷開boost變換器與光伏電池的連接。電機負(fù)載啟動：電機啟動時需要較大的啟動電流，由超級電容供給。此時，鉛酸電池與超級電容并聯(lián)給負(fù)載供電，同時光伏電池通過boost變換器給負(fù)載供電，boost變換器此時的工作狀態(tài)由其單片機控制電路調(diào)節(jié)至恒壓模式。電機負(fù)載穩(wěn)定工作：電機正常工作時，由光伏電池通過boost變換器與鉛酸電池共同給負(fù)載供電。此時，boost變換器工作于恒壓模式。電機制動：電機制動時，會產(chǎn)生較大的反饋電流，此時超級電容與電機連接，用來吸收這部分能量。2.3 系統(tǒng)控制方法分析2.3.1 繼電器控制連接框圖圖2.2為繼電器控制連接框圖，繼電器是為了系統(tǒng)在

21、各個工作模式下相互轉(zhuǎn)化，合理的繼電器連接可以降低系統(tǒng)控制的難度，提高系統(tǒng)安全可靠性。圖2.2 繼電器控制連接框圖 繼電器SW1，SW3，SW4由boost控制器控制；繼電器SW2，SW5，SW6，SW7由buck控制器控制。兩個控制器協(xié)同工作完成系統(tǒng)工作模式的轉(zhuǎn)換。2.3.2 系統(tǒng)工作模式由繼電器控制連接框圖可知，要想系統(tǒng)正常有序運行，必須合理、準(zhǔn)確控制各個繼電器的狀態(tài)與系統(tǒng)中各個模塊的工作模式。如此，必須清楚系統(tǒng)所有可能的工作模式，與各個工作模式之間的正確切換。以下部分主要介紹系統(tǒng)的各種工作模式的模式框圖與工作單元。由于系統(tǒng)不能同時處于充電和放電狀態(tài)，下面將系統(tǒng)處于充電工作狀態(tài)下的模式轉(zhuǎn)換與

22、系統(tǒng)出于放電工作工作狀態(tài)下的模式轉(zhuǎn)換分開討論分析。下面先分析系統(tǒng)處于充電狀態(tài)下的模式轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)處于充電狀態(tài)時，充電的對象有超級電容和鉛酸電池，變換器由buck變換器和boost變換器兩種，由于buck變換器只能用來給超級電容充電，而boost變換器可用來給超級電容和鉛酸電池充電，系統(tǒng)處于充電狀態(tài)時，工作模式有3種。分析充電狀態(tài)下系統(tǒng)3種工作模式如下：Mode1：光伏電池經(jīng)buck變換器給超級電容充電的工作模式，圖2.3描述了該工作模式下能量的流向。圖2.3 Mode1下能量流向圖該工作模式下，buck變換器工作于恒流模式給超級電容充電，同時系統(tǒng)中單片機控制系統(tǒng)檢測超級電容的充電狀態(tài)，當(dāng)超級電容

23、經(jīng)buck變換器額充電完成時，單片機控制系統(tǒng)根據(jù)外界控制信號將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到其他工作模式。Mode2：光伏電池經(jīng)boost變換器給超級電容充電的工作模式，圖2.4描述了該工作模式下能量流向。圖2.4 Mode2下能量流向圖該工作模式下，boost變換器工作于恒流模式，單片機控制系統(tǒng)檢測鉛酸電池的充電狀態(tài)。充電完成時，若未檢測到系統(tǒng)充電控制開關(guān)斷開，系統(tǒng)切換到下一充電模式，否則系統(tǒng)退出充電狀態(tài)。Mode3：光伏電池經(jīng)boost變換器給超級電容充電的工作模式，圖2.5描述了該工作模式的能量流向。圖2.5 Mode3下能量流向圖該工作模式下，boost變換器依然工作于恒流模式，需要注意的是由于boost

24、變換器的工作特性，其輸出電壓一定不會比輸出電壓低，因此不能直接用來給超級電容充電，必須使boost變換器最低輸出電壓和超級電容上電壓的差值在一個很小的圍是，才可用boost變換器來個超級電容充電，因此該模式必須在Mode1完成的狀態(tài)下，系統(tǒng)才能轉(zhuǎn)換到當(dāng)前工作模式。模式之間相互轉(zhuǎn)換時，必須十分注意此順序，轉(zhuǎn)換到該模式時，軟件控制中，也需檢測輸入電壓和超級電容的電壓，來判斷是否可以進(jìn)行該模式轉(zhuǎn)換。以上就是對系統(tǒng)處于充電狀態(tài)下的各種工作模式分析，下面分析系統(tǒng)處于放電狀態(tài)下時，各工作模式。系統(tǒng)處于該狀態(tài)下時，吸收能量的只有電機負(fù)載，提供能量的有太陽能電池板、鉛酸電池和超級電容。由于電機吸收能量是有啟動

25、和穩(wěn)定運行兩種狀態(tài)，不同狀態(tài)下，提供能量的對象不同，這里有2種工作模式。Mode4：電機負(fù)載啟動，光伏電池、超級電容與鉛酸電池一同給負(fù)載供電的工作模式。圖2.6 描述了該工作模式下能量的流向。圖2.6 Mode4下能量流向圖該工作模式下，由于電機啟動電流較大，需要超級電容為其提供啟動過程中所需的大電流，電機啟動過程結(jié)束，進(jìn)入穩(wěn)定運行狀態(tài)時，將超級電容從電路中切除，轉(zhuǎn)換到另一工作模式。光伏電池通過boost變換器給電機供電時，單片機控制電路將boost變換器切換到恒壓模式。Mode5：電機負(fù)載穩(wěn)定運行，光伏電池和鉛酸電池給負(fù)載供電的工作模式。圖2.7描述了該工作模式下能量的流向。圖2.7 Mod

26、e5下能量流向圖電機負(fù)載啟動結(jié)束后，電機進(jìn)入穩(wěn)定運行狀態(tài)，此狀態(tài)下，無需超級電容提供大電流，將超級電容切除，只有鉛酸電池和光伏電池給負(fù)載供電，boost變換器工作于恒壓模式。由于電機還有制動這一工作狀態(tài)，此時電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能，處于發(fā)電狀態(tài)，為了充分利用能量，可用超級電容來吸收電機制動時的能量回饋。Mode6：超級電容吸收電機制動時能量回饋模式。圖2.8為該模式下能量流向圖。圖2.8 模式6下能量流向圖當(dāng)系統(tǒng)各模塊均不工作時，系統(tǒng)處于停止模式，記該模式為Mode7。2.3.3 各工作模式下繼電器狀態(tài)了解清楚系統(tǒng)的各個工作模式，還需確定在各種工作模式下，繼電器的相關(guān)狀態(tài)，才能清楚如何控制系統(tǒng)

27、在各個模式之間轉(zhuǎn)換。參見繼電器控制連接框圖繪制表格表明各個工作模式下繼電器的狀態(tài)如下：表2.1 各工作模式下繼電器狀態(tài)表SW1SW2SW3SW4SW5SW6SW7Mode1OFFON觸點2觸點4OFF OFF觸點6Mode2ONOFF 觸點1觸點4OFFOFF觸點5Mode3ONOFF觸點2觸點3OFFOFF觸點6Mode4ONOFF觸點1觸點4ONON觸點5Mode5ONOFF觸點1觸點4ONOFF觸點5Mode6OFFOFF 觸點2觸點4OFFON觸點5Mode7OFFOFF觸點2觸點4OFFOFF觸點5表2.1 表明了系統(tǒng)在各種工作模式下時，各繼電器的開端狀態(tài)或觸點連接狀態(tài)，由表可清楚看

28、出系統(tǒng)在不同模式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時繼電器狀態(tài)的變化，由于系統(tǒng)在模式轉(zhuǎn)換過程中各個模塊之間連接順序不是隨意的，繼電器切換的過程還需要根據(jù)繼電器連接框圖確定具體的切換順序。下面分析各種工作模式之間進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換時，繼電器的具體操作順序。2.3.4 各工作模式間轉(zhuǎn)換時繼電器操作順序根據(jù)上表可知，系統(tǒng)處于不同的工作模式下時，對應(yīng)著不同的繼電器狀態(tài)，切換系統(tǒng)的工作模式時，就必須控制繼電器狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程的步驟不是隨意的，否則可能會使得系統(tǒng)進(jìn)入一個不可知的狀態(tài)，造成系統(tǒng)的功能紊亂，嚴(yán)重時可能還會造成系統(tǒng)短路，損壞系統(tǒng)。系統(tǒng)的工作模式與負(fù)載的工作狀態(tài)息息相關(guān)，必須考慮系統(tǒng)切換過程中繼電器狀態(tài)變換順序。下面分析

29、負(fù)載處于不同的工作狀態(tài)時，系統(tǒng)的工作模式以與相應(yīng)模式的切換。負(fù)載不工作時：圖2.9負(fù)載不工作時系統(tǒng)所有可能模式轉(zhuǎn)換圖負(fù)載不工作時，系統(tǒng)啟動之后，進(jìn)入充電模式，首先工作于Mode1，即光伏電池通過buck變換電路對超級電容充電。buck變換器對超級電容的充電完成時，系統(tǒng)切換工作模式，進(jìn)入Mode2，即光伏電池通過boost變換器對鉛酸電池充電。當(dāng)光伏電池對鉛酸電池的充電完成時，系統(tǒng)再切換到Mode3，即光伏電池通過boost變換器對超級電容充電。超級電容的電壓達(dá)到boost變換器輸出電壓上限時，停止充電，系統(tǒng)切換到停止模式。除了以上相關(guān)切換過程之外，考慮到系統(tǒng)處于任意工作模式時，可能因為外界因素

30、，人為控制，系統(tǒng)需從其中任意模式直接進(jìn)入停止模式，還需分析以上任一模式下，如何切換到停止模式。（1）系統(tǒng)啟動進(jìn)入Mode1，即由停止模式進(jìn)入光伏電池經(jīng)buck變換器給超級電容充電。系統(tǒng)啟動前，處于停止模式，該過程即是有Mode7轉(zhuǎn)換見到Mode1。分析各工作模式下繼電器狀態(tài)表可知：由Mode7到Mode1的轉(zhuǎn)換只有SW2，SW7的狀態(tài)發(fā)生了變化。操作步驟：合上SW2SW7接觸點6（2）Mode1轉(zhuǎn)換到Mode2，即光伏電池經(jīng)buck變換器給超級電容充電切換到經(jīng)boost變換器給鉛酸電池充電。該轉(zhuǎn)換過程SW1，SW2，SW3，SW7狀態(tài)均發(fā)生了變化。操作步驟：斷開SW2SW7接觸點5合上SW1S

31、W3接觸點1（3）Model2轉(zhuǎn)換到Model3，即光伏電池經(jīng)boost變換器由給鉛酸電池充電切換到給超級電容充電。該轉(zhuǎn)換過程SW3，SW4，SW7狀態(tài)發(fā)生變化。操作步驟：SW7接觸點6SW3接觸點2SW4接觸點3（4）Model1轉(zhuǎn)換到Model7，光伏電池經(jīng)buck變換器給超級電容充電切換到停止模式。該轉(zhuǎn)換過程SW2，SW7的狀態(tài)發(fā)生變化。操作步驟：斷開SW2SW7接觸點5（5）Model2轉(zhuǎn)換到Model7，即光伏電池經(jīng)boost變換器由給鉛酸電池充電切換到停止模式。該轉(zhuǎn)換過程SW1，SW3的狀態(tài)發(fā)生變化。操作步驟：斷開SW1SW3接觸點2（6）Model3轉(zhuǎn)換到Model7，光伏電池經(jīng)

32、boost變換器給超級電容充電切換到停止模式。該轉(zhuǎn)換過程SW1，SW4，SW7的狀態(tài)發(fā)生變化。操作步驟：SW7接觸點5斷開SW1SW4接觸點4以上是負(fù)載不工作時，系統(tǒng)各種模式轉(zhuǎn)換的過程中需要進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的繼電器與其操作順序分析。負(fù)載啟動到穩(wěn)定運行以與制動停止：圖2.10 負(fù)載啟動到穩(wěn)定運行以與制動停止所有可能模式轉(zhuǎn)換圖電機負(fù)載啟動時需要較大的啟動電流，此時工作于Model4，由鉛酸電池，超級電容，光伏電池經(jīng)boost變換器同時給負(fù)載供電，超級電容主要是為了提供電機啟動所需的電流。當(dāng)電機啟動之后，進(jìn)入穩(wěn)定運行狀態(tài)，此時將超級電容從電路中切除，由鉛酸電池和光伏電池給負(fù)載供電，系統(tǒng)進(jìn)入工作模式Mod

33、el5，電機負(fù)載穩(wěn)定運行模式。當(dāng)接受到制動命令式，系統(tǒng)進(jìn)入制動狀態(tài)，即工作模式Mode6，此過程可能發(fā)生在系統(tǒng)啟動或穩(wěn)定運行過程中。制動結(jié)束后系統(tǒng)進(jìn)入停止模式。（1）系統(tǒng)啟動到Model4，即由停止模式進(jìn)入電機負(fù)載啟動模式，此切換過程即由Model7切換到Model4，SW1，SW3，SW5，SW6狀態(tài)發(fā)生變化，操作步驟：合上SW1SW3接觸點1閉合SW6，SW5（2）Model4轉(zhuǎn)換到Model5，即電機啟動模式進(jìn)入穩(wěn)定運行模式，此時切除超級電容對負(fù)載的供電。此過程僅SW6狀態(tài)發(fā)生變化，操作步驟：斷開SW6（3）Mode4轉(zhuǎn)換到Mode6，即電機啟動模式進(jìn)入制動模式，此時SW1，SW3，SW

34、5狀態(tài)發(fā)生變化。操作步驟：斷開SW5斷開SW1SW3接觸點2（4）Mode5轉(zhuǎn)換到Mode6，即電機穩(wěn)定運行到制動模式，此時SW1，SW3，SW5，SW6狀態(tài)發(fā)生變化。操作步驟：閉合SW6斷開SW5斷開SW1SW3接觸點2（5）Mode6轉(zhuǎn)換到Mode7，即制動模式結(jié)束后轉(zhuǎn)換到停止模式，此時SW6的狀態(tài)發(fā)生變化。操作步驟：斷開SW6。以上是負(fù)載啟動到穩(wěn)定運行以與制動停止，系統(tǒng)各種模式轉(zhuǎn)換的過程中需要進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的繼電器與其操作順序分析。2.4 本章小結(jié)本章主要介紹了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的各種工作模式，各種工作模式下的控制狀態(tài)，以與不同狀態(tài)間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的控制操作。通過本章的分析，可清楚各個模式間轉(zhuǎn)

35、換的具體操作，方便后面軟件的設(shè)計。第3章 系統(tǒng)控制硬件設(shè)計3.1各組成模塊介紹3.1.1光伏電池板系統(tǒng)供電采用光伏電池板，光伏電池板一種通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接將光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。光伏電池在系統(tǒng)中作為能量輸入源。3.1.2單片機本課題中單片機采用的是飛思卡爾的8位單片機MC9S08SG16,是低成本，高性能的HCS08系列的成員，提供多種模塊，存大小和封裝類型 MC9S08SG32 Microcontroller 數(shù)據(jù)手冊K,2012.?？筛鶕?jù)實際應(yīng)用選擇，這里選擇的是20Pin 封裝。該單片機包含模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC、IIC總線、時鐘模塊MTIM、實時時鐘RTC、脈寬調(diào)制模塊TPM等等6

36、，完全滿足該課題的需求。其引腳分布圖如下:圖3.1 MC9S08SG16 引腳分布圖63.1.3控制器DC-DC變換電路DC-DC變換電路不僅轉(zhuǎn)換效率很高，而且可通過對半導(dǎo)體開關(guān)通斷時間控制來控制輸出的電壓電流，可方便調(diào)節(jié)輸出功率，調(diào)節(jié)光伏電池的輸出供率，追蹤最大功率工作點 王兆安,劉進(jìn)軍等.電力電子技術(shù)M.:機械工業(yè),2009:119-138.。本課題采用的是buck和boost變換電路。3.2單片機控制原理圖3.2.1最小系統(tǒng)單片機控制最小系統(tǒng)圖如下：圖3.2 單片機最小系統(tǒng)圖圖3.2為單片機最小系統(tǒng)，最小系統(tǒng)是單片機工作的最小單元，也是單片機系統(tǒng)中最核心的部分，外部電路主要有晶振電路和復(fù)

37、位電路，這里采用的晶振為8MHz，單片機部有鎖頻環(huán)，可提高系統(tǒng)工作頻率，實際應(yīng)用中利用單片機編程設(shè)置總線頻率為16MHz。這里復(fù)位電路為上電復(fù)位。圖3.3 單片機BDM下載器連接圖圖3.3為單片機BDM下載器連接圖，MC9S08SG16 單片機程序下載需用到BDM下載器，該下載器支持在線下載、單步調(diào)試和仿真，觀察全部寄存器和全局變量的數(shù)值。方便程序的運行調(diào)試。3.2.2單片機供電模塊圖3.4 系統(tǒng)與單片機輔助供電模塊電路圖該部分為輔助電源模塊，芯片L7805為穩(wěn)壓輸出芯片，輸出電壓為5V，用來個單片機供電，LM317為線性穩(wěn)壓芯片這里設(shè)計輸出電壓為12V，用來給系統(tǒng)中運算放大器與MOSFET

38、驅(qū)動電路相關(guān)芯片供電。3.2.3通信模塊圖3.5 單片機與計算機通信模塊電路圖 李全利.單片機原理與應(yīng)用技術(shù)M.:高等教育,2009:224-265.串口模塊可實現(xiàn)單片機與計算機的通信，單片機可將采集處理的數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機顯示，方便程序的運行調(diào)試。通信采用的是MAX232 芯片。該通信電路也可實現(xiàn)單片機與單片機之間的通行，由于該系統(tǒng)需要兩個單片機控制系統(tǒng)協(xié)同工作，該模塊可為兩者提供一個通信通道，完成數(shù)據(jù)的傳送與交換。實現(xiàn)系統(tǒng)的協(xié)同、有序工作。3.2.4開關(guān)量輸入隔離模塊圖3.6 開關(guān)量輸入隔離模塊電路圖引入開關(guān)量是為了方便對系統(tǒng)電路的控制，這里采樣TLP5214 芯片將輸入開關(guān)量信號與單片機信

39、號進(jìn)行隔離，是為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3.2.5電壓電流采樣模塊輸入電流采樣電路如下：圖 3.7 輸入電流采樣電路圖 康華光,陳大欽,張林等.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分M.:高等教育,2006.該電流采樣電路首先由LTC6101芯片進(jìn)行電流一級放大，再通過后面的運算放大器進(jìn)行進(jìn)一步的電流放大。同時這里結(jié)點I_OUT2接PWM控制電路形成一個閉環(huán)以穩(wěn)定輸出電流。輸出電流采樣電路如下：圖3.8 輸出電流采樣電路圖9輸出電流采樣與輸入電流的采樣原理一樣，只是放大的倍數(shù)不同。輸入、輸出出電壓采樣電路如下：圖3.9 輸入電壓，輸出電壓采樣模塊電路圖3.2.6 TL494輸出PWM控制圖3.10 驅(qū)動信號PWM控

40、制電路圖3.10為驅(qū)動信號PWM控制電路，單片機通過TL494死區(qū)控制調(diào)節(jié)占空比，調(diào)節(jié)輸出電壓電流。其中buck變換器TL494電路通過比較器構(gòu)成一個電流環(huán)，使buck變換器工作于恒流模式，boost變換器有兩種工作模式，恒流模式和恒壓模式，恒壓由TL494電壓環(huán)實現(xiàn)，恒流由單片機控制實現(xiàn)。3.2.7 主回路繼電器控制圖3.11 主回路繼電器控制電路圖 胡斌,吉玲,胡松.電子工程師必備-九大系統(tǒng)電路識圖寶典M.第一版.:人民郵電,2012.單片機可通過控制端口電平來控制繼電器的通斷，來控制主回路的通斷。3.3 本章小結(jié)本章主要介紹了系統(tǒng)的原理框圖，單片機控制電路原理圖設(shè)計，主要包括最小系統(tǒng)圖，

41、采樣電路圖，驅(qū)動信號產(chǎn)生與控制電路圖，繼電器控制電路等等。第4章 系統(tǒng)軟件控制方法分析4.1 軟件編程環(huán)境介紹本課題設(shè)計采用的是飛思卡爾的一款8位的單片機，型號為MC9S08SG16。該單片機軟件開發(fā)環(huán)境采用的時CodeWarrior 這一款軟件，該軟件包括構(gòu)建平臺和應(yīng)用所必須的所有主要工具：IDE、編譯器、調(diào)試器、編輯器、器、匯編程序等。它是一個單一的開發(fā)環(huán)境，在所有所支持的工作站和個人電腦之間保持一致。在每個所支持的平臺上，性能與使用均是一樣的。無需擔(dān)心主機至主機的不兼容。該軟件的功能有項目管理器、文本編輯器、搜索引擎、源瀏覽器、構(gòu)建系統(tǒng)、源級別調(diào)試器、指令組模擬器等等。項目管理器可為軟件

42、開發(fā)人員處理最高級別的文件管理；文本編輯器支持源代碼和其他文本文件的創(chuàng)建和處理；搜索引擎可查找特定的文字串以提到文字替換找到的文字；源瀏覽器可用來保存用于程序的符號數(shù)據(jù)庫；構(gòu)建系統(tǒng)使用編譯器從源代碼生成可重新定位的目標(biāo)代碼，并使用器從目標(biāo)代碼生成最后的可執(zhí)行圖像；源級別調(diào)試器提供高性能窗口的源級別調(diào)試器，配備最新的高效率增強型圖形性能；指令組模擬器用于jump-starting應(yīng)用開發(fā)的集成指令組模擬器。4.2 軟件控制總體流程分析Boost變換器和buck變換器上各有單片機控制系統(tǒng)，主要用來檢測系統(tǒng)中相關(guān)電壓電流信號，來控制系統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。兩個單片機控制系統(tǒng)需要相互配合來完成相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

43、Buck變換器單片機控制系統(tǒng)向boost變換器單片機控制系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)，指示系統(tǒng)狀態(tài)的切換，boost接受到數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)的繼電器狀態(tài)切換，同時boost變換器工作時，檢測系統(tǒng)的電壓電流數(shù)據(jù)，滿足狀態(tài)切換條件時，自身進(jìn)行相應(yīng)的繼電器狀態(tài)轉(zhuǎn)換，同時向buck變換器單片機控制系統(tǒng)發(fā)送狀態(tài)信號，進(jìn)行相應(yīng)的繼電器狀態(tài)轉(zhuǎn)換，完成系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。繼電器SW2,SW5,SW6,SW7由buck變換器上單片機控制系統(tǒng)控制，SW1,SW3,SW4由boost變換器上單片機控制系統(tǒng)控制。狀態(tài)轉(zhuǎn)換器兩個單片機控制系統(tǒng)協(xié)同有序工作，完成系統(tǒng)工作模式的轉(zhuǎn)換。Buck變換器單片機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計流程：圖4.1 buck控制

44、器總體流程框圖 何欽銘,顏暉等.C語言程序設(shè)計M.第一版:高等教育,2008:40-208.檢測負(fù)載開關(guān)，模式轉(zhuǎn)換具體流程：圖4.2 buck控制器流程框圖1 譚浩強.C程序設(shè)計(第三版)M.:清華大學(xué),2005.檢測buck開關(guān)，模式轉(zhuǎn)換具體流程：圖4.3 buck控制器流程框圖2檢測boost開關(guān)，模式轉(zhuǎn)換具體流程：圖4.4 buck變換器流程框圖3以上整體流程圖為buck變換器控制的流程圖，系統(tǒng)啟動之后，開始檢測負(fù)載開關(guān)控制量，當(dāng)檢測到負(fù)載開關(guān)閉合，并且處于停止模式，則進(jìn)入負(fù)載電機啟動模式。此處限制必須由停止模式進(jìn)入電機啟動模式，是為了避免系統(tǒng)的誤狀態(tài)切換。啟動電機之后一定時間，電機進(jìn)入

45、穩(wěn)定運行狀態(tài)，系統(tǒng)切換到Mode5，掃描負(fù)載開關(guān)量，若開關(guān)斷開，需根據(jù)當(dāng)前工作模式進(jìn)行模式的轉(zhuǎn)換，同時把模式狀態(tài)位置為相應(yīng)的模式，指示系統(tǒng)的工作模式，控制系統(tǒng)的模式轉(zhuǎn)換。該控制流程圖對系統(tǒng)模式轉(zhuǎn)換的描述進(jìn)行了抽象的描述，實際上模式轉(zhuǎn)換的過程需與boost控制器配合完成，詳細(xì)的操作過程見核心控制程序分析部分。接下來buck控制器檢測其控制開關(guān)量的狀態(tài)，若閉合，則代表下一步進(jìn)入充電狀態(tài)。此時，檢測系統(tǒng)是否滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件?？偠灾到y(tǒng)控制的邏輯就是工作在一種模式下時，檢測是否向其他模式的轉(zhuǎn)換條件是否滿足，不滿足保持當(dāng)前的工作模式，同時繼續(xù)檢測模式轉(zhuǎn)換的條件，當(dāng)檢測到模式轉(zhuǎn)換的條件滿足時，進(jìn)行相

46、應(yīng)的模式轉(zhuǎn)換操作。因此清楚各個模式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時的條件至關(guān)重要。下面是各個模式之間的轉(zhuǎn)換條件：Mode7到Mode1的轉(zhuǎn)換條件是buck變換器控制開關(guān)量閉合，當(dāng)前工作模式為Mode7同時系統(tǒng)充電結(jié)束標(biāo)志為0即系統(tǒng)指示充電為完成。Mode1到Mode2的轉(zhuǎn)換條件是boost變換器控制開關(guān)量閉合，當(dāng)前工作模式為Mode1同時Mode1中光伏電池通過buck變換器對超級電容的充電結(jié)束。Mode2到Mode3的轉(zhuǎn)換條件是boost變換器控制開關(guān)量閉合，當(dāng)前工作模式為Mode2同時Mode2中光伏電池通過boost變換器對鉛酸電池的充電結(jié)束。Mode3到Mode7的轉(zhuǎn)換條件是當(dāng)前工作模式為Mode3同時

47、光伏電池通過boost變換器對超級電容的充電結(jié)束。Mode1到Mode7的轉(zhuǎn)換條件是當(dāng)前工作模式為Mode1，同時buck變換器控制開關(guān)量斷開。Mode2到Mode7的轉(zhuǎn)換條件是當(dāng)前工作模式為Mode2，同時boost變換器控制開關(guān)量斷開。Mode3到Mode7的轉(zhuǎn)換條件是當(dāng)前工作模式為Mode3，同時boost變換器控制開關(guān)量斷開。Mode7到Mode4的轉(zhuǎn)換條件是當(dāng)前工作模式為Mode7，同時電機負(fù)載控制開關(guān)量閉合。Mode4到Mode6的轉(zhuǎn)換條件是當(dāng)前工作模式為Mode4，同時電機負(fù)載控制開關(guān)量斷開。Mode5到Mode6的轉(zhuǎn)換條件是當(dāng)前工作模式為Mode5，同時電機負(fù)載控制開關(guān)量斷開。

48、Mode6到Mode7的轉(zhuǎn)換條件是當(dāng)前工作模式為Mode6，同時電機負(fù)載控制開關(guān)量斷開。為方便流程的閱讀，系統(tǒng)整體控制中對模式轉(zhuǎn)換未進(jìn)行系統(tǒng)的描述，此部分需兩個控制器之間協(xié)同配合完成。具體的操作參見主程序分析。Boost變換器單片機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計流程:圖4.5 boost變換器系統(tǒng)控制流程圖 秦友淑,曹化工.C語言程序設(shè)計教程M.第二版.湖北:華中科技大學(xué),2011.4.3 主程序分析4.3.1 buck變換器單片機控制系統(tǒng)Buck控制器主程序：void main(void) MCU_Init(); while(1) Check_Mode_Conversion_Flag(); if(load

49、_sw = OFF) switch (mode)case 4:Mode4_Mode6();Send_Mode_to_boost(6);if(Get_Mode_from_boost() = 6)mode = 6;break;case 5:Mode5_Mode6();Send_Mode_to_boost(6);if(Get_Mode_from_boost() = 6)mode = 6;break;case 6:Mode6_Mode7();mode = 7;break;default:break;if(buck_sw = OFF)If(mode = 1)Mode1_Mode7();mode = 7;

50、elseif(buck_sw = ON & mode = 7 & charge_finish = 0)Mode7_Mode1();mode = 1;elseif(boost_sw = ON & mode = 1 & buck_charge_cap_full = 1)Mode1_Mode2();Send_Mode_to_boost(2);if(Get_Mode_from_boost() = 2)mode = 2;elseif(boost_sw = ON & mode = 2 & boost_charge_battery_full = 1)Mode2_Mode3();mode = 3;elseif

51、(mode = 3 & boost_charge_cap_full = 1)Mode3_Mode7();mode = 7;charge_finish = 1;if(boost_sw = OFF)switch (mode)case 1:Mode1_Mode7();mode = 7;break;case 2:Send_Mode_to_boost(7);/boost:SW1 = OFF;SW3 = 2;if(Get_Mode_from_boost() = 7)mode = 7;break;case 3:Mode3_Mode7();Send_Mode_to_boost(7);if(Get_Mode_f

52、rom_boost() = 7)mode = 7;break;default:break; elseif(mode = 7)Send_Mode_to_boost(4);if(Get_Mode_from_boost() = 4)Mode7_Mode4();mode = 4;Delay();Mode4_Mode5();mode = 5; 首先完成單片機中IO口、ADC等功能模塊的初始化，Check_Mode_Conversion_Flag()是檢測系統(tǒng)工作狀態(tài)，使用相應(yīng)的標(biāo)志為記錄系統(tǒng)工作狀態(tài)，作為系統(tǒng)進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換的條件，之后根據(jù)具體模式轉(zhuǎn)換條件進(jìn)行相應(yīng)的系統(tǒng)模式轉(zhuǎn)換。這里由于有些模式的轉(zhuǎn)換需要兩

53、個控制器的協(xié)同，兩個控制器之間通過IO通信，主函數(shù)中使用的函數(shù)Get_Mode_from_boost()為接受來自boost的數(shù)據(jù)，Send_Mode_to_boost()位發(fā)送數(shù)據(jù)到boost控制器 趙建領(lǐng),崔昭霞.精通51單片機開發(fā)技術(shù)與應(yīng)用實例.第一版.:電子工業(yè).2012. 。例如：在Mode5下負(fù)載開關(guān)斷開時，進(jìn)行Mode5到Mode6的轉(zhuǎn)換。代碼如下：Mode5_Mode6();Send_Mode_to_boost(6);if(Get_Mode_from_boost() = 6)mode = 6;繼電器操作步驟為：閉合SW6斷開SW5斷開SW1SW3接觸點2。SW6，SW5是由bu

54、ck控制器控制的，Mode5_Mode6()即Mode5到Mode6轉(zhuǎn)換的過程中buck變換器按操作步驟的順序?qū)^電器的的控制操作，之后的SW1與SW3的是由boost控制器控制的，程序中函數(shù)Send_Mode_to_boost(6)即向boost控制器發(fā)送下一步要轉(zhuǎn)換的模式，boost變換器接收到后進(jìn)行轉(zhuǎn)換到Mode6的相關(guān)操作，此時系統(tǒng)進(jìn)入了Mode6,然后向buck變換器發(fā)送模式數(shù)據(jù)告知模式轉(zhuǎn)換的操作已完成，buck變換器接收到后，將指示模式的標(biāo)志數(shù)據(jù)置為6，這樣便可控制系統(tǒng)有序的運行和狀態(tài)轉(zhuǎn)換。4.3.2 boost變換器單片機控制系統(tǒng)Boost變換器主程序：void main(void)unsigned char mode;MCU_