基于光伏发电的复合电源控制系统设计毕业设计论文.docx
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基于光伏发电的复合电源控制系统设计毕业设计论文
毕业设计（论文）
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基于光伏发电的复合电源控制系统设计
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3）其它
摘要
本文对复合电源的光伏控制系统进行研究。
复合电源是由超级电容和铅酸电池并联构成，将蓄电池的比能量大和超级电容的比功率大的优点结合到了一起。
超级电容可在电机负载启动的过程中提供强大的电流，避免了因大电流放电而损坏铅酸电池，可延长铅酸电池的使用寿命；在电机制动的过程中反馈的大电流可由超级电容吸收，实现能量的回收，同时又保护了铅酸电池不受大电流的冲击而损坏。
本文的研究内容对复合电源控制系统进行了初步的探索。
在了解复合电源的特性的基础上，了解了复合电源控制系统中需完成的工作任务。
针对独立光伏发电系统的特点,将复合电源储能应用于独立光伏系统中,建立了该系统的仿真模型并设计了相应的控制环节。
并根据复合电源的控制目标，制定了具体的控制方法，在一定的实际平台上进行控制方法的模拟测试以及对系统部分工作模式进行了实际的测试分析。
关键词：
复合电源；超级电容；铅酸电池；光伏控制系统
Abstract
Thehybridpowercontrolsystemwasresearchedinthispaper.Thehybridpowersystemconstitutedbythebatteryandtheultracapacitorcancombinetheadvantageofthehighenergydensityofbatteryandthehighpowerdensityofultracapacitor.Ultracapacitorcanprovidestrongcurrentwhenthenmotorloadisstartinginordertoavoidthestrongcurrentdischargewhichcandestroythebatteryandtoextendbatterylife.Thefeedbackofstrongcurrentcanbeabsorbedbytheultracapacitorwhenmotorisbrakinginordertoimplementtheenergyrecoveryandprotectthebatteryfromtheimpactofthestrongcurrent.Theresearchinthispapercanbeusedastheinitialexplorationofhybridpowercontrolsystem.
Basedonthe understandingofthecharacteristics of hybrid powersystem, whatthecontrolsystemof hybrid power isrequiredtocompletethe taskisknown.Accordingtothecontroltarget ofhybridpowersystem, thespecificcontrolmethodsisformulated, Simulationtestistakenfor thecontrolmethods inpractical platform ofcertain,andsomepartofthework modeof systemisanalyzedin theactualtest.
Key:
Composite powersupply;ultracapacitor;lead-acid battery; controlsystem
5.3本章总结....................................................................................................................-37-
第1章绪论
1.1课题背景以及意义
为了解决环境污染和能源紧缺的问题,“节能减排”在世界各国政府产业政策中都处于重中之重的地位。
为此世界各国的政府、学术界、工业界等正在加大对电动汽车开发的力度,加速电动汽车的商品化步伐。
单一的能量源不能满足需要,由超级电容和蓄电池组合成复合电源,充分利用超级电容比功率高和蓄电池比能量高的特点[]。
超级电容可以在电动汽车启动、加速、爬坡时提供强大的电流,避免了因大电流放电而损坏了蓄电池,延长了蓄电池的使用寿命;在电动汽车下坡或制动时,反馈的大电流被超级电容所吸收,实现了能量回收,同时也保护了蓄电池不受大电流的冲击而损坏。
同时在如今能源越来越短缺的今天，太阳能作为一种清洁的、取之不尽用之不竭的能源，用做复合电源系统中的能量源也十分有利于能源的利用和环境的保护。
复合电源在电动汽车上的应用,具有重要意义,使得对复合电源的控制系统的研究有着重要的意义。
本文针对基于太阳能电池供电的复合电源控制系统进行研究。
总之,复合电源的应用使电动汽车满足动力性、经济性的要求,提高了电动汽车的实用性,具有重要的实用价值和广阔的发展前景，决定了对于复合电源控制系统的应运而生。
1.2国内外现状
复合电源的研制与开发可以进一步提高电动汽车的经济性及动力性,降低整车成本和使用费用,加快电动汽车在我国推广应用的进程,尽快使我国汽车工业在世界汽车舞台上占有一席之地
国内一些汽车公司和高校已经加快了对复合电源的研制工作,并且已经取得了相应的进展。
2003年北京理工大学与北方华德尼奥普兰客车股份有限公司共同研制纯电动旅游客车“BFC6110-EV”[]。
该车使用安装了铿电子电池组、超级电容储能系统以及先进的多能源管理控制系统、交通驱动系统,目前己通过整车型式认证试验,主要技术指标达到或超过预定要求。
总之,国内对由蓄电池和超级电容构成的复合电源的设计与控制理论的研究还刚刚起步,虽然对超级电容的研究和生产已经有了很大的进展,但对复合电源的研究还比较少,还需要长时间的努力。
在以后的几年内,复合电源的研究必然会引起人们的高度重视。
在国外,复合电源作为电动汽车电源装置已经有原型车问世,不少企业及机构的研究已经取得了一定的进展。
FlATCinquecentoEletra使用Sonnensehein公司的铅酸电池和AlsthomAleatel的超级电容构成复合电源。
性能测试结果显示:
市区和郊区行驶工况分别节能40%和20%,在完整的ECE循环工况下节能14%[]。
Chugoku电力公司和丰田公司研发中心合作在MazdaBongoFriend上安装由VRLA和超级电容组成的混合储能系统,并进行相关的性能测试[4]。
该储能系统使用40×2的Panasonic超级电容,用超级电容作为负载均衡装置使阀控铅酸电池更好地运用于电动汽车。
澳大利亚一家科研机构研制出一台电动汽车,采用的是铅酸电池和超级电容混合,电动机采用永磁无刷直流电动机。
在电动汽车启动时,由超级电容提供能量,采用降压斩波驱动;正常运行时,由蓄电池提供所需能量,采用升压斩波驱动。
ISE公司将Maxwell的超级电容整合到汽油、柴油和燃料电池混合动力车之中。
特别需要说明的是,自从开发ThundercaPn超级电容系统,ISE已经将其动力系统引入到汽一电混合动力车、柴一电混合动力车、氢一电混合动力车和燃料电池混合动力车的设计之中[]。
清洁运行、安静、低维护要求的车辆己经走上了一些美国的城市,包括LongBeach和SacramentoCA。
ISE己经与西门子及Flyer公司结成伙伴关系,共同生产这些混合动力车。
目前,在ISE的混合动力和燃料电池公交车上,有3万多超级电容器在工作,提供超过7500万法拉的电力驱动和再生刹车功率。
早在2006年初,Bartley就估计超级电容供电的公交车队己经提供了超过200万英里的清洁、可靠的服务,为我们的星球提供了清洁的运输服务[5]。
1.3课题研究方案
结合本课题以及我们本专业的专业知识结合起来，要对友蓄电池和超级电容构成的复合电源的设计的研究，我设计了以下几条研究的方案：
1.控制buck变换器恒流工作模式
2.控制boost变换器恒压、恒流工作模式及模式间的切换
3.控制系统充电工作模式时，变换器的选择以及充电对象的选择
4.控制负载工作时，供电对象的选择及切换
1.4课题主要研究内容
本课题首先针对光伏电池的特性进行了系统性的分析，对光伏电池的原理，负载特性和输出特性曲线等深入掌握和了解，确定了光伏充电器的系统结构。
本设计中用到了buck，boost变换器，主回路的连接使用继电器控制，继电器则采用单片机控制，buck，boost变换器均有一块单片机控制，两块单片机之间可相互通信，来控制电路的工作状态。
PWM控制电路的核心采用的是TL494。
其中buck变换器用于给电容充电，boost变换器用于给锂电池充电和负载供电，锂电池，超级电容用于给负载供电，考虑到锂电池的充放电特性，及负载启动，制动的特性，超级电容主要作用就是提供负载启动时所需电流，及吸收制动时所能量回馈产生的冲击电流。
第2章基于太阳能电池板充电系统控制工作原理
2.1系统总体框图
图2.1系统总体框图
该系统中铅酸电池用于给负载供电，超级电容主要是提供电机启动时所需的大电流，和吸收电机制动时的反馈能量。
系统中有两套DC-DC变换装置，光伏电池通过buck变换器可给超级电容充电，将转化的电能存储到超级电容供电机启动。
Boost变换器可用来给铅酸电池充电，也可用来给超级电容充电，光照充足时还可直接用来给负载供电。
总体说来，系统的的工作模式比较多，如何使系统稳定工作及合理的在各个工作模式之间切换时本文研究的关键。
2.2系统工作原理
整个系统各个部分之间协同工作需根据负载的工作状态及光伏电池的能量输出状态来控制系统的运行，同时两个DC-DC变换器之间的单片机相互通信，根据对方控制系统的工作状态来控制自身的工作状态，相互之间协调有序运行。
针对电机负载的4种工作状态，负载不工作、负载启动、负载稳定运行及负载制动。
分析系统的工作模式，能量流向。
①电机负载不工作：
此时，若光伏电池无功率输出，则系统不工作，buck,boost变换器均与太阳能电池板断开连接；若光伏电池有功率输出，系统进入充电状态，光伏电池接buck变换器，buck变换器单片机控制电路向boost变换器单片机控制电路发送工作状态，控制boost变换器不与光伏电池连接，buck变换器输出端连接超级电容，系统进入给电容充电状态。
Buck变换器单片机控制电路检测电容充电状态，当检测到buck变换器对电容充电完成时，断开buck变换器与光伏电池的连接，准备进入系统下一状态——光伏电池通过boost变换器给铅酸电池充电。
此时，boost变换器输出接铅酸电池，光伏电池与boost变换器连接。
当boost变换器单片机控制电路检测到铅酸电池充电完成时，boost变换器输出切换到超级电容，给超级电容充电。
当boost变换器单片机控制电路检测到电容上电压达到上限时，停止充电，断开boost变换器与光伏电池的连接。
②电机负载启动：
电机启动时需要较大的启动电流，由超级电容供给。
此时，铅酸电池与超级电容并联给负载供电，同时光伏电池通过boost变换器给负载供电，boost变换器此时的工作状态由其单片机控制电路调节至恒压模式。
③电机负载稳定工作：
电机正常工作时，由光伏电池通过boost变换器及铅酸电池共同给负载供电。
此时，boost变换器工作于恒压模式。
④电机制动：
电机制动时，会产生较大的反馈电流，此时超级电容与电机连接，用来吸收这部分能量。
2.3系统控制方法分析
2.3.1继电器控制连接框图
图2.2为继电器控制连接框图，继电器是为了系统在各个工作模式下相互转化，合理的继电器连接可以降低系统控制的难度，提高系统安全可靠性。
图2.2继电器连接图
继电器SW1，SW3，SW4由boost控制器控制；继电器SW2，SW5，SW6，SW7由buck控制器控制。
两个控制器协同工作完成系统工作模式的转换。
2.3.2系统工作模式
由继电器控制连接框图可知，要想系统正常有序运行，必须合理、准确控制各个继电器的状态及系统中各个模块的工作模式。
如此，必须清楚系统所有可能的工作模式，及各个工作模式之间的正确切换。
以下部分主要介绍系统的各种工作模式的模式框图及工作单元。
由于系统不能同时处于充电和放电状态，下面将系统处于充电工作状态下的模式转换与系统出于放电工作工作状态下的模式转换分开讨论分析。
下面先分析系统处于充电状态下的模式转换，系统处于充电状态时，充电的对象有超级电容和铅酸电池，变换器由buck变换器和boost变换器两种，由于buck变换器只能用来给超级电容充电，而boost变换器可用来给超级电容和铅酸电池充电，系统处于充电状态时，工作模式有3种。
分析充电状态下系统3种工作模式如下：
Mode1：
光伏电池经buck变换器给超级电容充电的工作模式，图2.3描述了该工作模式下能量的流向。
图2.3能量流向图
该工作模式下，buck变换器工作于恒流模式给超级电容充电，同时系统中单片机控制系统检测超级电容的充电状态，当超级电容经buck变换器额充电完成时，单片机控制系统根据外界控制信号将系统转换到其他工作模式。
Mode2：
光伏电池经boost变换器给超级电容充电的工作模式，图2.4描述了该工作模式下能量流向。
图2.4能量流向图
该工作模式下，boost变换器工作于恒流模式，单片机控制系统检测铅酸电池的充电状态。
充电完成时，若未检测到系统充电控制开关断开，系统切换到下一充电模式，否则系统退出充电状态。
Mode3：
光伏电池经boost变换器给超级电容充电的工作模式，图2.5描述了该工作模式的能量流向。
图2.5能量流向图
该工作模式下，boost变换器依然工作于恒流模式，需要注意的是由于boost变换器的工作特性，其输出电压一定不会比输出电压低，因此不能直接用来给超级电容充电，必须使boost变换器最低输出电压和超级电容上电压的差值在一个很小的范围是，才可用boost变换器来个超级电容充电，因此该模式必须在Mode1完成的状态下，系统才能转换到当前工作模式。
模式之间相互转换时，必须十分注意此顺序，转换到该模式时，软件控制中，也需检测输入电压和超级电容的电压，来判断是否可以进行该模式转换。
以上就是对系统处于充电状态下的各种工作模式分析，下面分析系统处于放电状态下时，各工作模式。
系统处于该状态下时，吸收能量的只有电机负载，提供能量的有太阳能电池板、铅酸电池和超级电容。
由于电机吸收能量是有启动和稳定运行两种状态，不同状态下，提供能量的对象不同，这里有2种工作模式。
Mode4：
电机负载启动，光伏电池、超级电容及铅酸电池一同给负载供电的工作模式。
图2.6描述了该工作模式下能量的流向。
图2.6能量流向图
该工作模式下，由于电机启动电流较大，需要超级电容为其提供启动过程中所需的大电流，电机启动过程结束，进入稳定运行状态时，将超级电容从电路中切除，转换到另一工作模式。
光伏电池通过boost变换器给电机供电时，单片机控制电路将boost变换器切换到恒压模式。
Mode5：
电机负载稳定运行，光伏电池和铅酸电池给负载供电的工作模式。
图2.7描述了该工作模式下能量的流向。
图2.7能量流向图
电机负载启动结束后，电机进入稳定运行状态，此状态下，无需超级电容提供大电流，将超级电容切除，只有铅酸电池和光伏电池给负载供电，boost变换器工作于恒压模式。
由于电机还有制动这一工作状态，此时电机将机械能转换为电能，处于发电状态，为了充分利用能量，可用超级电容来吸收电机制动时的能量回馈。
Mode6：
超级电容吸收电机制动时能量回馈模式。
图2.8为该模式下能量流向图。
图2.8能量流向图
当系统各模块均不工作时，系统处于停止模式，记该模式为Mode7。
2.3.3各工作模式下继电器状态
了解清楚系统的各个工作模式，还需确定在各种工作模式下，继电器的相关状态，才能清楚如何控制系统在各个模式之间转换。
参见继电器控制连接框图绘制表格表明各个工作模式下继电器的状态如下：
表2.1各工作模式下继电器状态表
SW1
SW2
SW3
SW4
SW5
SW6
SW7
Mode1
OFF
ON
触点2
触点4
OFF
OFF
触点6
Mode2
ON
OFF
触点1
触点4
OFF
OFF
触点5
Mode3
ON
OFF
触点2
触点3
OFF
OFF
触点6
Mode4
ON
OFF
触点1
触点4
ON
ON
触点5
Mode5
ON
OFF
触点1
触点4
ON
OFF
触点5
Mode6
OFF
OFF
触点2
触点4
OFF
ON
触点5
Mode7
OFF
OFF
触点2
触点4
OFF
OFF
触点5
表2.1表明了系统在各种工作模式下时，各继电器的开端状态或触点连接状态，由表可清楚看出系统在不同模式之间进行转换时继电器状态的变化，由于系统在模式转换过程中各个模块之间连接顺序不是随意的，继电器切换的过程还需要根据继电器连接框图确定具体的切换顺序。
下面分析各种工作模式之间进行模式转换时，继电器的具体操作顺序。
2.3.4各工作模式间转换时继电器操作顺序
根据上表可知，系统处于不同的工作模式下时，对应着不同的继电器状态，切换系统的工作模式时，就必须控制继电器状态的转换，转换过程的步骤不是随意的，否则可能会使得系统进入一个不可知的状态，造成系统的功能紊乱，严重时可能还会造成系统短路，损坏系统。
系统的工作模式与负载的工作状态息息相关，必须考虑系统切换过程中继电器状态变换顺序。
下面分析负载处于不同的工作状态时，系统的工作模式以及相应模式的切换。
负载不工作时：
图2.9负载不工作时系统所有可能模式转换图
负载不工作时，系统启动之后，进入充电模式，首先工作于Mode1，即光伏电池通过buck变换电路对超级电容充电。
buck变换器对超级电容的充电完成时，系统切换工作模式，进入Mode2，即光伏电池通过boost变换器对铅酸电池充电。
当光伏电池对铅酸电池的充电完成时，系统再切换到Mode3，即光伏电池通过boost变换器对超级电容充电。
超级电容的电压达到boost变换器输出电压上限时，停止充电，系统切换到停止模式。
除了以上相关切换过程之外，考虑到系统处于任意工作模式时，可能因为外界因
素，人为控制，系统需从其中任意模式直接进入停止模式，还需分析以上任一模式下，如何切换到停止模式。
（1）系统启动进入Mode1，即由停止模式进入光伏电池经buck变换器给超级电容充电。
系统启动前，处于停止模式，该过程即是有Mode7转换见到Mode1。
分析各工作模式下继电器状态表可知：
由Mode7到Mode1的转换只有SW2，SW7的状态发生了变化。
操作步骤：
①合上SW2
②SW7接触点6
（2）Mode1转换到Mode2，即光伏电池经buck变换器给超级电容充电切换到经boost变换器给铅酸电池充电。
该转换过程SW1，SW2，SW3，SW7状态均发生了变化。
操作步骤：
①断开SW2
②SW7接触点5
③合上SW1
④SW3接触点1
（3）Model2转换到Model3，即光伏电池经boost变换器由给铅酸电池充电切换到给超级电容充电。
该转换过程SW3，SW4，SW7状态发生变化。
操作步骤：
①SW7接触点6
②SW3接触点2
③SW4接触点3
（4）Model1转换到Model7，光伏电池经buck变换器给超级电容充电切换到停止模式。
该转换过程SW2，SW7的状态发生变化。
操作步骤：
①断开SW2
②SW7接触点5
（5）Model2转换到Mo
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