电动车太阳能充电系统设计毕业设计说明书.docx

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电动车太阳能充电系统设计毕业设计说明书

电动车太阳能充电系统的设计

摘要

在这个快速发展的时代，我们对能源的需求越来越多，对地球家园的污染也越来越大。

就交通而言，各类汽车不断增加，对空气的污染也逐渐严重。

为了更好的保护我们的家园，也为了便利人们的出行，电动车成为广大人民群众的首选，它方便，快捷，价格便宜，符合普通大众的出行。

但是电动车的普及，虽然为人民大众的生活提供了很大的方便，但是电的供应需要大量的煤炭等一些不可再生能源，煤炭的大量燃烧不仅使这些不可再生资源的枯竭，还造成了很大的污染。

人们赖以生存的空气，水资源都被严重的污染，因此我们需要清洁无污染的太阳能来发电。

这次的设计是以太阳能光伏发电为前提，把太阳光转化为电能提供给电动车来利用。

首先研究的是小型独立光伏发电系统，它发展的程度以及如今发展的趋势，而太阳能转化的效率和光伏器件的成本也是一个很大的问题。

光伏器件的价格是有多方面的因素来决定的，而太阳能的转化效率是可以深入研究的。

为了使太阳能的转化效率达到最高，本文采用了最大功率点跟踪分析法来研究确定它的转化效率，以及太阳能电池板的确定。

本文总体分为对太阳能电池板的研究，充电系统的设计，最大功率跟踪法（MPPT）的介绍，其中充电系统的设计包括DC升压电路和充电控制电路。

关键词：

电动车，太阳能，光伏充电，MPPT

TheDesignoftheElectricCarSolarChargingSystem

Author:

Liuna

Tutor:

SiXiaoping

Abstract

Inthiseraofrapiddevelopment,wearemoreandmoredemandforenergy,pollutionoftheearthisbecomingmoreandmorebig.Growingintermsoftraffic,allkindsofcars,airpollutionisincreasinglyserious.Inordertobetterprotectourhome,andtofacilitatethetravelofpeople,electriccarsbecomethefirstchoiceforthepeople,itisconvenient,fast,cheap,conformstothegeneralpublic.Butthepopularityofelectriccars,althoughthelivesofthepeopleprovidesagreatconvenience,butthesupplyofelectricityneedsalotofcoalandothernon-renewableenergy,theburningofcoalnotonlymakethedepletionofnon-renewableresources,alsocausedalotofpollution.Peopleliveintheairandwaterareseriouspollution,soweneedtocleanpollution-freesolarenergytogenerateelectricity.

Thisdesignistousesolarenergytoelectricpower,mainlyonthebasisofindependentphotovoltaicdesignaelectricbicyclechargingsystem,firstofall,isthestudyofthesmallindependentphotovoltaicpowergenerationsystem,itsdevelopmentdegreeandthedevelopmenttrendofnowadays,andthecostofsolarenergyconversionefficiencyandphotovoltaicdevicesisalsoabigproblem.Thepriceofphotovoltaicdeviceshavemanyfactorstodetermine,andtheconversionefficiencyofsolarenergycanbein-depthstudy.Inordertomaketheconversionefficiencyofsolarenergytoachievethehighest,inthispaper,usingthemethodofmaximumpowerpointtrackingtodetermineitsefficiency.Alsothesizeofthesolarpanelsiscalculatedthroughtheexperiment.Thispaperisdividedintothestudyofsolarpanels,theoveralldesignofthechargingsystem,themethodofmaximumpowertracking（MPPT）isintroduced,includingthedesignofthechargingsystemincludingaDCchargingboostercircuitandcontrolcircuit.

Keywords:

ElectricCars,SolarPower,SolarCharge,MPPT

1绪论

1.1课题背景

在这个快速发展的时代，电动自行车已经成为我国城乡居民普遍使用的一种交通工具。

这些电动自行车主要是使用室内充电，用电动机驱动，蓄电池给供电。

然而蓄电池普遍使用的是工业发电对其进行供电。

正如我们所知道的，能源的日益稀缺已经成为一个全球性的问题，并且对我们的家园污染非常严重，因此取之不尽，用之不竭的太阳能的使用给我们带来了希望，太阳光清洁无污染，把它作为能源对蓄电池进行充电是非常可取的。

本文最大的问题就是对光伏充电的研究。

光伏发电是太阳能充电装置的一项比较重要的技术，近年来，随着PV技术的提高以及价格的降低，光伏发电技术在很多领域也得到了广泛的应用，并且规模也在日益的扩大。

光伏发电不消耗原料，没有噪声和污染，还不会受地域的限制，建设时间短，维护方便，安全可靠，而且也不需要架输电路线这些也是太阳能能被大规模使用的原因。

要想更好的实现光伏发电的功能，良好的性能，合适温度系数的太阳能电池板的使用才能满足要求。

然而太阳光在时刻变化着，太阳能光伏电池两端的输出电压也是在时刻变化着，这样电池的输出功率也会随着产生变化，因此，为了使太阳能电池的利用效率得到进一步的提高，使太阳能电池的工作点得到有效的调整也是一个重要途径，不断的调整并实验电池的工作点，并使电池始终工作在它的最大功率点的附近[1]。

所以要想设计好太阳能电动车的充电系统，怎样实现最大功率点的跟踪是需要解决的一个重要的问题。

还有就是太阳能电池板的选取，太阳能电池板的选取十分重要，它直接决定了对光照的吸收的程度，还要考虑光伏电池的价格问题。

1.2论文设计目的

电动自行车在中国的使用已经非常的普遍，而利用太阳能电池板使用光伏发电技术给电动自行车充电是非常有意义的，取之不尽，用之不竭的太阳光清洁无污染，是最理想的能源。

本课题是从能源的利用入手，结合光伏发电技术，来设计一个电动车的充电设备。

首先是太阳能电池板面积的选取，通过电动自行车每天消耗的电量来确定太阳能电池板的功率和面积的大小。

其次研究的是独立光伏发电系统，了解独立光伏发电系统的概念，组成以及在国内外研究的发展状况。

认真研究光伏发电技术当前的一些问题，还有其中的一些关键的技术[2]。

最后，由于目前太阳能电池的转换效率还并不是很高，当电动自行车作为一种交通工具完全利用太阳能电池光伏发电时，它能够持续的路程还很短，所以，要想更好的利用太阳光，需要研究和确定太阳能电池的效率，采用最大功率追踪分析系统的效率以及性能。

2系统模块的设计

2.1光伏发电发展以及研究现状

能源和环境的问题已经成为近年来人们关注的重点问题之一，为了使能源和环境得到可持续发展，光伏发电技术已经成为了各个国家发展的重点，早在20世纪末的时候，光伏发电技术就已经发展的比较成熟，随着时间的增长和各个国家发展的迅速进步，很多国家都利用太阳能发电来使用在各个用电的行业。

对于中国在2006年太阳电池的产量就已经达到了369.5MWp，仅仅在日本和德国之后，这说明我国在这项技术中具有很强的国际竞争能力。

但是作为光伏发电大国，我国的光伏使用市场还没有被完全的打开。

由于光伏发电使用价格比常规发电的使用价格高很多，使我国的光伏发电市场受到限制。

从光伏发电应用以来，我国的光伏应用市场较多的使用于离网农村电气化工程，在交通工具方面的应用相对来说是比较少的[3]。

近年来汽油价格在不断上涨，要使我国的交通问题得到解决不能依靠汽车的发展，对环境污染太严重，环保的压力，能源的紧张，石油、煤炭资源的有限，这些都促进了电动自行车的发展。

电动车相对及其它交通工具而言有非常大的优势，比自行车快捷，比汽车以及公交车等方便，使用起来还比较舒服，再加上可以用太阳能为电动车提供电能，那就更加促进电动车的受欢迎的程度。

2.2系统框图

本节讲述是光伏充电系统主要的各部分设计的工作原理，首先通过太阳能电池板收集太阳光，然后经过DC-DC转换器将收集的太阳能转化为电能给蓄电池充电，应为铅蓄电池直接输出电压比较低，直接使用时没有办法满足负载的需要，所以要加上一个升压变换器，将直流电压升高，然后再通过充电控制电路来给蓄电池充电，供电动车使用。

其系统框架结构如图2.1所示。

2.1系统框图

2.3电池板的选取模块

对电动车太阳能充电系统而言，太阳能电池板的选取也是非常重要的。

而我们选取的电池板功率的大小需要根据电动自行车的参数系统设计的目标来选取[4]。

为了做到这一点，我选取了一辆电动自行车，以电动自行车的参数做了实验，其参数如表2.1所示。

表2.1电动车参数

蓄电池类型

容量

标准电压

免维护铅蓄电池

14A.h

48V

电机形式

额定功率

额定电压

无刷一体轮提速电机

240W

48V

根据表2.1中电动车的参数，计算出太阳能电池的总功率为30W，而每块太阳能电池板的参数如下表2.2所示。

表2.2太阳能电池板参数

尺寸长度X宽度X厚度

质量

（kg）

额定功率

（W）

开路电压

（V）

短路电压

（A）

245X165X3

0.4

5

11

0.4

从两个表中参数的对比分析可以看出，太阳能电池板的额定功率参数为5W，而电动车的额定功率参数为30W，因此，光伏充电系统需要6块这样的电池板。

2.4DC升压变换电路模块

DC升压电路主要是利用了一个芯片MAX669以及外围电路来实现的，MAX669是一个专门用于升压转换的芯片。

光伏电池吸收太阳光以后，把所吸收的光能转换成电能。

由于电压达不到所需要的，电池板的输出电压通过DC升压电路的输入端经过电感储存电压后，电压通过9引脚输入到MAX669芯片中，经过一系列的变化后，通过调节R2和R3的电阻值来达到所需要的12V的输出电压。

其中此电路中C2,C3,C4均为旁路电容，C7为补偿电容。

其原理图如图2.2所示。

图2.2DC升压电路原理图

2.5充电电路

本模块的设计主要是UC3901来实现的。

由于太阳能充电器始终是和蓄电池连接在一起的，为了防止蓄电池的输出电流会流向充电器，所以在串联调整管和输出端中连接了一个二极管，同时为了不会让输入电源中断以后蓄电池通过分压电阻R3放电，在连接电路图的时候将R3通过芯片的7引脚连接到地上[5]。

连接RS是为了检测电流的大小，从R2到R6用来检测蓄电池的工作电压。

太阳能电池板接受太阳能经过转换升压得到的电压输出后通过充电控制电路的一端输入通过输入端输入进去，通过三极管Q1导通后，开始进行恒流充电，然后电池电压会逐渐的升高。

当电池电压充电达到过充电压VOC的95％的时候，电池就会进入过充电状态，充电电压就会一直维持在过充电电压状态，此时充电电流开始下降。

当充电电流下降到过充电终止电流（IOCT）时，UC3906芯片的脚10输出高电平，而此时比较器LM339通过引脚1输出低电平，蓄电池就会自动进入浮充状态。

同时充足电指示发光管会发光，表明蓄电池已经充满电。

其充电控制电路如图2.3所示。

图2.3充电控制电路原理图

2.6蓄电池模块

考虑到铅蓄电池的性能，光伏充电电流以及系统的成本等都受到光照强度和环境温度的影响，所以充电模块一共有四个阶段，而为了使蓄电池的存储容量达到其额定值，并延长它的寿命，使用了涓流和浮充充电的模式。

首先介绍的是涓流充电，为了防止在充电过程中大的电流进入蓄电池，超过电池的初始充电电流值，损坏蓄电池而使用涓流充电[6]。

其工作原理为：

在充电时，当蓄电池的端电压比初始设定的电压低时，光伏控制器就会为其提供一个非常小的电流对蓄电池进行充电，铅蓄电池的端电压则会随着涓流充电状态的进行而逐渐升高，当蓄电池两端的电压值达到始能电压时，充电器将会进入到第二个充电阶段：

恒流充电状态，但是在初始充电时，当铅蓄电池两端的电压高于设定的始能电压，则充电器将跳过涓流充电而直接进入恒流充电的状态。

接下来是恒流充电，恒流充电也是一个快速充电的阶段，充电器在恒流时的充电状态会将一个不变的电流提供给蓄电池，给蓄电池充电，蓄电池的容储量会上升的比较快，蓄电池两端的电压也会在蓄电池容量发生改变的时候同步不断的上升，但是蓄电池两端的电压当达到初始设置的过压充电的电压时，蓄电池的充电状态会进入过压充电状态。

第三个状态是过压充电状态，在过压充电时期，充电电压是恒定不变的，并且比蓄电池的额定电压还高一点，因为这样能让铅蓄电池的储存容量最后达到饱和，而这时充电电流会逐渐的减小，如果充电电流减小到过充终止电流时，表明蓄电池已经被充满，此时充电模式就会进入浮充状态。

最后一个充电状态就是浮充充电，浮充电压的电压值比过压充电时的电压低，浮充充电就是给充电系统提供一个带有温度补偿的恒定的浮充电压给蓄电池充电，此时铅蓄电池的储存容量保持不变，为了弥补蓄电池自身放电造成的损失，在浮充充电阶段会一直提供一个很小的浮充电流[7]。

在这以后，一旦蓄电池的端电压降低到充电电压的90%，充电器就会自动进入涓流状态或者恒流状态。

其中四个充电状态的图形如图2.4所示。

图2.4四个阶段充电方式

3效率分析

太阳能光伏发电面临的主要问题就是怎样才能使太阳能电池的工作效率提高上去，以及怎样提高光伏发电系统的稳定性[8]。

光伏发电技术在不断的进步，成熟，最大功率点跟踪技术能够使光伏发电系统转换的电能的利用率达到最高。

这项技术各个国家也在重点的研究发展中。

最大功率点跟踪主要是通过一系列方法让太阳电池方阵工作在最大功率点。

主要可以利用的方法有电压跟踪法、导纳增量法、扰动观察法等等都是最大功率点跟踪的方法，下面介绍的是几种常见的可以实现最大功率点跟踪的方法。

3.1定电压跟踪法

根据太阳能电池的光伏性质，沿着另外一个角度来看，它的最大功率点就是在恒定电流和恒定电压这两个区域相交的那一点，在这点上，光伏充电系统的转换效率是最高的。

光伏电池在接受太阳光时收到光照强度和温度的影响。

所以在我们所生活的实际中，在每一刻，太阳能电池都会存在一个最大功率点，但是它存在的最大功率点的值是不相同的。

不考虑温度变化对太阳能电池的影响下，温度恒定，光照强度变换的情况之下，太阳能光伏电池的功率输出最大点一直在一个恒定不变的电压值附近不断的变化着。

其中它的负载特性曲线中，有五个点代表太阳能光伏充电电池的工作点，这五个工作点也是及相应的光照强度来匹配的。

所以，若采用这个方式，太阳能电池的输出功率相对来说比较的小。

利用恒定电压法来弥补由于阻抗的失配而造成的功率损耗。

让系统可以有稳压器的功能，通过在负载及太阳能光伏充电电池之间匹配相应的阻抗[9]。

这样就能使太阳能电池的工作点总是在Um附近保持稳定，使太阳能电池的输出功率点及最大功率点相差较少，简化了独立光伏发电系统。

恒定电压最大功率跟踪点方法在特地的情况下比实际测量这个方法的效果好，本身比较简单。

适合小型的、所处外界环境变化不大的太阳光照强度一定的条件下，温度成为影响最大功率点的主要因素。

结温度通常都会影响太阳能光伏电池的开路电压[10]。

当光照强度一定时，太阳能光伏电池的输出功率点就会随温度的变化而变化，如果这个时候还用恒定电压法来检测太阳能光伏系统，它的输出功率和最大功率输出点就会相差很大，转换效率会降低，会造成不小的功能损耗。

尤其在环境比较恶劣的地方，太阳能电池的结温会有明显的升高，原来预先设定的工作电压值及太阳能电池的伏安性曲线就不会有交点，系统就变得不稳定，纹波就会很大，则最大功率点会很难确定。

恒定电压最大功率点跟踪控制的优点是稳定性高可靠性强，目前依旧在光伏充放电系统这个行业中得到比较广泛的使用[11]。

3.2电导增量法

最大功率点跟踪控制还有一种经常使用的方法就是电导增量法[13]。

这种方法主要是利用功率和电压变化比的方向来跟踪整个充电系统的输出最大功率点。

这个方法可以运用一些公式来计算。

这种运算的方法能够非常快的计算出更光伏充电系统在充电时候的跟踪最大功率点。

因为它的输出电压的纹波系数相对其他方式来说是比较少的，所以电导增量法比较适用在大气条件变化比较快的场合。

但是它有一个缺点就是对硬件的要求特别高，特别是对其中的传感器的精度要求，还有就是对光伏系统各个部分的响应速度也是有高的要求。

电导增量法缺点：

计算的时候比较繁杂，大量的计算是比较容易出现对最大功率点错误的判断。

3.3扰动观察法

本文采用的是扰动观察法来对充电系统的效率进行分析。

这个方法是利用光伏器件特性进行最大功率点的跟踪控制[12]。

用扰动观察法来实际调节电池的利用率点，主要是通过将调整电路之前太阳能电池的电压输出和功率的改变情况和调整之后其电压及功率是如何改变的，跟据光伏器件的特点，主要是调节系统的主要电路中晶体管的占空比，来使系统输出的最大功率得到保持。

独立光伏系统的控制器能够使太阳能电池的输出功率发生改变，它主要是在控制的循环时间里面通过用比较小的步长来进行控制。

它控制的对象就是太阳能电池输出电流或电压，增大和减小这两种是它的控制方向。

我们把这个控制的过程称为“干扰”控制，在运用算的时候把干扰周期前电池的输出功率和干扰周期后的电池的输出功率进行比较，如果检测到的太阳能光伏电池输出功率变大，则会按照前面循环时间的控制方向继续重复上面的步骤；如果检测到的太阳能光伏电池的输出功率变低，就按前面循环时间的控制相反的方向继续上面步骤[14]。

通过以上反复持续的过程，太阳能电池事实上的工作点和电池最大功率点大概会相同，不过中间会发生一小部分的震荡。

当然也可以改变步长，当采用增大步长去控制太阳能电池的最大功率点，光伏充电系统可以很快追踪到光伏电池最大功率点的周围，但是系统达到所要求的范围时，太阳能电池的纹波系数大，也就是说达到稳定之后的精度会比较低。

如果来减小系统的步长来控制太阳能电池的最大功率点，则光伏充电系统追踪到最大功率点附近的速度就会下降，但是此时充电系统达到最大功率点工作时的纹波系数小，即达到稳定状态以后的精度相对比较高。

4总体电路的设计

太阳光经过电池板作用转化后得到输出电压，因为得到的电压值比较小，输出电压经过DC升压电路的输入端将小电压输入到DC升压电路中，经过升压电路的一系列的升压变换后输出12V的电压，此电压作为充电电路的电压源，经过充电控制电路的变换，以及检测后输入到蓄电池中供电动自行车使用。

原理图如图4.1所示。

图4.1总电路原理图

总结

近年来电动自行车已经成为大众出行的最佳伴侣，电动自行车方便快捷，而且价格便宜，而且随着电动车行业的发展，它的外形也变得多式多样，性能也变的越来越好，出行比较方便，最重要的是它不像各类汽车一样使用使排出的气体对环境有很大的污染，电动车对环境没有危害。

但是为了让电动车不使用家用电，减少各类不可再生能源发电对环境造成的污染，太阳能是最好的选择，所以本文主要是把太阳能光伏发电用在电动车上，对电动车的充电系统有一个研究来探索如何能够更好的实现这样的功能，如何更好的利用太阳能。

在这次的毕业设计中，我通过各种途径查阅及本课题相关的资料还有相关的书籍，通过对这些资料的研究，我在此基础上对我的论文有了基本的思路，老师也一直在耐心的帮助我分析那些我不能确定的问题，老师给了我很多的帮助让我受益匪浅。

根据我对本论文的整体构思和老师的指导，我首先对整个系统做出了一个框架，然后根据整体框图对论文进行分模块的介绍，介绍每个模块的基本工作原理以及不同方法的比较，分析哪一个方法更加适合，通过对每一个电路模块的分析，我对论文的整体构思更加的清晰，这样在制作论文的过程中能够少很多的问题，即使出现问题也能有效的解决，通过查阅各种资料对其进行研究，不仅对做论文有很大的帮助，而且还让我对以前学习的相关知识有了近一步的了解和巩固，使我获益很多。

知识在不实际使用的时候总是很容易就忘记了，在这一次的毕业设计中，让我回想起很多以前学过的但是都淡忘的电子技术方面的知识。

电子知识总是和我们的生活密不可分，在这个电子信息发展迅速的年代，人们的生活已经离不开电子信息的使用，所以掌握好这方面的知识非常的重要。

毕业设计制作的过程我的收获非常的多，对这些知识有更加深入的了解，对以后的学习和工作也是有很大帮助的，只有先把理论知识掌握好，才能更好的把它转化利用在实际的生活中。

致谢

在做毕业设计这几个月的时间里，我经历了很多的东西，这是一项非常重要的经历。

在做毕业设计的初期，有很多东西都不知道从何做起，可以说是遇到了非常多的问题，但在司老师的细心指导和帮助下，还有对各种有关资料的查阅，最后我也通过自己的努力把在毕业设计中遇到的各种问题都圆满的解决了。

在做毕业设计的这一段时间，我学到了很多的东西，把以前学过的很多模糊的知识都变的清晰。

这次毕业设计的经历可以说是我人生中的一次非常重要经历。

从这个学期开始到现在已经有两个多月过去了，到目前为止，我的毕业设计已经将要结束了。

作为一个本科生来说，这次的毕业设计并没有太多的经验，有很多的问题都发现不了，也有很多的知识不会，论文中每一句话该怎么做合适的调试，每一段文字的输入都是经过反复的考虑和琢磨的。

毕业设计的时间虽然短暂，我却从中学到了很多东西。

我非常的感谢帮助、支持和鼓励我完成学业的老师、朋友和同学们。

特别是我的导师司小平老师，在做毕业设计的这两个多月以来，她一直对我细心的指导，严格要求、热情鼓励，为我解决了很多问题。

司老师在我每一次去找她指导的时候都耐心的指出我论文中出现的问题，司老师对工作非常的认真，她的工作态度、对事业的执着追求、耐心仔细的教师风范和对问题的敏锐观察力，都使我受益匪浅。

在此我谨向我的导师以及在毕业设计过程中给予我很大帮助的老师、同学们致以最诚挚的谢意。

没有老师的指导，没有同学们的帮助，我的毕业设计就不会完成的那么顺利。

参考文献

[1]杨素行.模拟电子技术基