【正文】 ..................................................................... 29 buck 變換單片機(jī)控制系統(tǒng) ................................................................................. 29 boost 變換器單片機(jī)控制系統(tǒng) ............................................................................ 30 本章小結(jié) ................................................................................................................... 32 第 5 章 實(shí)驗(yàn) 仿真 結(jié)果 與 分析 ........................................................................................... 33 模型條件以及參數(shù) ................................................................................................... 33 模式轉(zhuǎn)換控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 ................................................................................... 37 本章總結(jié) ....................................................................................................................37 全文總結(jié) ............................................................................................................................. 38 致謝 ..................................................................................................................................... 39 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................. 40 20xx 屆湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第 1 章 緒論 課題背景以及意義 為了解決環(huán)境污染和能源緊缺的問(wèn)題 ,“節(jié)能減排”在世界各國(guó)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(guó)的政府、學(xué)術(shù)界、工業(yè)界等正在加大對(duì)電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)的力度 ,加速電動(dòng)汽車(chē)的商品化步伐。單一的能量源不能滿足需要 ,由超級(jí)電容和蓄電池組合成復(fù)合電源 ,充分利用超級(jí)電容比功率高和蓄電池比能量高的特點(diǎn) [1]。超級(jí)電容可以在電動(dòng)汽車(chē)啟動(dòng)、加速、爬坡時(shí)提供強(qiáng)大的電流 ,避免了因大電流放電而損壞了蓄電池 ,延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命 。在電動(dòng)汽車(chē)下坡或制動(dòng)時(shí) ,反饋的大電流被超級(jí)電容所吸收 ,實(shí)現(xiàn)了能量回收 ,同時(shí)也保護(hù)了蓄電池不受大電流的沖擊而損壞。同時(shí)在如今能源越來(lái)越短缺的今天，太陽(yáng)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(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用 ,具有重要意義 ,使得對(duì)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(duì)基于太陽(yáng)能電池供電的復(fù)合電源控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。 總之 ,復(fù)合電源的應(yīng)用使電動(dòng)汽車(chē)滿足動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的要求 ,提高了電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)用性 ,具有重要的實(shí)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景，決定了對(duì)于復(fù)合電源控制系統(tǒng)的應(yīng)運(yùn)而生。 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 復(fù)合電源的研制與開(kāi)發(fā)可以進(jìn)一步提高電動(dòng)汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性 ,降低整車(chē)成本和使用費(fèi)用 ,加快電動(dòng)汽車(chē)在我國(guó)推廣應(yīng)用的進(jìn)程 ,盡快使我國(guó)汽車(chē)工業(yè)在世界汽車(chē)舞臺(tái)上占有一席之地 國(guó)內(nèi)一些汽車(chē)公司和高校已經(jīng)加快了對(duì)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。 20xx 年北京理工大學(xué)與北方華德尼奧普蘭客車(chē)股份有限公司共同研制純電動(dòng)旅游客車(chē)“ BFC6110EV” [2]。該車(chē)使用安裝了鏗電子電池組、超級(jí)電 容儲(chǔ)能系統(tǒng)以及先進(jìn)的多能源管理控制系統(tǒng)、交通驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) ,目前己通過(guò)整車(chē)型式認(rèn)證試驗(yàn) ,主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或超過(guò)預(yù)定要求。 20xx 屆湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 總之 ,國(guó)內(nèi)對(duì)由蓄電池和超級(jí)電容構(gòu)成的復(fù)合電源的設(shè)計(jì)與控制理論的研究還剛剛起步 ,雖然對(duì)超級(jí)電容的研究和生產(chǎn)已經(jīng)有了很大的進(jìn)展 ,但對(duì)復(fù)合電源的研究還比較少 ,還需要長(zhǎng)時(shí)間的努力。在以后的幾年內(nèi) ,復(fù)合電源的研究必然會(huì)引起人們的高度重視。 在國(guó)外 ,復(fù)合電源作為電動(dòng)汽車(chē)電源裝置已經(jīng)有原型車(chē)問(wèn)世 ,不少企業(yè)及機(jī)構(gòu)的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。 FlAT Cinquecento Eletra 使用 Sonnensehein 公司的鉛酸電池和 AlsthomAleatel 的超級(jí)電容構(gòu)成復(fù)合電源。性能測(cè)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%[3]。 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(jí)電容組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng) ,并進(jìn)行相關(guān)的性能測(cè)試 [3]。該儲(chǔ)能系統(tǒng)使用 40 2 的Panasonic 超級(jí)電容 ,用超級(jí)電容作為負(fù)載均衡裝置使閥控鉛 酸電池更好地運(yùn)用于電動(dòng)汽車(chē)。 澳大利亞一家科研機(jī)構(gòu)研制出一臺(tái)電動(dòng)汽車(chē) ,采用的是鉛酸電池和超級(jí)電容混合 ,電動(dòng)機(jī)采用永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。在電動(dòng)汽車(chē)啟動(dòng)時(shí) ,由超級(jí)電容提供能量 ,采用降壓斬波驅(qū)動(dòng) 。正常運(yùn)行時(shí) ,由蓄電池提供所需能量 ,采用升壓斬波驅(qū)動(dòng)。 ISE 公司將 Maxwell 的超級(jí)電容整合到汽油、柴油和燃料電池混合動(dòng)力車(chē)之中。特別需要說(shuō)明的是 ,自從開(kāi)發(fā) ThundercaPn超級(jí)電容系統(tǒng) ,ISE已經(jīng)將其動(dòng)力系統(tǒng)引入到汽一電混合動(dòng)力車(chē)、柴一電混合動(dòng)力車(chē)、氫一電混合動(dòng)力車(chē)和燃料電池混合動(dòng)力車(chē)的設(shè)計(jì)之中 [4]。清潔運(yùn)行、安 靜、低維護(hù)要求的車(chē)輛己經(jīng)走上了一些美國(guó)的城市 ,包括 LongBeach和 SacramentoCA。 ISE 己經(jīng)與西門(mén)子及 Flyer 公司結(jié)成伙伴關(guān)系 ,共同生產(chǎn)這些混合動(dòng)力車(chē)。 目前 ,在 ISE的混合動(dòng)力和燃料電池公交車(chē)上 ,有 3 萬(wàn)多超級(jí)電容器在工作 , 提供超過(guò)7500 萬(wàn)法拉的電力驅(qū)動(dòng)和再生剎車(chē)功率。早在 20xx 年初 ,Bartley 就估計(jì)超級(jí)電容供電的公交車(chē)隊(duì)己經(jīng)提供了超過(guò) 200 萬(wàn)英里的清潔、可靠的服務(wù) ,為我們的星球提供了清潔的運(yùn)輸服務(wù) [4]。 課題研究方案 結(jié)合本課題以及我們本專業(yè)的專業(yè)知識(shí)結(jié)合起來(lái)，要對(duì)友蓄電池和超級(jí)電容構(gòu)成的復(fù)合電源的設(shè)計(jì)的研究，我設(shè)計(jì)了以下幾條研究的方案 ： 20xx 屆湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 buck 變換器恒流工作模式 boost 變換器恒壓、恒流工作模式及模式間的切換 ，變換器的選擇以及充電對(duì)象的選擇 ，供電對(duì)象的選擇及切換 課題主要研究?jī)?nèi)容 本課題首先針對(duì)光伏電池的特性進(jìn)行了系統(tǒng)性的分析，對(duì)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，確定了光伏充電器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)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(jī)控制， buck，boost 變換器均有一塊單片機(jī)控制，兩塊單片機(jī)之間可相互通信，來(lái)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(jí)電容用于給負(fù)載供電，考慮到鋰電池的充放電特性，及負(fù)載啟動(dòng)，制動(dòng)的特性，超級(jí)電容主要作用就是提供負(fù)載啟動(dòng)時(shí)所需電流，及吸收制動(dòng)時(shí)所能量回饋產(chǎn)生的沖擊電流。 20xx 屆湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第 2 章 基于太陽(yáng)能電池板充電系統(tǒng)控制工作原理 系統(tǒng)總體框圖 圖 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(jí)電容主要是提供電機(jī)啟動(dòng)時(shí)所需的大電流，和吸收電機(jī)制動(dòng)時(shí)的反饋能量。系統(tǒng)中有兩套 DCDC 變換裝置，光伏電池通過(guò) buck 變換器可給超級(jí)電容充電，將轉(zhuǎn)化的電能存儲(chǔ)到超級(jí)電容供電機(jī)啟動(dòng)。 Boost 變換器可用來(lái)給鉛酸電池充電，也可用來(lái)給超級(jí)電容充電，光照充足時(shí)還可直接用來(lái)給負(fù)載供電。總體說(shuō)來(lái)，系統(tǒng)的的工作模式比較多，如何使系統(tǒng)穩(wěn)定工作及合理的在各個(gè)工作模式之間切換時(shí)本文研究 的關(guān)鍵。 20xx 屆湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 系統(tǒng)工作原理 整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)部分 之間協(xié)同工作需根據(jù)負(fù)載的工作狀態(tài)及光伏電池的能量輸出狀態(tài)來(lái)控制系統(tǒng)的運(yùn)行，同時(shí)兩個(gè) DCDC 變換器之間 的單片機(jī)相互通信，根據(jù)對(duì)方控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)來(lái)控制自身的工作狀態(tài)，相互之間協(xié)調(diào)有序運(yùn)行。 針對(duì)電機(jī)負(fù)載的 4 種工作狀態(tài)，負(fù)載不工作、負(fù)載啟動(dòng)、負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行及負(fù)載制動(dòng)。分析系統(tǒng)的工作模式，能量流向。 ①電機(jī)負(fù)載不工作： 此時(shí)，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(yáng)能電池板斷開(kāi)連接；若光伏電池有功率輸出，系統(tǒng)進(jìn)入充電狀態(tài)，光伏電池接 buck 變換器，buck 變換器單片機(jī)控制電路向 boost 變換器單片機(jī)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(jí)電容，系統(tǒng)進(jìn)入給電容充電狀態(tài)。 Buck 變換器單片機(jī)控制電路檢測(cè)電容充電狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到 buck 變換器對(duì)電容充電完成時(shí)，斷開(kāi) 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(guò) boost 變換器給鉛酸電池充電。此時(shí)， 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(jī)控制電路檢測(cè)到鉛酸電池充電完成時(shí)， boost 變換器輸出切換到超級(jí)電容，給超級(jí)電容充電。當(dāng) boost 變換器單片機(jī)控制電路檢測(cè)到電容上電壓達(dá)到上限時(shí)，停止充電，斷開(kāi) boost 變換器與光伏電池的連接。 ②電機(jī)負(fù)載啟動(dòng)： 電機(jī)啟動(dòng)時(shí)需要較大的啟動(dòng)電流，由超級(jí)電容供給。此時(shí)，鉛酸電池與超級(jí)電容并聯(lián)給負(fù)載供電，同時(shí)光伏電池通過(guò) boost 變換器給負(fù)載供電， boost 變換器此時(shí)的工作狀態(tài)由其單片機(jī)控制電路調(diào)節(jié)至恒壓模式 。 ③電機(jī)負(fù)載穩(wěn)定工作： 電機(jī)正常工作時(shí)，由光伏電池通過(guò) boost 變換器及鉛酸電池共同給負(fù)載供電。 此時(shí)，boost 變換器工作于恒壓模式。 ④電機(jī) 制動(dòng)： 電機(jī)制動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的反饋電流，此時(shí)超級(jí)電容與電機(jī)連接，用來(lái)吸收這部分能量。 20xx 屆湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 系統(tǒng)控制方法分析 繼電器控制連接框圖 圖 為繼電器控制連接框圖，繼電器是為了系統(tǒng)在各個(gè)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 繼電器連接圖 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(gè)控制器協(xié)同工作完成系統(tǒng)工作模 式的轉(zhuǎn)換。 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(yùn)行，必須合理、準(zhǔn)確控制各個(gè)繼電器的狀態(tài)及系統(tǒng)中各個(gè)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，及各個(gè)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及工作單元。 由于系統(tǒng)不能同時(shí)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)換與系統(tǒng)出于放電工作工作狀態(tài)下的模式轉(zhuǎn)換分開(kāi)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(shí)，充電的對(duì)象有超級(jí)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(lái)給超級(jí)電容充電，而 boost 變換器可用來(lái)給超級(jí)電容和鉛酸電池充電，系統(tǒng)處于充電狀態(tài)時(shí)，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： 20xx 屆湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院 科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 Mode1： 光伏電池經(jīng) buck 變換 器給超級(jí)電容充電的工 作模式 ， 圖 描述了該工作模式下能量的流向。 圖 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(jí)電容充電，同時(shí)系統(tǒng)中單片機(jī)控制系統(tǒng)檢測(cè)超級(jí)電容的充電狀態(tài)，當(dāng)超級(jí)電容經(jīng) buck 變換器額充電完成時(shí)，單片機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)外界控制信號(hào)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