【正文】 第 3 章 系統(tǒng)控制硬件設(shè)計(jì) 各組成模塊介紹 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。 該轉(zhuǎn)換過程 SW1， SW3 的狀態(tài)發(fā)生變化。下面分析負(fù)載處于不同的工作狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)的工作模式以及相應(yīng)模式的切換。 Mode4：電機(jī)負(fù)載啟動，光伏電池、超級電容及鉛酸電池一同給負(fù)載供電的工作模式。 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。 20xx 屆湖北汽車工業(yè)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(yùn)行。清潔運(yùn)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 SacramentoCA。 20xx 年北京理工大學(xué)與北方華德尼奧普蘭客 車股份有限公司共同研制純電動旅游客車“ BFC6110EV” [2]。本文的研究內(nèi)容對復(fù)合電源控制系統(tǒng)進(jìn)行了初步的探索。超級電容可以在電動汽車啟動、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 ,延長了蓄電池的使用壽命 。 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]。 總而言之，有以下幾點(diǎn)： 1. 控制 buck 變換器恒流工作模式 2. 控制 boost 變換器恒壓、恒流工作模式及模式間的切換 3. 控制系統(tǒng)充電工作模式時(shí)，變換器的選擇以及充電對象的選擇。此時(shí)，鉛酸電池與超級電容并聯(lián)給負(fù)載供電，同時(shí)光伏電池通過 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 。充電完成時(shí)，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)。圖 為該模式下能量流向圖。操作步驟： ① 合上 SW2 ② SW7 接觸點(diǎn) 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) boost20xx 屆湖北汽車工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 變換器給鉛酸電池充電 。 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(jī)啟動模式進(jìn)入制動模式，此時(shí) SW1， SW3， SW5 狀態(tài)發(fā)生變化。 20xx 屆湖北汽車工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 單片機(jī)控制原理圖 最小系統(tǒng) 單片機(jī)控制最小系統(tǒng)圖如下： 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖 圖 ，最小系統(tǒng)是 單片機(jī)工作的最小單元，也是單片機(jī)系統(tǒng)中最核心的部分，外部電路主要有晶振電路和復(fù)位電路，這里采用的晶振為 8MHz，單片機(jī) 內(nèi)部有鎖頻環(huán)，可提高系統(tǒng)工作頻率，實(shí)際應(yīng)用中利用單片機(jī)編程設(shè)置總線頻率為16MHz。 本章小結(jié) 本章主要介紹了系統(tǒng)的原理框圖，單片機(jī)控制電路原理圖設(shè)計(jì)，主要包括最小系統(tǒng)圖，采樣電路圖，驅(qū)動信號產(chǎn)生及控制電路圖，繼電器控制電路等等。 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(shí)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。 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(gè)控制器之間協(xié)同配合完成。 } if(buck_sw == OFF) { If(mode == 1) { Mode1_Mode7()。amp。 if(Get_Mode_from_boost() == 7) mode = 7。 代碼如下： Mode5_Mode6()。 if(Judge_boost_charge_cap() == 1) { mode3_mode7()。由于 boost變換器有充電和為負(fù)載供電兩種工作模式， boost 變換有恒流和恒壓兩種工作狀態(tài)。此時(shí) buck 控制器根據(jù)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的模式轉(zhuǎn)換。調(diào)用采樣函數(shù)為簡單的采樣過程，不做敘述。 } 其中 PWM(duty)為單片機(jī)輸出給定占空的 PWM，由于單片機(jī)有 PWM 模塊功能，該功能代碼實(shí)現(xiàn)比較簡單，這里對具體代碼不做敘述。 20xx 屆湖北汽車工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 第 5 章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 各工作模式下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 該節(jié)主要記錄系統(tǒng)處于充電模式時(shí)，給超級電容充電過程數(shù)據(jù)，即經(jīng)降壓板給超級電容充電和經(jīng)升壓板給超級電容充電過程。 ④模式轉(zhuǎn)換繼電器控制函數(shù) 該部分相關(guān)函數(shù)較多，但工作原理是一致的僅舉其中一例函數(shù)名 函數(shù)名： sw_to_mode7() 由于 boost 變換器只能獲取下一步要轉(zhuǎn)換的狀態(tài)，不清 楚之前的狀態(tài)，需分析不同狀態(tài)轉(zhuǎn)換到指定狀態(tài)有什么不同之處。完成則返回 1，送到相應(yīng)標(biāo)志位，作為模式轉(zhuǎn)換的條件之一。 Mode2， Mode3 時(shí)需要 boost 控制器檢測部分轉(zhuǎn)換條件，條件滿足時(shí)，同樣按照操作步驟完成相應(yīng)的繼電器狀態(tài)轉(zhuǎn)換，同時(shí)發(fā)送模式數(shù)據(jù)到 buck 變換器，此時(shí)該數(shù)據(jù)指示 buck 變換器執(zhí)行相關(guān)的模式轉(zhuǎn)換操作。 } break。 if(Get_Mode_from_boost() == 6) mode = 6。 case 3: Mode3_Mode7()。amp。 } } else if(buck_sw == ON amp。 Boost 變換器單片機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程 : 圖 boost 變換器系統(tǒng)控制流程圖 [13] 主程序分析 buck 變換器單片 機(jī)控制系統(tǒng) Buck 控制器主程序 ： void main(void) { 20xx 屆湖北汽車工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 MCU_Init()。此時(shí)，檢測系統(tǒng)是否滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件。該單片機(jī)軟件開發(fā)環(huán)境采用的時(shí) 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、鏈接器、匯編程序等。 圖 單片機(jī) BDM 下載器連接圖 圖 BDM 下載器連接圖， MC9S08SG16 單片機(jī)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。操作步驟： ① 閉合 SW6 ② 斷開 SW5 20xx 屆湖北汽車工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 ③ 斷開 SW1 ④ SW3 接觸點(diǎn) 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(shí) SW6 的狀態(tài)發(fā)生變化。操作步驟： ① 斷開 SW2 ② SW7 接觸點(diǎn) 5 ③ 合上 SW1 ④ SW3 接觸點(diǎn) 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。 各工作模式下繼電器狀態(tài) 了解清楚系統(tǒng)的各個(gè)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)在各個(gè)模式之間轉(zhuǎn)換。 圖 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 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(gè)很小的范圍是，才可用 boost 變換器來個(gè)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。 此時(shí)，boost 變換器工作于恒壓模式。 本章小結(jié) 本章主要講述了本研究課題的目的及意義，國內(nèi)外現(xiàn)狀，及本課題的主要研究內(nèi)容和研究系統(tǒng)的基本組成。 澳大利亞一家科研機(jī)構(gòu)研制出一臺電動汽車 ,采用 的是鉛酸電池和超級電容混合 ,電動機(jī)采用永磁無刷直流電動機(jī)。同時(shí)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(diǎn)結(jié)合到了一起。 總之 ,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(shí)用性 ,具有重要的實(shí)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景，決定了對于復(fù)合電源控制系統(tǒng)的應(yīng)運(yùn)而生。 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。 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(shí)還可直接用來給負(fù)載供電。 圖 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。系統(tǒng)處于該狀態(tài)下時(shí)，吸收能量的只有電機(jī)負(fù)載，提供能量的有太陽能電池板、鉛酸電池和超級電容。 20xx 屆湖北汽車工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 各工作模式間轉(zhuǎn)換時(shí)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(shí)，對應(yīng)著不同的繼電器狀態(tài)，切換系統(tǒng)的工作模式時(shí)，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(gè)不可知的狀態(tài)，造成系統(tǒng)的功能紊亂，嚴(yán)重時(shí)可能還會造成系統(tǒng)短路，損壞系統(tǒng)。 該轉(zhuǎn)換過程 SW2， SW7 的狀態(tài)發(fā)生變化。 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)，以及不同狀態(tài)間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的控制操作。 通信模塊 圖 單片機(jī)與計(jì)算機(jī)通信模塊電路圖 [8] 串口模塊可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的通信，單片機(jī)可將采集處理的數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)顯示，方 便程序的運(yùn)行調(diào)試。無需擔(dān)心主機(jī)至主機(jī)的不兼容。下面是各個(gè)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(shí)系統(tǒng)充電結(jié)束標(biāo)志為 0 即系統(tǒng)指示充電為完成。 Send_Mode_to_boost(6)。amp。 } else if(mode == 3 amp。 break。 boost 變換器單片機(jī)控制系統(tǒng) Boost 變換器主程序： void main(void) { unsigned char mode。 Send_Mode_to_buck(4)。不同的狀態(tài)轉(zhuǎn)換對應(yīng)不同的繼電器狀態(tài)轉(zhuǎn)換。 break。而查繼電器狀態(tài)表可知 Mode3 時(shí)， SW3 接觸點(diǎn) 2， Mode2 時(shí)， SW4 接觸點(diǎn) 4。由表 可以看出剛開上電時(shí)，有 左右的沖擊電流。 20xx 屆湖北汽車工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 if(duty limit_min_duty) { duty = limit_min_duty。 else 20xx 屆湖北汽車工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 return 0。 Buck 控制器先操作時(shí)，向 boost 發(fā)送轉(zhuǎn)換模式， boost 控制器接收到之后，進(jìn)行相應(yīng)操作，完成后發(fā)送模式數(shù)據(jù)，告知 buck 控制器模式轉(zhuǎn)換完成。 break。 Send_Mode_to_buck(3)。 } } } } 首先完成單片機(jī)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。 case 2: Send_Mode_to_boost(7)。 Send_Mode_to_boost(2)。 mode = 7。 20xx 屆湖北汽車工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 Mode4 到 Mode6 的轉(zhuǎn)換條件 是當(dāng)前工作模式為 Mode4，同時(shí)電機(jī)負(fù)載控制開關(guān)量斷開。 20xx 屆湖北汽車工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 Buck 變換器單片機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程： 圖 buck 控制器總體流程框圖 [11] 檢測負(fù)載開關(guān)，模式轉(zhuǎn)換具體流程： 圖 buck 控制器流程框圖 1[12] 20xx 屆湖北汽車工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 檢測 buck 開關(guān)，模式轉(zhuǎn)換具體流 程： 圖 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 buck 變換器流程框圖 3 20xx 屆湖北汽車工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 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(jī)啟動模式。 輸入、輸出出電壓采樣電路如 下： 圖 輸入電壓，輸出電壓采樣模塊電路