【正文】 strong current. The research in this paper can be used as the initial exploration of hybrid power control system. Based on the understanding of the characteristics of hybrid power system, what the control system of hybrid power is required to plete the task is known. According to the control target of hybrid power system, the specific control methods is formulated, Simulation test is taken for the control methods in practical platform of certain, and some part of the work mode of system is analyzed in the actual test. Key: Composite power supply。 leadacid battery。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。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 。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)。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。 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。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。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。 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。 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]。 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)。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)。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]。 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)。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]。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)。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。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)?？傮w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。 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)。 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)。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。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 。 此時(shí)，boost 變換器工作于恒壓模式。 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。兩個(gè)控制器協(xié)同工作完成系統(tǒng)工作模 式的轉(zhuǎn)換。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。 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。 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。 Mode2：光伏電池經(jīng) boost 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流向。充電完成時(shí)，若未檢測(cè)到系統(tǒng)充電控制開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，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 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(huì)比輸出電壓低，因此不能直接用來(lái)給超級(jí)電容充電，必須使 boost 變換器最低輸出電壓和超級(jí)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(lái)個(gè)超級(jí)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。 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） 8 以上就是對(duì)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(shí)，各工作模式。由于電機(jī)吸收能量是有啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行兩種狀態(tài)，不同狀態(tài)下，提供能量的對(duì)象不同，這里有 2 種工作模式。圖 描述了該工作模式下能量的流向。光伏電池通過(guò) boost 變換器給電機(jī)供電時(shí)，單片機(jī)控制電路將 boost 變換器切換到恒壓模式。圖 描述了該工作模式下能量的流向。 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） 9 由于電機(jī)還有制動(dòng)這一工作狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)將機(jī)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(jí)電容來(lái)吸收電機(jī)制動(dòng)時(shí)的能量回饋。圖 為該模式下能量流向圖。 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。下面分析各種工作模式之間進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換時(shí)，繼電器的具體操作順序。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(guò)程中繼電器狀態(tài)變換順序。 負(fù)載不工作時(shí)： 圖 負(fù)載不工作時(shí)系統(tǒng)所有可能模式轉(zhuǎn)換圖 負(fù)載不工作時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)之后，進(jìn)入充電模式，首先工作于 Mode1，即光伏電池通過(guò) buck 變換電路對(duì)超級(jí)電容充電。當(dāng)光伏電池對(duì)鉛酸電池的充電完成時(shí)，系 統(tǒng)再切換到 Mode3，即光伏電池通過(guò) boost 變換器對(duì)超級(jí)電容充電。除了以上相關(guān)切換過(guò)程之外，考慮到系統(tǒng)處于任意工作模式時(shí)，可能因?yàn)橥饨缫? 素，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。 系統(tǒng)啟動(dòng)前，處于停止模式，該過(guò)程即是有 Mode7 轉(zhuǎn)換見(jiàn)到 Mode1。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(jí)電容充電切換到經(jīng) boost20xx 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） 11 變換器給鉛酸電池充電 。操作步驟： ① 斷開(kāi) 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(jí)電容充電。 操作步驟： ① SW7 接觸點(diǎn) 6 ② SW3 接觸點(diǎn) 2 ③ SW4 接觸點(diǎn) 3 （ 4） Model1 轉(zhuǎn)換到 Model7，光伏電池經(jīng) buck 變換器給超級(jí)電容充電切換到停止模式 。操作步驟： ① 斷開(kāi) SW2 ② SW7 接觸點(diǎn) 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 。操作步驟： ① 斷開(kāi) SW1 ② SW3 接觸點(diǎn) 2 （ 6） Model3 轉(zhuǎn)換到 Model7，光伏電池經(jīng) boost 變換器給超級(jí)電容充電切換到 停止模式 。操作步驟： ① SW7 接觸點(diǎn) 5 ② 斷開(kāi) SW1 ③ SW4 接觸點(diǎn) 4 以上是負(fù)載不工作時(shí)，系統(tǒng)各種模式轉(zhuǎn)換的過(guò)程中需要進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的繼電器及其操作順序分析。當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)之后，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，此 時(shí)將超級(jí)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 Model5，電機(jī)負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行模式。制動(dòng)結(jié)束后系統(tǒng)進(jìn)入停止模式。 此過(guò)程僅 SW6 狀態(tài)發(fā)生變化，操作步驟：斷開(kāi) SW6 （ 3） Mode4 轉(zhuǎn)換到 Mode6，即電機(jī)啟動(dòng)模式進(jìn)入制動(dòng)模式，此時(shí) SW1， SW3， SW5 狀態(tài)發(fā)生變化。操作步驟： ① 閉合 SW6 ② 斷開(kāi) SW5 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） 13 ③ 斷開(kāi) SW1 ④ SW3 接觸點(diǎn) 2 （ 5） Mode6 轉(zhuǎn)換到 Mode7，即制動(dòng)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。 以上是負(fù)載 啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行以及制動(dòng)停止， 系統(tǒng)各種模式轉(zhuǎn)換的過(guò)程中需要進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的繼電器及其操作順序分析。通過(guò)本章的分析，可清楚各個(gè)模式間轉(zhuǎn)換的具體操作，方便后面軟件的設(shè)計(jì)。其主要結(jié)構(gòu)由太陽(yáng)能電池組件（或方陣）、蓄電池（組）、光伏控制器、逆變器（在有需要輸出交流電的情況下使用）以及一些測(cè)試、監(jiān)控、防護(hù)等附屬設(shè)施構(gòu)成。直流或交流負(fù)載通過(guò)開(kāi)關(guān)與控制器連接。 有的控制器能夠顯示獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的充放電狀態(tài)，并能貯存必要的數(shù)據(jù)，甚至還具有遙測(cè)、遙信和遙控的 功能。 圖 獨(dú)立型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理 系統(tǒng)供電采用光伏電池板，光伏電池板一種通過(guò)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。 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要本著合理性、實(shí)用性、高可靠性和高性價(jià)比（低成本）的原則。協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)工作的最大可靠性和系統(tǒng)成本之間的關(guān)系，在滿足需要保證質(zhì)量的前提下節(jié)省投資，達(dá)到最好的經(jīng)濟(jì)效益。可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇，這里選擇的是 20Pin 封裝。 ]，完全滿足該課題的需求。 ] 控制器 DCDC 變換電路 DCDC 變換電路不僅轉(zhuǎn)換效率很高，而且可通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)通 斷時(shí)間控制來(lái)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(diǎn) [6]。 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） 16 單片機(jī)控制原理圖 單片機(jī)供電模塊 圖 系統(tǒng)及單片機(jī)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(lái)個(gè)單片機(jī)供電， LM317為線性穩(wěn)壓芯片這里設(shè)計(jì)輸出電壓為 12V，用來(lái)給系統(tǒng)中運(yùn)算放大器及MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路相關(guān)芯片供電。通信采用的是 MAX232 芯片。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的協(xié)同、有序工作。 電壓電流采樣模塊 輸入電流采樣電路如下： 圖 輸入電流采樣電路圖 [8] 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） 18 該電流采樣電路首先由 LTC6101芯片進(jìn)行電流一級(jí)放大，再通過(guò)后面的運(yùn)算放大器進(jìn)行進(jìn)一步的電流放大。 輸出電流采樣電路如下： 圖 [8] 輸出電流采樣與輸入電流的采樣原理相同，只是放大的倍數(shù)不同。其中 buck 變換器 TL494電路通過(guò)比較器構(gòu)成一個(gè)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(shí)現(xiàn)，恒流由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)。