1、AbstractThe hybrid power control system was researched in this paper. The hybrid power system constituted by the battery and the ultracapacitor can combine the advantage of the high energy density of battery and the high power density of ultracapacitor. Ultracapacitor can provide strong current when
2、 then motor load is starting in order to avoid the strong current discharge which can destroy the battery and to extend battery life. The feedback of strong current can be absorbed by the ultracapacitor when motor is braking in order to implement the energy recovery and protect the battery from the
3、impact of the strong current. The research in this paper can be used as the initial exploration of hybrid power control system.Based on theunderstanding of the characteristicsofhybridpower system,what the control system ofpoweris required to complete thetask is known. According to the control target
4、of hybrid power system,the specific control methods is formulated,Simulation test is taken forthe control methodsin practicalplatformof certain, and some part of the workmode ofsystem is analyzed inthe actual test.Key: Compositepower supply; ultracapacitor; lead-acidbattery;control system目录第1章 绪论 -
5、1 -1.1 研究目的及意义 - 1 -1.2 国内外现状 - 1 -1.3 课题主要研究内容 - 3 -1.4 本章小结 - 3 -第2章 基于太阳能电池板充电系统控制工作原理 - 4 -2.1 系统总体框图 - 4 -2.2 系统工作原理 - 5 -2.3 系统控制方法分析 - 6 -2.3.1 继电器控制连接框图 - 6 -2.3.2 系统工作模式 - 6 -2.3.3 各工作模式下继电器状态 - 9 -2.3.4 各工作模式间转换时继电器操作顺序 - 10 -2.4 本章小结 - 13 -第3章 系统控制硬件设计 - 14 -3.1各组成模块介绍 - 14 -3.1.1光伏电池板 -
6、14 -3.1.2单片机 - 14 -3.1.3控制器DC-DC变换电路 - 14 -3.2单片机控制原理图 - 15 -3.2.1最小系统 - 15 -3.2.2单片机供电模块 - 16 -3.2.3通信模块 - 16 -3.2.4开关量输入隔离模块 - 17 -3.2.5电压电流采样模块 - 17 -3.2.6 TL494输出PWM控制 - 18 -3.2.7 主回路继电器控制 - 19 -3.3 本章小结 - 19 -第4章 系统软件控制方法分析 - 20 -4.1 软件编程环境介绍 - 20 -4.2 软件控制总体流程分析 - 20 -4.3 主程序分析 - 24 -4.3.1 buc
7、k变换器单片机控制系统 - 24 -4.3.2 boost变换器单片机控制系统 - 27 -4.4 各部分子程序分析 - 29 -4.4.1 buck变换单片机控制系统 - 29 -4.4.2 boost变换器单片机控制系统 - 30 -4.5 本章小结 - 32 -第5章 实验结果分析 - 33 -5.1 各工作模式下实验数据分析 - 33 -5.2 模式转换控制实验结果分析 - 36 -5.3 本章总结 - 37 -全文总结 - 38 -致谢 - 39 -参考文献 - 40 -第1章 绪论1.1 研究目的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
8、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
9、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
10、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。吉林大学汽车工程学院混合动力客车研究组负责承担解放牌混合动力城市客车车载部件的实验工作,对电池装置进行了比较充分的研究,并且掌握了大量的相关数据,为复合电源的开发打下了坚实的基础。并且该课题组早已着手复合电源的研制工作,目前已经完成了第一阶段的工作,即仿真软件的编写及开发阶段工作,已经可以进行各种连接及参数匹配形式的仿真研究。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
11、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。FlAT Cinquecento Eletra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
12、,并进行相关的性能测试4。该储能系统使用402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。
13、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。以上可以看出,国外对复合电源的研究已卓有成效,相信在不久的将来,在电动汽车上,复合电源会得到更广泛的应用。1.3 课题主要研究内容本课题首先针对光伏电池的特性
14、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。 总而言之，有以下几点
15、：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 本章小结本章主要讲述了本研究课题的目的及意义，国内外现状，及本课题的主要研究内容和研究系统的基本组成。 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
16、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。电机负载不工作：此时，若光伏电池无功率输出，则系统不工
17、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
18、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。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。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。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
19、 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 继电器控制连接框图 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
20、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 Mode1下能量流向图 该工作模式下，
21、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 Mode2下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.
22、5 Mode3下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
23、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 Mode4下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
24、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 Mode5下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 模式6下能量流向图 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
25、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SW1SW2SW3SW4SW5SW6SW7Mode1OFFON触点2触点4OFF 触点6Mode2触点1触点5Mode3触点3Mode4Mode5Mode6Mode7 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
26、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
27、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Mo
28、de1，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：合上SW2SW7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。断开SW2SW7接触点5合上SW1SW3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
29、SW3，SW4，SW7状态发生变化。SW7接触点6SW3接触点2SW4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。（5）Model2转换到Model7，即光伏电池经boost变换器由给铅酸电池充电切换到停止模式。该转换过程SW1，SW3的状态发生变化。断开SW1（6）Model3转换到Model7，光伏电池经boost变换器给超级电容充电切换到停止模式。该转换过程SW1，SW4，SW7的状态发生变化。SW7接触点5断开SW1SW4接触点4 以上是负载不工作时，系统各种模式转换的过程中需要进行状态转换的继电器及其操作顺序分析。负载启动到稳定运行以及制动停止：图2.10 负载启动到稳定运行以及制动停止所有可
