基于太陽能電池供電的復合電源控制系統畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 3 種工作模式如下： 20xx 屆湖北汽車工業學院畢業設計（論文） 7 Mode1： 光伏電池經 buck 變換 器給超級電容充電的工 作模式 ， 圖 描述了該工作模式下能量的流向。 圖 Mode1 下能量流向圖 該工作模式下， buck 變換器工作于恒流模式給超級電容充電，同時系統中單片機控制系統檢測超級電容的充電狀態，當超級電容經 buck 變換器額充電完成時，單片機控制系統根據外界控制信號將 系統轉換到其他工作模式。 Mode2：光伏電池經 boost 變換器給超級電容充電的工作模式，圖 描述了該工作模式下能量流向。 圖 Mode2 下能量流向圖 該工作模式下， boost 變換器工作于恒流模式，單片機控制系統檢測鉛酸電池的充電狀態。充電完成時，若未檢測到系統充電控制開關斷開，系統切換到下一充電模式，否則系統退出充電狀態。 Mode3： 光伏電池經 boost 變換器給超級電容充電的工作模式，圖 描述了該工作模式的能量流向。 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很小的范圍是，才可用 boost 變換器來個超級電容充電，因此該模式必須在 Mode1 完成的狀態下，系統才能轉換到當前工作模式。模式之間相互轉換時，必須十分注意此順序，轉換到該模式時，軟件控制中，也需檢測輸入電壓和超級電容的電壓，來判斷是否可以進行該模式轉換。 20xx 屆湖北汽車工業學院畢業設計（論文） 8 以上就是對系統處于充電狀態下的各種工作模式分析，下面分析系統處于 放電狀態下時，各工作模式。系統處于該狀態下時，吸收能量的只有電機負載，提供能量的有太陽能電池板、鉛酸電池和超級電容。由于電機吸收能量是有啟動和穩定運行兩種狀態，不同狀態下，提供能量的對象不同，這里有 2 種工作模式。 Mode4：電機負載啟動，光伏電池、超級電容及鉛酸電池一同給負載供電的工作模式。圖 描述了該工作模式下能量的流向。 圖 Mode4 下能量流向圖 該工作模式下，由于電機啟動電流較大，需要超級電容為其提供啟動過程中所需的大電流，電機啟動過程結束，進入穩定運行狀態時，將超級電容從電路中切 除，轉換到另一工作模式。光伏電池通過 boost 變換器給電機供電時，單片機控制電路將 boost 變換器切換到恒壓模式。 Mode5：電機負載穩定運行，光伏電池和鉛酸電池給負載供電的工作模式。圖 描述了該工作模式下能量的流向。 圖 Mode5 下能量流向圖 電機負載啟動結束后，電機進入穩定運行狀態，此狀態下，無需超級電容提供大電流，將超級電容切除，只有鉛酸電池和光伏電池給負載供電， boost 變換器工作于恒壓模式。 20xx 屆湖北汽車工業學院畢業設計（論文） 9 由于電機還有制動這一工作狀態，此時電機將機械能轉換為電能，處于發電狀態，為了充分利用能 量，可用超級電容來吸收電機制動時的能量回饋。 Mode6：超級電容吸收電機制動時能量回饋模式。圖 為該模式下能量流向圖。 圖 模式 6 下能量流向圖 當系統各模塊均不工作時，系統處于停止模式，記該 模式為 Mode7。 各工作模式下繼電器狀態 了解清楚系統的各個工作模式，還需確定在各種工作模式下，繼電器的相關狀態，才能清楚如何控制系統在各個模式之間轉換。參見繼電器控制連接框圖繪制表格表明各個工作模式下繼電器的狀態如下： 表 各工作模式下繼電器狀態表 SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 SW7 Mode1 OFF ON 觸點 2 觸點 4 OFF OFF 觸點 6 Mode2 ON OFF 觸點 1 觸點 4 OFF OFF 觸點 5 Mode3 ON OFF 觸點 2 觸點 3 OFF OFF 觸點 6 Mode4 ON OFF 觸點 1 觸點 4 ON ON 觸點 5 Mode5 ON OFF 觸點 1 觸點 4 ON OFF 觸點 5 Mode6 OFF OFF 觸點 2 觸點 4 OFF ON 觸點 5 Mode7 OFF OFF 觸點 2 觸點 4 OFF OFF 觸點 5 表 表明了系統在各種工作模式下時，各繼電器的開端狀態或觸點連接狀態，由表可清楚看出系統在不同模式之間進行轉換時繼電器狀態的變化，由于系統在模式轉換過程中各個模塊之間連接順序不是隨意的，繼電器切換的過程還需要根據繼電器連接框圖確定具體的切換順序。下面分析各種工作模式之間進行模式轉換時，繼電器的具體操作順序。 20xx 屆湖北汽車工業學院畢業設計（論文） 10 各工作模式間轉換時繼電器操作順序 根據上表可知，系統處于不同的工作模式下時，對應著不同的繼電器狀態，切換系統的工作模式時，就必須控制繼電器狀態的轉換，轉換過程的步驟不是隨意的，否則 可能會使得系統進入一個不可知的狀態，造成系統的功能紊亂，嚴重時可能還會造成系統短路，損壞系統。系統的工作模式與負載的工作狀態息息相關，必須考慮系統切換過程中繼電器狀態變換順序。下面分析負載處于不同的工作狀態時，系統的工作模式以及相應模式的切換。 負載不工作時： 圖 負載不工作時系統所有可能模式轉換圖 負載不工作時，系統啟動之后，進入充電模式，首先工作于 Mode1，即光伏電池通過 buck 變換電路對超級電容充電。 buck 變換器對超級電容的充電完成時，系統切換工作模式，進入 Mode2，即光伏電池通過 boost 變換器對鉛酸電池充電。當光伏電池對鉛酸電池的充電完成時，系統再切換到 Mode3，即光伏電池通過 boost 變換器對超級電容充電。超級電容的電壓達到 boost 變換器輸出電壓上限時，停止充電，系統切換到停止模式。除了以上相關切換過程之外，考慮到系統處于任意工作模式時，可能因為外界因 素，人為控制，系統需從其中任意模式直接進入停止模式，還需分析以上任一模式下，如何切換到停止模式。 （ 1） 系統啟動進入 Mode1，即由停止模式進入光伏電池經 buck 變換器給超級電容充電 。 系統啟動前，處于停止模式，該過程即是有 Mode7 轉換見到 Mode1。 分析各工作模式下繼電器狀態表可知： 由 Mode7 到 Mode1 的轉換只有 SW2， SW7 的狀態發生了變化。操作步驟： ① 合上 SW2 ② SW7 接觸點 6 （ 2） Mode1轉換到 Mode2，即光伏電池經 buck變換器給超級電容充電切換到經 boost20xx 屆湖北汽車工業學院畢業設計（論文） 11 變換器給鉛酸電池充電 。 該轉換過程 SW1， SW2， SW3， SW7 狀態均發生了變化。操作步驟： ① 斷開 SW2 ② SW7 接觸點 5 ③ 合上 SW1 ④ SW3 接觸點 1 （ 3） Model2 轉換到 Model3，即光伏電池經 boost 變換器由給鉛酸電池充電切換到給 超級電容充電。 該轉換過程 SW3， SW4， SW7 狀態發生變化。操作步驟： ① SW7 接觸點 6 ② SW3 接觸點 2 ③ SW4 接觸點 3 （ 4） Model1 轉換到 Model7，光伏電池經 buck 變換器給超級電容充電切換到停止模式 。 該轉換過程 SW2， SW7 的狀態發生變化。操作步驟： ① 斷開 SW2 ② SW7 接觸點 5 （ 5） Model2 轉換到 Model7，即光伏電池經 boost 變換器由給鉛酸電池充電切換到停止模式 。 該轉換過程 SW1， SW3 的狀態發生變化。操作步驟： ① 斷開 SW1 ② SW3 接觸點 2 （ 6） Model3 轉換 到 Model7，光伏電池經 boost 變換器給超級電容充電切換到停止模式 。 該轉換過程 SW1， SW4， SW7 的狀態發生變化。操作步驟： ① SW7 接觸點 5 ② 斷開 SW1 ③ SW4 接觸點 4 以上是負載不工作時，系統各種模式轉換的過程中需要進行狀態轉換的繼電器及其操作順序分析。 20xx 屆湖北汽車工業學院畢業設計（論文） 12 負載啟動到穩定運行以及制動停止： 圖 負載啟動到穩定運行以及制動停止所有可能模式轉換圖 電機負載啟動時需要較大的啟動電流，此時工作于 Model4，由鉛酸電池，超級電容，光伏電池經 boost 變換器同時給負載供電，超級電容主要是為 了提供電機啟動所需的電流。當電機啟動之后，進入穩定運行狀態，此時將超級電容從電路中切除，由鉛酸電池和光伏電池給負載供電，系統進入工作模式 Model5，電機負載穩定運行模式。當接受到制動命令式，系統進入制動狀態，即工作模式 Mode6，此過程可能發生在系統啟動或穩定運行過程中。制動結束后系統進入停止模式。 （ 1）系統啟動到 Model4，即由停止模式進入電機負載啟動模式，此切換過程即由Model7 切換到 Model4， SW1， SW3， SW5， SW6 狀態發生變化，操作步驟： ① 合上 SW1 ② SW3 接觸點 1 ③ 閉合 SW6， SW5 （ 2） Model4 轉換到 Model5，即電機啟動模式進入穩定運行模式，此時切除超級電容對負載的供電。 此過程僅 SW6 狀態發生變化，操作步驟：斷開 SW6 （ 3） Mode4 轉換到 Mode6，即電機啟動模式進入制動模式，此時 SW1， SW3， SW5 狀態發生變化。操作步驟： ① 斷開 SW5 ② 斷開 SW1 ③ SW3 接觸點 2 （ 4） Mode5 轉換到 Mode6，即電機穩定運行到制動模式，此時 SW1， SW3， SW5，SW6 狀態發生變化。操作步驟： ① 閉合 SW6 ② 斷開 SW5 20xx 屆湖北汽車工業學院畢業設計（論文） 13 ③ 斷開 SW1 ④ SW3 接觸點 2 （ 5） Mode6 轉換到 Mode7，即制動模式結束后轉換到停止模式，此時 SW6 的狀態發生變化。操作步驟：斷開 SW6。 以上是負載 啟動到穩定運行以及制動停止， 系統各種模式轉換的過程中需要進行狀態轉換的繼電器及其操作順序分析。 本章小結 本章主要介紹了系統的整體結構，系統的各種工作模式，各種工作模式下的控制狀態，以及不同狀態間進行轉換的控制操作。通過本章的分析，可清楚各個模式間轉換的具體操作，方便后面軟件的設計。 20xx 屆湖北汽車工業學院畢業設計（論文） 14 第 3 章 系統控制硬件設計 各組成模塊介紹 光伏電池板 系統供電采用光伏電池板， 光伏電池板一種通過光電效應或者光化學效應直接將光能轉化為電能的裝置。光伏電池在系統中作為能量輸入源。 單片機 本課題中單片機采用的是飛思卡爾的 8位單片機 MC9S08SG16,是低成本，高性能的HCS08系列的成員，提供多種模塊，內存大小和封裝類型 [6]。可根據實際應用選擇，這里選擇的是 20Pin 封裝。該單片機包含模數轉換 ADC、 IIC 總線、時鐘模塊 MTIM、實時時鐘 RTC、脈寬調制模塊 TPM 等等 [錯誤 !未定義書簽。 ]，完全滿足該課題的需求。 其引腳分布圖如下 : 圖 MC9S08SG16 引腳分布圖 [錯誤 !未定義書簽。 ] 控制器 DCDC 變換電路 DCDC 變換電路不僅轉換效率很高，而且可通過對半導體開關 通斷時間控制來控制輸出的電壓電流，可方便調節輸出功率，調節光伏電池的輸出供率，追蹤最大功率工作點 [7]。本課題采用的是 buck 和 boost 變換電路。 20xx 屆湖北汽車工業學院畢業設計（論文） 15 單片機控制原理圖 最小系統 單片機控制最小系統圖如下： 圖 單片機最小系統圖 圖 ，最小系統是 單片機工作的最小單元，也是單片機系統中最核心的部分，外部電路主要有晶振電路和復位電路，這里采用的晶振為 8MHz，單片機 內部有鎖頻環，可提高系統工作頻率，實際應用中利用單片機編程設置總線頻率為16MHz。這里復位電路為上電復位。 圖 單片機 BDM 下載器連接圖 圖 BDM 下載器連接圖， MC9S08SG16 單片機程序下載需用到 BDM 下載器，該下載器支持在線下載、單步調試和仿真，觀察全部寄存器和全局變量的數值。方便程序的運行調試。 20xx 屆湖北汽車工業學院畢業設計（論文） 16 單片機供電模塊 圖 系統及單片機輔助供電模塊電路圖 該部分為輔助電源模塊，芯片 L7805為穩壓輸出芯片，輸出電 壓為 5V，用來個單片機供電， LM317為線性穩壓芯片這里設計輸出電壓為 12V，用來給系統中運算放大器及MOSFET 驅動電路相關芯片供電。 通信模塊 圖 單片機與計算機通信模塊電路圖 [8] 串口模塊可實現單片機與計算機的通信，單片機可將采集處理的數據發送到計算機顯示，方 便程序的運行調試。通信采用的是 MAX232 芯片。 該通信電路也可實現單片機與單片機之間的通行，由于該系統需要兩個單