太阳能电动自行车混合供电系统的研究

【摘要】：近年来能源危机与环境污染问题凸显，已成为亟待解决不可逃避的课题。人们将目光投射到了无污染的可再生能源上，其中太阳能具有储量丰富、使用安全、开发清洁、就地取材的特点备受瞩目。太阳能光伏供电作为绿色新能源供电方式，得到了越来越多的应用。 电动自行车以其轻便、快捷、经济、环保等特点，赢得了众多消费者，成为国内流行的交通工具。但其电源（即蓄电池）在使用过程中依然存在污染、充电不便、半路断电等问题。 本课题将电动自行车技术与太阳能光伏发电技术相结合设计了太阳能电动自行车，可以在阳光下随时为蓄电池充电，有效克服了现有电动自行车充电时间长、频次高，续行里程短的不足，进一步提高了电动自行车的环保性。 论文主要完成了以下几个方面的工作： (1)针对电动自行车的功率要求，本课题选用最大输出功率为300W的太阳能电池作为供电电源。对太阳能电池进行了建模以了解其输出特性。对传统最大功率点跟踪（MPPT）控制方法进行比较和分析，提出了一种将固定电压法与变步长扰动观察法相结合的控制方法，仿真表明该方法相比于传统扰动观察法到达最大功率点的时间缩短了一半，在最大功率点处的输出功率振荡幅度由原来的4W减小到了1.4W，降低了功率损耗。 (2)对电动自行车用锂电池的充放电特性进行了研究，针对太阳能电池这个“有限源”提出了一种适合锂电池充电的控制策略，最大限度的利用太阳能电池的能量。 (3)对系统的核心功能电路DC-DC变换器进行了研究，选用输入电压范围较大可实现升降压的SEPIC变换器，对SEPIC变换器进行交流小信号建模，得出了其频率特性，按照课题需要设计了SEPIC变换器，并对其功率开关管和输出电压的工作波形进行了检测，功率开关管的尖峰电压在其关断电压的10%以内，输出电压纹波为0.6%，满足系统的工作要求。 (4)对太阳能电动自行车混合供电系统从整体方案，硬件电路、软件控制和上位机开发几个方面进行了设计，制作了一辆太阳能电动自行车样机。 (5)对太阳能电池在不同光照强度，不同光照角度，不同时间对蓄电池的充电情况进行了测试和分析；对蓄电池单独供电，太阳能电池单独供电，太阳能电池和蓄电池直接并联供电，太阳能电池和蓄电池通过DC-DC变换器并联向电动自行车供电，四种情况下电动自行车的运行情况和电源供电情况进行了测试和分析。 实验表明：在光照强度最大为46872lux时实验所用太阳能电池用6个小时可将10Ah的锂电池充满；在光照强度最大为58612lux时太阳能电池保持与太阳光照射角度垂直，用6个小时可将20Ah的锂电池充满；太阳能电池单独供电时太阳能电池的输出功率可以达到210W，车速可以达到19.8Km/h，基本满足骑行要求，但进入阴影区后速度会迅速减小；太阳能电池和蓄电池两电源直接并联供电时太阳能电池的输出电压被蓄电池钳位，输出功率在120W左右，电动车最大速度可以达到25.2km/h，光照强度急剧减小时车速不会明显减小，但太阳能电池输出功率不稳定；太阳能电池和蓄电池通过DC-DC变换器并联给电动自行车供电时电源的总输出功率提高到了278W，车速可提高到25.7km/h，光照强度急剧减小时车速减为21km/h，太阳能电池的输出功率稳定，工作点可调，可以实现最大功率点跟踪。 【关键词】：太阳能电池 电动自行车 锂电池 DC-DC变换器 混合供电系统
【学位授予单位】：中国计量学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U484
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-10
• 目次10-12
• 图清单12-15
• 表清单15-16
• 1 绪论16-26
• 1.1 选题背景16-20
• 1.1.1 能源危机与环境污染16
• 1.1.2 电动自行车的发展16-19
• 1.1.3 我国太阳能利用优势19-20
• 1.2 国内外研究现状20-24
• 1.2.1 电动自行车电源现状20-23
• 1.2.3 光伏发电应用技术现状23-24
• 1.2.4 太阳能电动自行车研究现状24
• 1.3 选题意义及主要研究内容24-26
• 2 太阳能电动自行车用太阳能电池26-35
• 2.1 太阳能电池建模及输出特性分析26-31
• 2.2 最大功率点跟踪控制方法31-34
• 2.2.1 固定电压法结合变步长的扰动观察法31-33
• 2.2.2 仿真结果分析33-34
• 2.4 本章小结34-35
• 3 太阳能电动自行车锂电池充电的研究35-41
• 3.1 锂电池充放电特性35-37
• 3.1.1 锂电池充放电方式36
• 3.1.2 锂电池荷电状态的判断36-37
• 3.2 太阳能电动自行车锂电池充电控制策略37-40
• 3.5 本章小结40-41
• 4 太阳能电动自行车用 DC-DC 变换器设计41-56
• 4.1 基本 DC-DC 变换器介绍41-42
• 4.2 SEPIC 变换器42-45
• 4.3 SEPIC 变换器建模45-51
• 4.4 SEPIC 变换器设计51-55
• 4.4.1 主要元器件选取51-54
• 4.4.2 试验结果分析54-55
• 4.5 本章小结55-56
• 5 太阳能电动自行车混合供电控制器设计56-72
• 5.1 系统整体设计方案56-58
• 5.2 系统硬件电路设计58-67
• 5.2.1 微控制器59-60
• 5.2.2 电源电路60-61
• 5.2.3 DC-DC 变换器61-62
• 5.2.4 功率开关管驱动电路62-63
• 5.2.5 检测电路63-65
• 5.2.6 过流保护电路65-66
• 5.2.7 串口通讯电路66-67
• 5.3 系统软件设计67-70
• 5.4 上位机设计70-71
• 5.5 本章小结71-72
• 6 实验测试72-81
• 6.1 充电测试72-74
• 6.2 路面测试74-79
• 6.3 DC-DC 变换器实际转换效率79-80
• 6.4 本章小结80-81
• 7 总结与展望81-83
• 7.1 总结81-82
• 7.2 展望82-83
• 参考文献83-87
• 作者简历87

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