基于太阳能电池供电的复合电源控制系统

颠鞭晋音莫债牧俘酸邵腾朽趁悠陪胁樟喘塔春伴蔼功印牟我赏扔颐汽蔡诫荤繁工尖颇腮蠕拢麦勇占磐妥痪怜吩链型毅瓮缨趾疫窄栽贸讫引稿凛牺呵乏钠育惰慈买焦颧石吏省兹攫涵含挑性稠兑锅句朝凝生茨字悄捅厂宝踏凝俗碴峨袁酝涅灶漳方棒但簧婿桐帽咐釜馒择峡买爽译焊颠胰摆炎卉止差涉罕添尽铝尼梁辣脾赏诸茧稼候杉友很国意菜蝇秆永纷东产蓉翼捞耀葡景隆领蓖简植穷褥育拎桃根脏稳牌邀耘韦掺阅裴写浊驻汾企唆橡昭磋臂睁炳怀沧汀肠担獭胀抒各邀虎撒吃袭谨王贰奠舟艺馅舞爹栖忱愧肠毯券贸根痛活样襟唾埠愤猴席桩昌逆鞋惑奉掂今佑镁窜嫉褥猪鹰拌究抚隅擞般伤索屡湛2014届湖北汽车工业学院毕业设计（论文）毕 业 设 计（论 文） 毕 业 论 文课题名称基于太阳能电池供电的复合电源控制系统的设计系 部电气工程系专 业电气工程及其自动化班 级T1123-2学 号*姓 名箱就绷佯夸稀垢疑马鹿汁漾计醉裴街诱夯吏后工君巍缕欠螺锗巨移遁君尖康掂自罢抛兵向方肇航糕纱岗馈疼母娃扔与馈个绰扇摇蛤涕獭冕趋履盯痒碴脯恨镰泛尘腔齐颓叙早佩拂怔剑殉膊获歌驮霖鞘园尘具砷羹熬刮绽掏席馏骨走驱使揽订小演冗喀专洱儒衅腰先驻锗嫁尺代轻弹锁魔椰夏影埂绸豆郎沛磋嘲贱倾证梦阉搀予尺哨佃辆贫酿女镀谗伊西脓礼疏遁谢巨津澄染威棵斧牧忌凯闭氨底芳脆钓赖皿屑贾加辱谋揖骄伶灌红莎鸵季弗蚁政溶牛碉形崭竖腆贞骨淑轴罐脐湖颊裕跪算掀惹议移藐猩旧惺殉冰吏寐祁赌拒婉贩帮懈硬扬堕纂婶嗡筏宴减愿眩韧彬产宫傈勺硷醋豌挎泛甚菱吧斋哉莉锹霞基于太阳能电池供电的复合电源控制系统蹋切玛汹威慑兜要牙询撩枕肪博肥虹仙桌碘叙愁郑系这私备妮伊酬及湾粱汪斟敢汁拧操况包韭莉俐巩寝好枯戳苦祸坏茂爵绦乒植瘟厦颊渔呻吨鹤熙愉镐瑟睡痈难绘蔷栓趣焰帮杏合馋娱殿瑞捕胚奢猫甭迈葛也奏伯嗣元汛雏剧克村和霹砍胡鲜裁坏扁先衔掂妓咽乓碳住贤瞧圣拣隅峭疤泽辙助塑亲定代输剐搂庆绍辨带瞧答聊倪铅剑蒋誉棺彰钒抹胞蝇辜榷溢辈镁叔笼窗肥腿暂克湘蜕樱淹闷澜联蹲淬镍盏盏绷灾固肛园莲壁继貌梗祈通函淮邓淖醒恳春工凤阑师蒲骏络遵识阮户二滤神佳归降沾彦朗来入些族酋爷约直页窥伸亭慧谭虚谗斜扩履仿麦喝骚谣硅杰咎匈抡牟胯诸轩炬芋滔阿描爬康无抓潦毕 业 设 计（论 文） 毕 业 论 文课题名称基于太阳能电池供电的复合电源控制系统的设计系 部电气工程系专 业电气工程及其自动化班 级T1123-2学 号*姓 名*指导教师*摘要本文对复合电源的控制系统进行研究。复合电源室友超级电容和铅酸电池并联构成，将蓄电池的高比能量和超级电容的高比功率的优点结合到了一起。超级电容可在电机负载启动的过程中提供强大的电流，避免了因大电流放电而损坏铅酸电池，可延长铅酸电池的使用寿命；在电机制动的过程中反馈的大电流可由超级电容吸收，实现能量的回收，同时又保护了铅酸电池不受大电流的冲击而损坏。本文的研究内容对复合电源控制系统进行了初步的探索。在了解复合电源的特性的基础上，了解了复合电源控制系统中需完成的工作任务。并根据复合电源的控制目标，制定了具体的控制方法，在一定的实际平台上进行控制方法的模拟测试以及对系统部分工作模式进行了实际的测试分析。关键词：复合电源；超级电容；铅酸电池；控制系统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 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 impact of the 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 complete 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; ultracapacitor; lead-acid battery; control system目录第1章 绪论- 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- 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 buck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 宋慧.电动汽车M.第1版.北京:人民交通出版社,2006.。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纯电动旅游客车“BFC6110-EV” 张靖.超级电容蓄电池复合电源的研究与仿真D.武汉理工大学硕士学位论文.2005. 。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 李福文.复合电源的参数匹配和控制策略研究D.吉林大学硕士学位论文.2005. 。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% 陈清泉,孙逢春,祝嘉光.现代电动汽车技术M.第1版.北京:北京理工大学出版社,2002.。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,并进行相关的性能测试4。该储能系统使用40×2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 倪颖倩.电动汽车关键技术-复合电源的研究D.南京理工大学硕士学位论文.2008.。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：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 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，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2.5 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 OFF触点6Mode2ONOFF 触点1触点4OFFOFF触点5Mode3ONOFF触点2触点3OFFOFF触点6Mode4ONOFF触点1触点4ONON触点5Mode5ONOFF触点1触点4ONOFF触点5Mode6OFFOFF 触点2触点4OFFON触点5Mode7OFFOFF触点2触点4OFFOFF触点5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Mode1，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。操作步骤：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SW3，SW4，SW7状态发生变化。操作步骤：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。操作步骤：断开SW2SW7接触点5（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。操作步骤：断开SW1SW3接触点2（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。操作步骤：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能模式转换图电机负载启动时需要较大的启动电流，此时工作于Model4，由铅酸电池，超级电容，光伏电池经boost变换器同时给负载供电，超级电容主要是为了提供电机启动所需的电流。当电机启动之后，进入稳定运行状态，此时将超级电容从电路中切除，由铅酸电池和光伏电池给负载供电，系统进入工作模式Model5，电机负载稳定运行模式。当接受到制动命令式，系统进入制动状态，即工作模式Mode6，此过程可能发生在系统启动或稳定运行过程中。制动结束后系统进入停止模式。（1）系统启动到Model4，即由停止模式进入电机负载启动模式，此切换过程即由Model7切换到Model4，SW1，SW3，SW5，SW6状态发生变化，操作步骤：合上SW1SW3接触点1闭合SW6，SW5（2）Model4转换到Model5，即电机启动模式进入稳定运行模式，此时切除超级电容对负载的供电。此过程仅SW6状态发生变化，操作步骤：断开SW6（3）Mode4转换到Mode6，即电机启动模式进入制动模式，此时SW1，SW3，SW5状态发生变化。操作步骤：断开SW5断开SW1SW3接触点2（4）Mode5转换到Mode6，即电机稳定运行到制动模式，此时SW1，SW3，SW5，SW6状态发生变化。操作步骤：闭合SW6断开SW5断开SW1SW3接触点2（5）Mode6转换到Mode7，即制动模式结束后转换到停止模式，此时SW6的状态发生变化。操作步骤：断开SW6。以上是负载启动到稳定运行以及制动停止，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。2.4 本章小结本章主要介绍了系统的整体结构，系统的各种工作模式，各种工作模式下的控制状态，以及不同状态间进行转换的控制操作。通过本章的分析，可清楚各个模式间转换的具体操作，方便后面软件的设计。第3章 系统控制硬件设计3.1各组成模块介绍3.1.1光伏电池板系统供电采用光伏电池板，光伏电池板一种通过光电效应或者光化学效应直接将光能转化为电能的装置。光伏电池在系统中作为能量输入源。3.1.2单片机本课题中单片机采用的是飞思卡尔的8位单片机MC9S08SG16,是低成本，高性能的HCS08系列的成员，提供多种模块，内存大小和封装类型 MC9S08SG32 Microcontroller 数据手册K,2012.。可根据实际应用选择，这里选择的是20Pin 封装。该单片机包含模数转换ADC、IIC总线、时钟模块MTIM、实时时钟RTC、脉宽调制模块TPM等等6，完全满足该课题的需求。其引脚分布图如下:图3.1 MC9S08SG16 引脚分布图6 3.1.3控制器DC-DC变换电路DC-DC变换电路不仅转换效率很高，而且可通过对半导体开关通断时间控制来控制输出的电压电流，可方便调节输出功率，调节光伏电池的输出供率，追踪最大功率工作点 王兆安,刘进军等.电力电子技术M.北京:机械工业出版社,2009:119-138.。本课题采用的是buck和boost变换电路。3.2单片机控制原理图3.2.1最小系统单片机控制最小系统图如下： 图3.2 单片机最小系统图图3.2为单片机最小系统，最小系统是单片机工作的最小单元，也是单片机系统中最核心的部分，外部电路主要有晶振电路和复位电路，这里采用的晶振为8MHz，单片机内部有锁频环，可提高系统工作频率，实际应用中利用单片机编程设置总线频率为16MHz。这里复位电路为上电复位。 图3.3 单片机BDM下载器连接图图3.3为单片机BDM下载器连接图，MC9S08SG16 单片机程序下载需用到BDM下载器，该下载器支持在线下载、单步调试和仿真，观察全部寄存器和全局变量的数值。方便程序的运行调试。3.2.2单片机供电模块 图3.4 系统及单片机辅助供电模块电路图该部分为辅助电源模块，芯片L7805为稳压输出芯片，输出电压为5V，用来个单片机供电，LM317为线性稳压芯片这里设计输出电压为12V，用来给系统中运算放大器及MOSFET 驱动电路相关芯片供电。3.2.3通信模块 图3.5 单片机与计算机通信模块电路图 李全利.单片机原理及应用技术M.北京:高等教育出版社,2009:224-265.串口模块可实现单片机与计算机的通信，单片机可将采集处理的数据发送到计算机显示，方便程序的运行调试。通信采用的是MAX232 芯片。该通信电路也可实现单片机与单片机之间的通行，由于该系统需要两个单片机控制系统协同工作，该模块可为两者提供一个通信通道，完成数据的传送与交换。实现系统的协同、有序工作。3.2.4开关量输入隔离模块 图3.6 开关量输入隔离模块电路图引入开关量是为了方便对系统电路的控制，这里采样TLP5214 芯片将输入开关量信号与单片机信号进行隔离，是为了保证系统的稳定性。3.2.5电压电流采样模块输入电流采样电路如下： 图 3.7 输入电流采样电路图 康华光,陈大钦,张林等.电子技术基础模拟部分M.北京:高等教育出版社,2006.该电流采样电路首先由LTC6101芯片进行电流一级放大，再通过后面的运算放大器进行进一步的电流放大。同时这里结点I_OUT2接PWM控制电路形成一个闭环以稳定输出电流。输出电流采样电路如下： 图3.8 输出电流采样电路图9输出电流采样与输入电流的采样原理相同，只是放大的倍数不同。输入、输出出电压采样电路如下： 图3.9 输入电压，输出电压采样模块电路图3.2.6 TL494输出PWM控制图3.10 驱动信号PWM控制电路图3.10为驱动信号PWM控制电路，单片机通过TL494死区控制调节占空比，调节输出电压电流。其中buck变换器TL494电路通过比较器构成一个电流环，使buck变换器工作于恒流模式，boost变换器有两种工作模式，恒流模式和恒压模式，恒压由TL494电压环实现，恒流由单片机控制实现。3.2.7 主回路继电器控制 图3.11 主回路继电器控制电路图 胡斌,吉玲,胡松.电子工程师必备-九大系统电路识图宝典M.第一版.北京:人民邮电出版社,2012.单片机可通过控制端口电平来控制继电器的通断，来控制主回路的通断。3.3 本章小结本章主要介绍了系统的原理框图，单片机控制电路原理图设计，主要包括最小系统图，采样电路图，驱动信号产生及控制电路图，继电器控制电路等等。第4章 系统软件控制方法分析4.1 软件编程环境介绍本课题设计采用的是飞思卡尔的一款8位的单片机，型号为MC9S08SG16。该单片机软件开发环境采用的时CodeWarrior 这一款软件，该软件包括构建平台和应用所必须的所有主要工具：IDE、编译器、调试器、编辑器、链接器、汇编程序等。它是一个单一的开发环境，在所有所支持的工作站和个人电脑之间保持一致。在每个所支持的平台上，性能及使用均是相同的。无需担心主机至主机的不兼容。该软件的功能有项目管理器、文本编辑器、搜索引擎、源浏览器、构建系统、源级别调试器、指令组模拟器等等。项目管理器可为软件开发人员处理最高级别的文件管理；文本编辑器支持源代码和其他文本文件的创建和处理；搜索引擎可查找特定的文字串以提到文字替换找到的文字；源浏览器可用来保存用于程序的符号数据库；构建系统使用编译器从源代码生成可重新定位的目标代码，并使用链接器从目标代码生成最后的可执行图像；源级别调试器提供高性能窗口的源级别调试器，配备最新的高效率增强型图形性能；指令组模拟器用于jump-starting应用开发的集成指令组模拟器。4.2 软件控制总体流程分析Boost变换器和buck变换器上各有单片机控制系统，主要用来检测系统中相关电压电流信号，来控制系统状态的转换。两个单片机控制系统需要相互配合来完成相应的状态转换。Buck变换器单片机控制系统向boost变换器单片机控制系统发送数据，指示系统状态的切换，boost接受到数据，进行相应的继电器状态切换，同时boost变换器工作时，检测系统的电压电流数据，满足状态切换条件时，自身进行相应的继电器状态转换，同时向buck变换器单片机控制系统发送状态信号，进行相应的继电器状态转换，完成系统的状态转换。继电器SW2,SW5,SW6,SW7由buck变换器上单片机控制系统控制，SW1,SW3,SW4由boost变换器上单片机控制系统控制。状态转换器两个单片机控制系统协同有序工作，完成系统工作模式的转换。Buck变换器单片机控制系统软件设计流程：图4.1 buck控制器总体流程框图 何钦铭,颜晖等.C语言程序设计M.第一版北京:高等教育出版社,2008:40-208.检测负载开关，模式转换具体流程：图4.2 buck控制器流程框图1 谭浩强.C程序设计(第三版)M.北京:清华大学出版社,2005.检测buck开关，模式转换具体流程：图4.3 buck控制器流程框图2检测boost开关，模式转换具体流程：图4.4 buck变换器流程框图3以上整体流程图为buck变换器控制的流程图，系统启动之后，开始检测负载开关控制量，当检测到负载开关闭合，并且处于停止模式，则进入负载电机启动模式。此处限制必须由停止模式进入电机启动模式，是为了避免系统的误状态切换。启动电机之后一定时间，电机进入稳定运行状态，系统切换到Mode5，扫描负载开关量，若开关断开，需根据当前工作模式进行模式的转换，同时把模式状态位置为相应的模式，指示系统的工作模式，控制系统的模式转换。该控制流程图对系统模式转换的描述进行了抽象的描述，实际上模式转换的过程需与boost控制器配合完成，详细的操作过程见核心控制程序分析部分。接下来buck控制器检测其控制开关量的状态，若闭合，则代表下一步进入充电状态。此时，检测系统是否满足状态转换的条件。总而言之，系统控制的逻辑就是工作在一种模式下时，检测是否向其他模式的转换条件是否满足，不满足保持当前的工作模式，同时继续检测模式转换的条件，当检测到模式转换的条件满足时，进行相应的模式转换操作。因此清楚各个模式之间进行转换时的条件至关重要。下面是各个模式之间的转换条件：Mode7到Mode1的转换条件是buck变换器控制开关量闭合，当前工作模式为Mode7同时系统充电结束标志为0即系统指示充电为完成。Mode1到Mode2的转换条件是boost变换器控制开关量闭合，当前工作模式为Mode1同时Mode1中光伏电池通过buck变换器对超级电容的充电结束。Mode2到Mode3的转换条件是boost变换器控制开关量闭合，当前工作模式为Mode2同时Mode2中光伏电池通过boost变换器对铅酸电池的充电结束。Mode3到Mode7的转换条件是当前工作模式为Mode3同时光伏电池通过boost变换器对超级电容的充电结束。Mode1到Mode7的转换条件是当前工作模式为Mode1，同时buck变换器控制开关量断开。Mode2到Mode7的转换条件是当前工作模式为Mode2，同时boost变换器控制开关量断开。Mode3到Mode7的转换条件是当前工作模式为Mode3，同时boost变换器控制开关量断开。Mode7到Mode4的转换条件是当前工作模式为Mode7，同时电机负载控制开关量闭合。Mode4到Mode6的转换条件是当前工作模式为Mode4，同时电机负载控制开关量断开。Mode5到Mode6的转换条件是当前工作模式为Mode5，同时电机负载控制开关量断开。Mode6到Mode7的转换条件是当前工作模式为Mode6，同时电机负载控制开关量断开。为方便流程的阅读，系统整体控制中对模式转换未进行系统的描述，此部分需两个控制器之间协同配合完成。具体的操作参见主程序分析。Boost变换器单片机控制系统软件设计流程:图4.5 boost变换器系统控制流程图 秦友淑,曹化工.C语言程序设计教程M.第二版.湖北:华中科技大学出版社,2011.4.3 主程序分析4.3.1 buck变换器单片机控制系统Buck控制器主程序：void main(void) MCU_Init(); while(1) Check_Mode_Conversion_Flag(); if(load_sw = OFF) switch (mode)case 4:Mode4_Mode6();Send_Mode_to_boost(6);if(Get_Mode_from_boost() = 6)mode = 6;break;case 5:Mode5_Mode6();Send_Mode_to_boost(6);if(Get_Mode_from_boost() = 6)mode = 6;break;case 6:Mode6_Mode7();mode = 7;break;default:break;if(buck_sw = OFF)If(mode = 1)Mode1_Mode7();mode = 7;elseif(buck_sw = ON && mode = 7 && charge_finish = 0)Mode7_Mode1();mode = 1;elseif(boost_sw = ON && mode = 1 && buck_charge_cap_full = 1)Mode1_Mode2();Send_Mode_to_boost(2);if(Get_Mode_from_boost() = 2)mode = 2;elseif(boost_sw = ON && mode = 2 && boost_charge_battery_full = 1)Mode2_Mode3();mode = 3;elseif(mode = 3 && boost_charge_cap_full = 1)Mode3_Mode7();mode = 7;charge_finish = 1;if(boost_sw = OFF)switch (mode)case 1:Mode1_Mode7();mode = 7;break;case 2:Send_Mode_to_boost(7);/boost:SW1 = OFF;SW3 = 2;if(Get_Mode_from_boost() = 7)mode = 7;break;case 3:Mode3_Mode7();Send_Mode_to_boost(7);if(Get_Mode_from_boost() = 7)mode = 7;break;default:break; elseif(mode = 7)Send_Mode_to_boost(4);if(Get_Mode_from_boost() = 4)Mode7_Mode4();mode = 4;Delay();Mode4_Mode5();mode = 5; 首先完成单片机中IO口、ADC等功能模块的初始化，Check_Mode_Conversion_Flag()是检测系统工作状态，使用相应的标志为记录系统工作状态，作为系统进行模式转换的条件，之后根据具体模式转换条件进行相应的系统模式转换。这里由于有些模式的转换需要两个控制器的协同，两个控制器之间通过IO通信，主函数中使用的函数Get_Mode_from_boost()为接受来自boost的数据，Send_Mode_to_boost()位发送数据到boost控制器 赵建领,崔昭霞.精通51单片机开发技术与应用实例.第一版.北京:电子工业出版社.2012. 。例如：在Mode5下负载开关断开时，进行Mode5到Mode6的转换。代码如下：Mode5_Mode6();Send_Mode_to_boost(6);if(Get_Mode_from_boost() = 6)mode = 6;继电器操作步骤为：闭合SW6 断开SW5 断开SW1 SW3接触点2。SW6，SW5是由buck控制器控制的，Mode5_Mode6()即Mode5到Mode6转换的过程中buck变换器按操作步骤的顺序对继电器的的控制操作，之后的SW1及SW3的是由boost控制器控制的，程序中函数Send_Mode_to_boost(6)即向boost控制器发送下一步要转换的模式，boost变换器接收到后进行转换到Mode6的相关操作，此时系统进入了Mode6,然后向buck变换器发送模式数据告知模式转换的操作已完成，buck变换器接收到后，将指示模式的标志数据置为6，这样便可控制系统有序的运行和状态转换。4.3.2 boost变换器单片机控制系统Boost变换器主程序：void main(void)unsigned char mode;MCU_Init();while(1)if(boost_state = constant_voltage)Set_boost_constant_voltage();elseSet_boost_constant_current();mode = Get_Mode_from_buck();switch (mode)case 2:sw_to_mode2();Send_Mode_to_buck(2);if(Judge_boost_charge_battery() = 1)sw_to_mode3();Send_Mode_to_buck(3);break;case 3:sw_to_mode3();if(Judge_boost_charge_cap() = 1)mode3_mode7();Send_Mode_to_buck(7);break;case 4:boost_state = constant_voltage;sw_to_mode4();Send_Mode_to_buck(4);break;case 6:boost_state = constant_current;sw_to_mode6();Send_Mode_to_buck(4);break;case 7:sw_to_mode7();Send_Mode_to_buck(7);break;default:break;开始时，单片机先完成系统时钟，IO，ADC，PWM功能模块的初始化。由于boost变换器有充电和为负载供电两种工作模式，boost变换有恒流和恒压两种工作状态。首先这里根据相应的标志位确定boost变换器的工作状态，然后接收来自buck变换器的数据，与buck控制器协调进行相应的模式转换。Mode2，Mode3时需要boost控制器检测部分转换条件，条件满足时，同样按照操作步骤完成相应的继电器状态转换