电动车太阳能充电系统的设计说明书.doc

1、 黄河科技学院毕业设计说明书 第 I 页 电动车太阳能充电系统的设计 摘 要 在这个快速发展的时代，我们对能源的需求越来越多，对地球家园的污染也越来越大。就交通而言，各类汽车不断增加，对空气的污染也逐渐严重。为了更好的保护我们的 家园，也为了便利人们的出行，电动车成为广大人民群众的首选，它方便，快捷，价格便宜，符合普通大众的出行。但是电动车的普及，虽然为人民大众的生活提供了很大的方便，但是电的供应需要大量的煤炭 等一些不可再生能源 ，煤炭的大量燃烧不仅使这些不可再生资源的枯竭，还造成了很大的污染 。 人们赖以生存的空气，水资源都被严重的污染， 因此我们 需要清洁无污染的太阳能来发电。 这次的设

2、计是以太阳能光伏发电为前提，把太阳光转化为电能提供给电动车来利用。 首先研究的是小型独立光伏发电系统，它发展的程度以及如今发展的趋势，而太阳能转化的效率和光伏器件的成本也是一个很大的问题。光伏器件的价格是有多方面的因素来决定的，而太阳能的转化效率是可以深入研究的。为了使太阳能的转化效率达到最高，本文采用了最大功率点跟踪分析法来研究确定它的转化效率 ，以及太阳能电池板的确定 。本文总体分为 对太阳能电池板的研究，充电系统的设计，最大功率跟踪法 （ MPPT）的介绍，其中充电系统的设 计包括 DC 升压电路和充电控制电路。 关键词： 电动车，太阳能，光伏充电， MPPT 黄河科技学院毕业设计说明书

3、 第 II 页 The Design of the Electric Car Solar Charging System Author: Liu na Tutor: Si Xiaoping Abstract In this era of rapid development, we are more and more demand fore nergy, pollution of the earth is becoming more and morebig. Growing in terms of traffic, all kinds of cars, air pollution is incr

4、easingly serious. In order to better protect our home, and to facilitate the travel of people, electric cars become the first choice for the people, it is convenient, fast, cheap, conforms to the general public. But the popularity of electric cars, although the lives of the people provides a great c

5、onvenience, but the supply of electricity needs a lot of coal and other non-renewable energy, the burning of coal not only make the depletion of non-renewable resources, also caused a lot of pollution. People live in the air and water are serious pollution, so we need to clean pollution-free solar e

6、nergy to generate electricity. This design is to use solar energy to electric power, mainly on the basis of independent photovoltaic design a electric bicycle charging system, first of all, is the study of the small independent photovoltaic powergeneration system, its development degree and the deve

7、lopment trend of nowadays, and the cost of solar energy conversion efficiency and photovoltaic devices is also a big problem. The price of photovoltaic devices have many factors to determine, and the conversion efficiency of solar energy can be in-depth study. In order to make the conversion efficie

8、ncy of solar energy to achieve the highest, in this paper, using the method of maximum power point tracking to determine its efficiency. Also the size of the solar panels is calculated through the experiment. This paper is divided into the study of solar panels, the overall design of the charging sy

9、stem, the method of maximum power tracking (MPPT) is introduced, including the design of the charging system including a DC charging booster circuit and control circuit. 黄河科技学院毕业设计说明书 第 III 页 Key words: Electric Cars, Solar Power, Solar Charge, MPPT 黄河科技学院毕业设计说明书 第 IV页 目 录 1 绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2

10、论文设计目的 . 1 2 系统模块的设计 . 3 2.1 光伏发电发展以及研究现状 . 3 2.2 系统框图 . 3 2.3 电池板的选取模块 . 4 2.4 DC 升压变换电路模块 . 4 2.5 充电电路 . 5 2.6 蓄电池模块 . 6 3 效率分析 . 8 3.1 定电压跟踪法 . 8 3.2 电导增量法 . 9 3.3 扰动观察法 . 9 4 总体电路的设计 . 11 总 结 . 12 致 谢 . 13 参考文献 . 14 黄河科技学院毕业设计说明书 第 1 页 1 绪论 1.1 课题背景 在这个快速发展的时代，电动自行车已经成为我国城乡居民普遍使用的一种交通工具。这些电动自行车主

11、要是使用室内充电，用电动机驱动，蓄电池给供电。然而蓄电池普遍使用的是工业发电对其进行供电。正如我们 所知道的，能源的日益稀缺已经成为一个全球性的问题，并且对我们的家园污染非常严重，因此取之不尽，用之不竭的太阳能的使用给我们带来了希望，太阳光清洁无污染，把它作为能源对蓄电池进行充电是非常可取的。 本文最大的问题就是对光伏充电的研究。光伏发电是太阳能充电装置的一项比较重要的技术，近年来，随着 PV技术的提高以及价格的降低，光伏发电技术在很多领域也得到了广泛的应用，并且规模也在日益的扩大。光伏发电不消耗原料，没有噪声和污染，还不会受地域的限制，建设时间短，维护方便，安全可靠，而且也不需要架输电路线这

12、些也是太阳能能 被大规模使用的原因。 要想更好的实现光伏发电的功能，良好的性能，合适温度系数的太阳能电池板的使用才能满足要求。 然而太阳光在时刻变化着，太阳能光伏 电池两端的输出电压也是在时刻变化着，这样电池的输出功率也会 随着产生 变化，因此，为了使太阳能电池的利用 效 率得到进一步的提高， 使太阳能电池的工作点得到 有效的调整 也是 一个重要途径，不断的调整并实验电池的工作点， 并 使电池始终工作在 它的 最大功率点的附近 1。所以 要想设计好太阳能电动车的充电系统， 怎样 实现最大功率点的跟踪是需要解决的一个重要的问题。 还有就是太阳能电池板的选取，太 阳能电池板的选取十分重要，它直接决

13、定了对光照的吸收的程度，还要考虑光伏电池的价格问题。 1.2 论文设计目的 电动自行车在中国的使用已经非常的普遍，而利用太阳能电池板使用光伏发电技术给电动自行车充电是非常有意义的，取之不尽，用之不竭的太阳光清洁无污染，是最理想的能 源 。本课题是从能源的利用入手，结合光伏发电技术，来设计一个电动车的充电黄河科技学院毕业设计说明书 第 2 页 设备。首先是太阳能电池板面积的选取，通过电动自行车每天消耗的电量来确定太阳能电池板的功率和面积的大小。其次研究的是独立光伏发电系统，了解独立光伏发电系统的概念，组成以及在国内外研究 的发展状况。认真研究光伏发电技术当前的一些问题，还有其中的一些关键的技术

14、2。最后，由于目前太阳能电池的转换效率还并不是很高，当电动自行车作为一种交通工具完全利用太阳能电池光伏发电时，它能够持续的路程还很短，所以，要想更好的利用太阳光，需要研究和确定太阳能电池的效率，采用最大功率追踪分析系统的效率以及性能。 黄河科技学院毕业设计说明书 第 3 页 2 系统模块的设计 2.1 光伏发电发展以及研究现状 能源和环境 的 问题 已经成为 近年来 人们 关注的 重点问题之一 ，为了 使 能源和环境 得到 可持续发展，光伏发电技术 已经成为 了 各个国家发展的 重点 ，早在 20 世纪末的时 候，光伏发电技术就已经发展的比较成熟，随着时间的增长和各个国家发展的迅速进步，很多国

15、家都利用太阳能发电来使用在各个用电的行业。 对于 中国 在 2006 年 太阳电池的产量 就已经 达到 了 369.5 MWp， 仅仅在日本和德国之后 ， 这说明我国在这项技术中 具 有很强的国际竞争能力。 但是 作为光伏 发电 大国，我国的光伏 使用 市场 还没有被完全的打开 。由于光伏发电使用价格比 常规发电的 使用价格高很多，使 我国 的光伏发电市场 受到限制 。 从光伏发电应用以 来，我国 的 光伏 应用 市场较多的 使用于 离网农村电气化工程，在交通工具方面的应用相对 来说是比 较少 的 3。近年来汽油价格 在不断 上涨， 要使 我国的交通问题 得到解决 不能依靠汽车 的发展 ， 对

16、环境污染太严重， 环保的压力，能源的紧张，石油、煤炭资源的有限，这些都促进了电动自行车的发展。 电动车相对与其它交通工具而言有非常大的优势，比自行车快捷，比汽车以及公交车等方便，使用起来还比较舒服，再加上可以用太阳能为电动车提供电能，那就更加促进电动车的受欢迎的程度。 2.2 系统框图 本节讲述是光伏充电系统主要的各部分设计的工作原理，首先通过太阳能电池板收集太阳光，然后经过 DC-DC 转换器将收集的太阳能转化为电能给蓄电池充电，应为铅蓄电 池直接输出电压比较低，直接使用时没有办法满足负载的需要，所以要加上一个升压变换器，将直流电压升高，然后再通过 充电控制电路来给蓄电池充电 ，供电动车使用

17、。其系统框架结构如图 2.1 所示 。 黄河科技学院毕业设计说明书 第 4 页 2.1 系统框图 2.3 电池板的选取模块 对电动车太阳能充电系统而言，太阳能电池板的选取也是非常重要的。而我们选取的电池板功率的大小需要根据电动自行车的参数系统设计的目标来选取 4。为了做到这一点 ，我选取了一辆电动自行车，以电动自行车的参数做了实验，其参数如 表 2.1 所示。 表 2.1 电动车参数 蓄电池类型 容量 标准电压 免维护铅蓄电池 14A.h 48V 电机形式 额定功率 额定电压 无刷一体轮提速电机 240W 48V 根据表 2.1 中电动车的参数，计算出太阳能电池的总功率为 30W，而每块太阳能

18、电池板的参数如下表 2.2 所示 。 表 2.2 太阳能电池板参数 尺寸 长度 X 宽度 X 厚度 质量 （ kg） 额定功率 （ W） 开路电压 （ V） 短路电压 （ A） 245X165X3 0.4 5 11 0.4 从两个表中参数的对比分析可以看出，太阳能电池板的额定功率参数为 5W，而电动车的额定功率参数为 30W，因此，光伏充电系统需要 6 块这样的电池板。 2.4 DC 升压变换电路 模 块 太阳能电池板 DC-DC 升压变换 铅蓄电池 充电电路 黄河科技学院毕业设计说明书 第 5 页 DC 升压电路主要是利用了一个芯片 MAX669 以及外围电路来实现的， MAX669 是一个

19、专门用于升压转换的 芯片。 光伏电池吸收太阳光以后，把所吸收的光能转换成电能。由于电压 达不到所需要的 ，电池板的输出电压通过 DC 升压电路的输入端经过电感储存电压后， 电压通过 9 引脚输入到 MAX669 芯片中，经过一系列的变化后，通过调节 R2和 R3 的电阻值来达到所需要的 12V 的输出电压。其中此电路中 C2,C3,C4 均为旁路电容， C7 为补偿电容。 其原理图如图 2.2 所示。 C41 U FC20 . 1 U FC16 8 U FC72 2 0 P FR22 8 1 KR41 0 0 KR32 5 KC66 8 U FC80 . 1 U FC30 . 2 2 U FC

20、56 8 U FR10 . 0 2 QLDV C CL D O1V O C9S Y N C S H D N10R E F4F R E Q2E X T8CS6P E N G7FB5G N D3M A X 6 6 9P N P 1太阳能电池板输出电压图 2.2 DC 升压电路原理图 2.5 充电电路 本模块的设计主要是 UC3901 来实现的。由于太阳能充电器始终是和蓄电池连接在一起的，为了防止蓄电池的输出电流会流向充电器，所以在串联调整管和输出端中连接了一个二极管 ，同时为了不会让输入电源中断以后蓄电池通过分压电阻 R3 放电， 在连接电路图的时候将 R3 通过芯片的 7引脚连接到地上 5。 连

21、接 RS 是为了检测电流的大小，从 R2 到 R6 用来检测蓄电池的工作电压。 太阳能电池板接受太阳能经过转换升压得到的电压输出后通过充电控制电路的 一端输入通过输入端输入进去，通过三 极管 Q1 导通后 ，开始 进行 恒流充电 ， 然后 电池电压 会 逐渐 的 升高。当电池电压 充电 达到过充电压VOC 的 95 的 时 候 ，电池 就会进入 过充电状态，充电电压 就会一直 维持在过充电电压状态 ， 此时 充电电流开始下降。当充电电流 下 降到过充电终止电流（ IOCT）时， UC3906芯片 的脚 10 输出高电平， 而此时 比较器 LM339 通过引脚 1 输出低电平，蓄电池 就会 自黄

22、河科技学院毕业设计说明书 第 6 页 动 进入 浮充状态。同时充足电指示发光管 会 发光， 表明 蓄电池已 经 充 满 电 。 其充电控制电路如图 2.3 所示。 R43 9 0 KR31 7 KRT2 2 0 R8RS0 . 5 R61KR17 0 KR5 1 0 KRD4 7 0 R2 1 9 KL M 3 9 9QD R I S I N K16D R I S O U R C E15C O M P E14V S E N13C E N A B L E12T R I B L A S11S L C O N10O - C I N D9C S O U T1C S -2C S +3cl4+ V I N

23、5G N D6P I N D7O - C T R E8U C 3 9 0 6D1L E DD2L E DC10 . 1 U FD2C20 . 1 U FR70 . 8 K245O U T+ 1 2 V电池图 2.3 充电控制电路原理图 2.6 蓄电池模块 考虑到铅蓄电池的性能，光伏 充电电流以及系统的成本等都受到光照强度和环境温度的影响，所以充电模块一共有四个阶段，而为了使蓄电池的存储容量达到其额定值，并延长它的寿命，使用了涓流和浮充充电的模式。首先介绍的是涓流充电，为了防止在充电过程中大的电流进入蓄电池，超过电池的初始充电电流值，损坏蓄电池而使用涓流充电 6。其工作原理为：在充电时，当蓄电池

24、的端电压比初始设定的电压低时，光伏控制器就会为其提供一个非常小的电流对蓄电池进行充电，铅蓄电池的端电压则会随着涓流充电状态的进行而逐渐升高，当蓄电池两端的电压值达到始能电压时，充电器将会进入到第二个充电阶段：恒流充电状态，但是在初始充电时， 当 铅蓄 电池两端的电压高于设定的始能电压，则充电器将 跳过 涓流充电而直接进入恒流充电的状态。接下来是恒流充电，恒流充电也是一个快速充电的阶段，充电器在恒流 时的 充电状态会 将 一个 不变 的电流 提供给蓄电池 ，给蓄电池充电，蓄电池的容 储量会上升的比较快 ， 蓄电池 两端的 电压也会在蓄电池容量发生 改变 的 时候同步 不断的上升，但是蓄电池两端的电压当达到初