车载光伏电池充电系统设计开题报告.doc

滨 州 学 院 毕业设计（论文）开题报告题 目 车载光伏电池充电系统设计 系 （院） 电气工程系 年级 2010级 专 业 电气工程与自动化 班级 本1班 学生姓名 周蕾蕾 学号 1014090133 指导教师 程翔 职称 副教授 指导教师 高联学 职称 讲师 滨州学院教务处二一四 年 三 月开题报告填表说明1.开题报告是毕业设计（论文）过程规范管理的重要环节，是培养学生严谨务实工作作风的重要手段，是学生进行毕业设计（论文）的工作方案，是学生进行毕业设计（论文）工作的依据。2.学生选定毕业设计（论文）题目后，与指导教师进行充分讨论协商，对题意进行较为深入的了解，基本确定工作过程思路，并根据课题要求查阅、收集文献资料，进行毕业实习（社会调查、现场考察、实验室试验等），在此基础上进行开题报告。3.课题的目的意义，应说明对某一学科发展的意义以及某些理论研究所带来的经济、社会效益等。4.文献综述是开题报告的重要组成部分，是在广泛查阅国内外有关文献资料后，对与本人所承担课题研究有关方面已取得的成就及尚存的问题进行简要综述，并提出自己对一些问题的看法。5.研究的内容，要具体写出在哪些方面开展研究，要突出重点，实事求是，所规定的内容经过努力在规定的时间内可以完成。6.在开始工作前，学生应在指导教师帮助下确定并熟悉研究方法。7.在研究过程中如要做社会调查、实验或在计算机上进行工作，应详细说明使用的仪器设备、耗材及使用的时间及数量。8.课题分阶段进度计划，应按研究内容分阶段落实具体时间、地点、工作内容和阶段成果等，以便于有计划地开展工作。9.开题报告应在指导教师指导下进行填写，指导教师不能包办代替。10.开题报告要按学生所在系规定的方式进行报告，经系主任批准后方可进行下一步的研究（或设计）工作。一、 课题的目的意义： 汽车是人们生活的重要交通工具，随着人们生活水平的提高，越来越多的人开始购买汽车。但是，汽车的大量使用带来了能源消耗，资源短缺，环境污染等一系列问题，这些问题促使各大汽车公司竞相研制各种新型无污染的的环保汽车。电动汽车具有无排放污染、噪声低、易于操纵、维修以及运行成本低等优点，并在环保和节能上具有不可比拟的优势，它是解决当今社会巨大能源消耗和环境压力的有效途径，但是目前制约电动汽车发展的一大瓶颈便是与电池相关的问题：快速充电很难将电池充满，一次性充电续驶里程短，受到循环寿命的限制等。采用光伏电池对电动汽车动力电池补给充电，延长一次性充电的续驶里程和使用寿命，同时配备车载监控系统，实现良好的人机交互功能，本课题的研究具有很强的实用性，在人们的生活中发挥着重要的作用。2、 文献综述（分析国内外研究现状、提出问题，找到研究课题的切入点，附主要参考文献，约2000字）：（1）光伏发电研究现状 上世纪八十年代，太阳能发电开始走进人们的生活，美国、日本和欧洲等国家及地区就最先对光伏发电进行研究，并在光伏发电设施建设上投入了大量的人力、物力、财力。我国的光伏发电与发达国家相比起步较晚，并且在制造工艺上也相对落后。直到最近几年，我国推出了鼓励太阳能光伏发电的 “阳光政策”，使太阳能光伏发电在我国实现批量生产，工业生产和电池的转换效率得到了明显的改善，光伏发电技术得到了快速发展。而且光伏电池成本的下降和转换效率的提高使光伏发电的规模和应用范围不断扩大，现已成为世界上增长最快、最有潜力的高新技术产业之一1。随着光伏技术的发展和普及，太阳能应用领域越来越广泛，从最初在电能稀缺地区建立小型光伏充电站，发展到现在广泛应用于通讯、石油、气象及交通领域2，光伏发电技术从萌芽期逐渐走向成熟。由于全社会对于汽车尾气排放控制以及对清洁能源的追求，在汽车制造行业里，新能源汽车已经成为发展热点。太阳能绿色环保的优势使光伏电池在汽车上的应用逐渐民用化，尤其是在旅游观光、厂区巡逻或者校区巡逻等领域的应用。（2） 最大功率点跟踪研究现状关于最大功率点追踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)技术的研究已经有40年的历史，国内外许多文献在MPPT技术应用和控制理论方面做了详细记载。光伏电池最大功率点跟踪在光伏工程上的应用，最早是在特定的外界环境和负载的情况下通过改变光伏电池串并联方式以达到较大的功率输出3，但这种方法比较粗糙。随着微处理器的产生与发展，MPPT控制出现了非自寻优和自寻优两大类型。非自寻优主要包括曲线拟合法，它是通过数学分析法来找到最大功率点的电流与光强成比例的线性近似关系，这种方法只适合温度变化相当小的情况；自寻优法就是根据直接检测到的电信号来进行最大功率点的追踪，主要包括恒定电压法、增量电导法、扰动观测法以及改进型扰动观测法。随后，因为半导体功率器件、微处理器以及数字电路的迅速发展，人们又将直流斩波变换器技术应用在最大功率追踪4，通过硬件和软件来达到最大功率跟踪的目的。（3） 动力电池充电方法研究现状车载光伏电池充电系统本质上是一个可以移动的小型独立光伏电池充电系统，目前国内小型电动汽车的动力来源主要还是铅酸蓄电池，而充放电效率较高的磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池都没有记忆性，无论电池处于什么状态，都可以随充随用，无需先放完电再充电。所以关于充电技术的研究，可以借鉴光伏发电系统对铅酸蓄电池充电的相关研究资料，目前的研究主要集中在充电方法的改进和充电状态的检测两个方面。随着充放电技术的发展，恒流充电、恒压充电和多阶段充电等传统充电方法以及脉冲式充电等快速充电方法在光伏充电系统中都曾被应用，但每种充电方法在实际应用中都存在自己的优缺点。文献5中Koutroulis等人通过研究电池的荷电状态（SOC）、充电电压和充电电流之间的关系，提出了一种恒流控制策略，尽管此方法不需采用其他手段就能准确判断出动力电池的SOC是否达到100%，但是光伏电池的输出功率具有复杂的非线性，其输出电流要么过大要么过小，很难达到恒流充电所要求的控制电流，所以一般不完全按照提出的恒流充电控制曲线对动力电池进行充电。所谓恒压充电法，是指整个充电过程都以恒定电压充电，随着充电的进行，动力电池的端电压不断升高，但能接受的充电电流不断减少，当某一时刻光伏电池输出电流大于动力电池可接受电流时，则不能对其进行充电，这样不仅会造成能量浪费，还会使电极单位面积上流过的电流过大造成极化现象，致使动力电池损坏，因此在整个充电过程中都采用恒压充电的方法充电具有一定的局限性。三阶段充电法是把整个充电过程分为三个阶段，第一个阶段是采用恒流充电，第二个阶段是采用恒压充电，第三个阶段是采用浮充电，在文献6中Armstrong等人在同等条件下通过实验比较间断充电、脉冲充电和三阶段充电这三种充电方法，最后得出三阶段充电方法比较适用于光伏充电系统。而间断充电、脉冲充电都属于快速充电，光伏发电系统输出功率有限且同时具有非线性，导致快速充电一般不适用于光伏充电系统充电。在光伏充电过程中需要对动力电池容量进行检测来判断是否继续充电，当前应用最广泛的是电池端电压检测法7：即在充电时，不断采集电池的端电压，利用电池在充满后端电压会略微下降的特性，通过检测电池是否在端电压出现峰值后略微下降，以此来控制充电是否结束。尽管该方法不能保证准确判断出电池的充电情况，但由于这种电路结构简单，造价低并且可有效防止电池的过充电并能实现涓流充电，比较适合在车载光伏充电系统中应用。 针对目前研究现状，本文对三阶段充电方法进行了改进，将最大功率点跟踪算法融入其中，提出了一种带有最大功率点跟踪的三阶段充电法，并详细描述了系统的充电控制过程。硬件电路设计是以升压变换器为核心，完成了主电路和外围电路的设计，并对器件选型和设计参数进行了仿真验证和进一步优化。系统软件设计采用模块化编程，以STM32F103RBT6作为主控制器，完成电压、电流的检测以及占空比的调整。最后，编写上位机实现对整个充电过程的实时监控。车载光伏充电系统主要由动力电池组、光伏电池、光伏电池充电装置、车载仪表（车载操作系统）、CAN总线、USB-CAN适配器、电池管理系统组成。本课题按照组成系统的顺序进行技术上的研究，拟解决的关键问题是有三个，第一、进一步优化最大功率点跟踪算法及磷酸铁锂动力电池充电控制算法相关参数。第二、为了能够更好了解和监控系统工作状况，可考虑增加数字显示的人机交互界面。第三、降低成本和提高可靠性。本课题研究切入点是光伏电池充电模块，光伏电池充电装置是本系统中最主要的部分，是一个高效率智能的DC/DC变换器8，采用STM32F103RBT6为控制核心，是ST公司基于ARM最新Cortex-M3架构内核的32位处理器产品，内置128KB的Flash、20K的RAM、2个12位AD、4个16位定时器和3路USART通讯口等多种资源，时钟频率最高可达72MHz9，具有强大的数字处理和事件管理能力，特别适用于有大批量数据处理的测控场合。制定了高性能算法与控制策略，既能完成光伏电池最大输出功率的跟踪，又能使磷酸铁锂动力电池组的使用达到最佳状态。光伏充电监控系统是基于LABVIEW平台开发的，LABVIEW是虚拟仪器领域中最具普适性的图形化编程开发工具，是当前国际上应用最广、效果最佳的数据采集与控制开发软件之一,主要应用于仪器控制、数据挖掘、数据分析与显示等领域,适用于多种不同的操作系统。本论文主要涉及的参考文献： 1 赵争鸣,刘建政,孙晓瑛等. 太阳能光伏发电及其应用M. 北京:科学出版社，2005. 2 Patel M.R. 风能与太阳能发电系统设计、分析与运行M. 姜齐荣，张春明，李虹.北京：机械工业出版社，2009:142-143,166-171 3Elshibini M.A.,Rakha H.H.Maximum Power Point TechniqueA.Mediterran Electro technical Conference ProceedingsC.1989:21-24 4 张瑞宁,石新春. 独立光伏系统最大功率跟踪控制器的实现J. 电源技术, 2008,32(8):469-471. 5 Koutroulis E.，Kalaitzakis K. Novel battery charging regulation system for photovoltaic applicationsJ.IEEE Proceedings Electric Power Applications, 2004,151(2):191-197 6 Armstrong S.,Glavin M.E.,Hurley W.G.Comparison of battery charging algorithms for stand-alone photovoltaic systemsA. IEEE Power Electronics Specialists ConferenceC. 2008:1469-1475 7 史云鹏，王莹莹，李培芳. 光伏系统中蓄电池充放电控制方案的探讨J. 太阳能学报，2005,26(2):87-88 8 张立. 现代电力电子技术基础M. 北京:高等教育出版社,1999:113-169. 9 意法半导体. STM32中文参考手册.第10版. 意法半导体（中国）投资公司,2010.三、课题研究的内容、方法和预期目标：研究内容： 1、变换器主电路参数的设计与器件选型。根据太阳能电池的输出电压范围、最大功率点电压和电池组充电电压的要求，选取合适的开关器件和驱动控制电路参数，减少开关器件的开关损耗并使其温升小于50，从而提高变换器的运行效率。 2、变换器输入、输出直流滤波。由于变换器的输入或输出电流是断续的脉冲电流，而光伏电池的输出电流为连续值，为了增加光伏电池的利用率，需设置输入滤波器；为了达到恒压充电的目标，在输出端也需设置滤波器。 3、变换器输出电流、电压检测。变换器的输出电流、电压是判断电池组的剩余容量的标准。研究方法：1、通过查阅国内外参考文献，设计初步的系统模型。2、在该模型上编写底层驱动程序。3、根据底层驱动程序测试初步的系统模型。4、重新设计电路，实现该系统所有的功能。预期目标： 1、采用STM32F103RBT6芯片作为控制核心、以BOOST升压变换器作为主电路的硬件设计方案，对主要元器件的选型和参数整定，对设计参数进行仿真验证和优化，并研制样机。2、制定高性能算法与控制策略，既能完成光伏电池最大输出功率的跟踪，又能提高电池的充电效率。3、实现系统的可操作性。四、所需仪器设备、材料情况： PC机、示波器、函数信号合成仪、烙铁、焊锡膏等。 五、课题分阶段的进度计划序号起止日期工作内容阶段成果12013.12.15-2014.3.3查询整理文献资料，完成毕业设计开题报告，完成外文翻译查找10篇有关参考文献，基本完成开题报告撰写22014.3.4-2014.3.17制定毕业设计技术方案，进行可行性分析完成毕业设计技术方案32014.3.18-2014.3.31进实验室做实验，列出毕业设计提纲基本完成毕业设计提纲 ，初稿完成42014.4.1-2014.4.