【硕士论文】基于DSP的太阳能电动车电子电气设备的研究.pdf

摘要 摘要 太阳能电动车将对人类发展所面临的能源危机和环境污染具有重要意义，因 此， 太阳能电动车已成为各个国家研究的热点。 从 70年代后半期到 80 年代前半 期， 国外己制造出实验用的太阳能电动车， 并可以在公路上行驶， 表现出其技术的 可行性， 本论文对太阳能电动自 行车从理论和工程上进行了综合研究， 全文共分 为八章。 第一章论文简要介绍了太阳能电动车研究的历史背景，并总体上介绍了文章 的结构。 第二章论文分析了太阳能电池阵列的输出特性、太阳能电池的功率大小的计 算， 太阳能电池的串并联的连接方式， 太阳能电池的最大功率点的跟踪原理， 对 太阳能电池的各项参数指标进行了数学描述。 第三章论文论述了太阳能电池的电存储方法，车辆采用铅酸蓄电池作为太阳 能储能系统， 铅酸蓄电池由于价格低廉， 因此在光伏系统里面得到了广泛的应用。 研究了铅酸蓄电池的充放电特性、 并设计了过充电和过放电的保护电路， 并对蓄 电池两端的电压进行温度补偿。 第四章阐述了太阳能电动车的驱动系统，包括车辆电机的选型，分章节从以 下几个方面进行介绍， 包括无刷直流电动机的组成原理， 用数学公式对其进行了 详细描述， 无刷直流电动机的参数选择， 三相星型连接全桥驱动电路对无刷直流 电机的控制， 用霍尔传感器对无刷直流电机换相控制， 无刷直流电机的转子位置 检测、 速度检测和过流检测， 此外， 本文还介绍了以Tl公司生产的电机专用D S P 控制芯片T MS 3 20L F 2 4 07 为核心的硬件结构，借助D S P强大的处理能力和丰富 的外设，整套系统省去了以往复杂的硬件结构，从而提高了系统的可靠性。 第五章介绍了系统硬件设计，控制器硬件实现的功能有:实现了太阳能电池 最大功率跟踪电路， 设计了系统保护电路包括过充电保护、 过放电保护，以及防 止反接的保护电路，有效地延长蓄电池地寿命，文章重点分析了D S P芯片地内 部资源，复位电路，P WM波形产生电路，A j D转换原理与电流检测原理，并给 出了油门采样电路和三相反馈电流信号。 在硬件设计的时候考虑到系统的可靠性 因素，进行了可靠性分析。 第六章详细阐述了系统软件设计， 系统软件基于C C S 2 0 00的编译环境， 采用 C语言与汇编语言的混合编程方式， 运用数的定标方法处理小数的问题， 即节约 了时间的开销， 保证了精度要求.软件分为五块:主程序中的初始化模块、换相 子程序模块、电流调节、 速度调节子程序模块， 定时器中断程序模块。 其中定时 器中断程序模块实现了P WM输出、 信号采集时序、电流环和速度环周期产生控 制等功能。 第七章是工程上对实现太阳能电动自 行车进行了完整的描述。 第八章是对太阳能电动自 行车提出总结和展望，提出了一些改进的看法。 在实际工程的制作上考虑到成本的因素，本太阳能电动自 行车应用微处理器 ( MIC R O C HIP PI C系列) 代替数字信号处理器， 在工程上完成了太阳能电动自 行车整车的研制，达到了一次充电运行40K n l 左右的阶段性目 标。 关键词: 太阳能电 动车， T M S 3 20L F 2 4 07A，太阳能电 池，无刷直流电机， D S P A 丑 名TRAC T S o l arv e hi c l e i s l m P o rt a n t tos o l ve th e e n e 电 yc ri s i s and e nvironme ntP o U u t io n ， 50 i t s Paid m ore a ti e n t i onb y the p 吧 o p l e in户 e worl d F ro m7 o s tos o 5 ， 讲o p l e h a d m adet h ee x peri m e n tal s o l ar v e hi c l e s . 狂c an 翻ve o nth ero ad， veri fy i n gth e P o s s i b i l i tyo f s o l arv e hi c 1 e te c hno 1 o gy i s reas o n abl e . The d i s s e 八 a t l o n 如mth e o r e t l c ande n g in e e 血g t oh aveaal l o ver re s e archas o l arb ic 界l e ， 比edi s s e d 刀 t l o nwas d Mded ei ght ch即te rs. T h e fi r s t c h a P t er， th e di s s e rt a t i o n1 n t r o d u c edhi stOryb ack g r o undo f s o l arv e h i c l e s res e a x c h . T b ese c o n dc h a P t e r，thisd i s s e d a t i o nanal y z e dt h eo u t P u t c h aJ 旧 c t e r i s t i co f s o l ar a n 习 又c al c ul a t i n g o f s o l arc e ll s P o wer nec e s s 田 ， . 肠e s e ri alan d P ar a l l e l c o nne c t l ono f s o l arc e l l s . P ri n c 1 P l eo f s o l arc e l l s m axi mumpower point trac ki n g ( MP P 乃. 1 七 e n d e s c ri beth e s o l arc e l l s s eve rulP a 剐 m e t e r use d m athemat ic s m e th o d s . The t hi r d c h aPte r，th e d i s s e rt a t i o n 1 n t r o d u c edthe s t o Ia g e o f th e ene r g y o f t h e s o l ar c e l l s 厂 n l j s vehi c l e use dl e ad一 aci dst o ra g e b a tt e ri e s as sto口 g esyst em. B e c aus eth e l e a d 一i d b a tt e ri e s are c heap， soi s wid e l y use d inP h o to vol taic s y s te m . Res e areh edt h e c h 田 ra c te ri stico f e l ectricc h 田 笔 eandd i s c h 耀eo fl e ad一 aci ds t o ra g eb a tt e ry， and des i gnedthe o v er-c h arge dand o v e r ， di sc h 魄e d P ro te c ti o nc ircul t . A n dthe l e ad一 aci d b atte ri e s P ort v o l tage h a v e use d t e m P e r a t ur e c o mP e n s atio n . T 七 es e c o n dc h a P t e r，Im akeaP re s e 口 ta t i o no fs o l ar v ehic l e ， sdriv es y st em . In c l udin ghowtose l e ctth eP r o Peri ym o to r.Then I 1 n tr o d u c ed s e v e ral as P e c tsas fo 1 l o w 1 n g c h aP ter. In c l udingthe P n n c iP l e o f b ru shle s s D Cmot or( B L D C M)J u s ed m al 上 e m at i c s m e th o dto des c ri b ed e ta i 1Andh o w t os e l e ctth eP a r aJ 叮 e terso f B L D C M. 下 恤 e e 一 h ase dfu l l bri电e drivec irc垃 tstoc o n t r o l the B L D C M， using H al l s e nso r to c o n tr o l th eP h ase一 changing . 八 刀 d to d et ect th ero t o r P o s i ti on o fth e B L D C M、 sP e edand o v e r c u rT e n t .hiaddi t i o 几the d i s s e 州 泊 t l o n al s o l n tr o d u c e s h ar d ware s t ru c ti 万 e b as e d o n mot o r c o n tr o 1 c h i p T M S 3 2 0 LF2 4 0 7 D S P whatwerem ad e b y TI c o rp o rati o n . F o r i t h asth e s tr o n g p r o c e s s ing abi I ity and abu n d ant 讲ri p h e rals . T 七 e w b o l es y s t e mc an l e a v e o utanc i e n t yc o m P l e xb 田 .d ， v a l es t ru c tt 甘 e ， s oi t l m P r o ves re l i abi l i tyo f s y s t e m . The fi 助 c h a P t e r ln t r o d u c e d b ar d w ar e d e s i gn. The c o n t r o l l e r h a v e s e v e ral fun c ti o n asfo l l o win g : m um 如wer p o int t r a c king c ircul t o f so l arc e l l s . l d e s i 即ed the Over-c h argi n g P r 0 tecti o n c ircu i t s and o ver- d i s charging P r O te ctio n c i rc u i tsa n d toavo i d re v er s e c o nne c t i o n p rote ctio n c ircul t s . Itc anp ro 1 o n g th e l i feo f l e ad-ac i d b atterie s e ffec t i v e l 醉T h i s arti c l eanal y z e dD S Pc hi Pi ni e rn alre s o u r c e s ，re s etc ir c ul t ， P WM wav eP ro d u c i n gc ircul t s . A / Dc o n v e rtP rinc iP l eandc 吟 nid e t e ct i o nPrinci p l e . 摘要 P re s e n t i n g theacce l erogr a P h ， ” 力 P l e c ir c u i t and d 廿 e e P h as e feedback currentsi gnal . 认 七 e nI d e s i gne dh ar d w ar e I h a d c ons i d e r syst e m ， s re l i abi l ity fa c t o rs ， tod i s c uss t h e sys t e mre l i abi l i tyana 】 y s i s . T 七 es i x thcha P t e r，th ed i s s e Itat 1 on d e ta 1 1 ediyP re s e nteds y stems o ft w ar edes i gn. A doP t i n gs i m u 1 t a n e ous lythe Cand as se 田 b l e l ang u a g e ， the sofl w ar e d eve 1 0 P m ent is b aS e d on th e C C S 2 0 0 0 i nteg r a t e dd e v e 1 o P m e nie n v 1 ro nme nt . F o r l e s s o c c u P anc y o f systemre s o urc e s and m ore P r e c i s i o 氏山 c dec 汕alfi 习 c ti o n inD S Pi s re al i zed b y the Q r e P r e s e n t a t i o n . The s y st e ms o ft w ar e i n v o l ves fi v e m a 1 n mod u le s : i ni t i al l 乙 吐 i o n m o d u l e ， p h as e 一 c h ang i n gm o dule ， curren t . r e gulat in g m o d u l e ， s P e e d 一 re gula t l n gm o d u l eand t i m e r i n t e ITUP t m o d u l e . o ul y o n e g e n e ral一 P u rp 0 s e t i m e r T l i s usedinth e s o ft w ar e to ac hi eves u ch fo n c t l o ns as P W M o u t P u t ，th eP r o d u c ti o no fs i gna lc o l l e c t l n g t i m e 一 se q u e nce and s P e edlo 叩and c u rr e n t fo oPperi o d ， etc. T h e s eve n thc h a P t e r，the d i s s e 到 a t l o nfull y d e s c ri b e d th e s o l arb i c 界l e e n g inee n n g re和 l i 7 a ti o n . T h ee i ght hc h apt e r，the arti c l es u n u n arizedandP r e d i ctedth es o l arb i c ycl e .1 p r e s e nted s o me i d e asabo uthowtol m P r o veth e s o l arb 1 c y c 1 e peri b o n a n c e . hifact w h e nwe P roduc e d the s o l arv e hi c l e we c o nsi d e r t h e fi u 1 d fi t o r.w七 use d 而c ro P ro c e s s ortos ubsti to 把th e D S PP ro c e s s o r，W 七 h ad P ro d uce dasajn P 】 es o l ar b i c y c l e . 认 币 e n the b a tt e ryfiill c h ar g e d ， i t c an drive 4 0 K ml o ng. W 七 h a v e a c h l e v e d 6 r s t s teP devefo p m e nia i m s. K e y wor d s : S o l arvehi c l e ， T MS 3 2 0 L F 2 4 0 7 A ， S o l areel l ， B L D C M， D S P 第一章绪论 第一章 绪论 1 . 1课题研究背景和意义 进人21世纪，人类所面临的环境问题和能源问题越来越严峻。大量使用石 油 燃料使空 气中的s q和c q急剧 增加， 造成了 酸雨 和温室 效应。 由 于城市空气 污染情况日益严重， 控制汽车尾气污染已成为环保部门的严峻课题. 燃油汽车的 排放物从排气管释放， 直接窜入车厢， 危害驾驶员和乘客的健康。 因此发展零排 放的绿色环保电动车已 经成为历史发展的必然。目 前世界汽车年产量达5 0 00万 辆，汽车保有量近 7 亿辆。我国汽车工业经过40 多年的建设和发展，取得了长 足的进步，特别是70年代末以来，汽车产量以年均12.7 % 的速度增长。随着汽 车保有量的迅速增长， 汽车将成为石油资源的主要消耗者和大气环境的主要污染 源。 1 ， 人口、 资源、 环境是当今世界发展的三大主题， 而汽车与此三个方面均有密 切的关系。 汽车在其诞生后的百年历史中， 使人类社会在经济、 文化等诸多领域 发生了根本性变化，在今后相当长的时间还将对人类社会文明产生巨大的影响。 因而，汽车能源利用效率、有害物排放、车用新能源的开发和利用等问题，近 30年来一直受到各国 政府、专家和公众的关注。 人们投入巨额资金和大量人力 研究更加清洁的车辆， 寻找更加洁净的， 可持续利用的替代能源。 迄今，己经投 入使用和正在研究开发的替代能源汽车有电动汽车及混合燃料汽车，从70年代 后半期到80年代前半期，12 制造出实验用的太阳能车， 并可以 在公路上行驶， 表现 出其技术的可行性。 它们在欧、 美、日等发达国家的开发和使用标志着人类在研 制新能源乘用汽车这一领域取得了重大成果。 与此同时， 使用最清洁、 最丰富的 能源太阳能作为车辆的能源来源， 太阳能是取之不尽， 用之不竭的， 所以世界各 国普遍看好这类新能源，我国2 0 0 5 年颁发了 可再生能源法说明了 我国对新 能源的重视，70年代的一场石油危机使人们不得不寻找石油以外的能源，而且 石油为不可再生能源， 而电动车所用的电力能源可以通过很多可再生能源的途径 获得，比如通过太阳能发电， 风能发电，潮汐能发电等等，太阳能电动车已成为 当前世界各发达国家竞相研究开发的前沿项目。 太阳能电动车集能源、 汽车、 机 械、电 子、 计算机、自 动控制、 材料工艺等技术为一身，为各国展示其综合国力 提供了广阔的舞台。 21世纪世界能源结构将发生巨大变化，以化石能源为主的能源结构将逐步 转变为以资源无限、 清洁干净的可再生能源为主。 将太阳光能变为电能， 是利用 太阳能的一条重要途径。 太阳能对解决当前日益严重的能源短缺与环境污染问题 有着重要的意义。 对太阳能的直接利用， 代表了人类文明发展的新水平，有利于 江南大学硕士毕业论文 人类社会的可持续发展。因此， 太阳能电动车被人们称作 “ 未来汽车” 。中国政 府在 “ 九五” 计划期间开展了电动汽车开发和产业化的研究， 在 “ 十五” 期间将 投入近 10亿元来进行技术攻关，下大力气来发展电动汽车，己经开始实施列入 国 家8 63计划的电 动汽车重大专项， 而目 :前太阳能电动自 行车尚 是一个研究的空 白之处。 因此随着日新月异的技术进步和人们环保意识的不断提高， 研究太阳能电动 车具有良好的实用意义。 1 2太阳能电动车 早在 1 8 3 5 年，美国人汤姆斯就发明了电动汽车，这比1 8 86 年卡尔 本茨的 第一辆内燃机汽车问世早了半个多世纪。 但是随着内燃机技术的成熟， 使内燃机 汽车显示出动力性、 经济性等方面的优势。 而电 动汽车由于充电时间长、 电池重 量大， 续行里程短、 动力性差等缺点， 不得不在过去相当长的时间内让位给内 燃 机汽车。 近几十年来，随着石油等不可再生能源的危机和汽车排气污染的日 益严重， 人 们开 始把目 光投向了 可再 生能 源， 解决 汽车污 染公 害的 途径 主要 有两条: 一是 提高汽车的排放标准; 二是采用代用能源。其中最有发展潜力的还是后者， 用电 作动力，即用电动机代替内燃机，是十分理想的。电动车是零排放的交通工具， 相对于内燃机车辆，电动车本身不产生任何废气，也无冷却剂、机油等污染物。 太阳能电动车与普通的电动车的差别是不用工业用电充电， 直接可以用太阳光充 电。 太阳能电动车的优点: ( 1) 无需工业用电， 用太阳能作为动力能源， 平时可以用蓄电池把电能储存， 行驶的时候可以利用。 ( 2 ) 有利于保护环境， 污染小: 蓄电池可以回收， 没有一氧化碳、二氧化碳、 二氧化硫的污染。 (3) 无噪音， 运行安静。 1 982 年， 澳大利亚冒 险 家汉斯和工程师拉瑞 帕金将一辆完全靠太阳能驱动的 汽车从澳大利亚西部城市帕斯开到东部的悉尼， 从而完成了世界上第一次“ 太阳 能车拉力行” 。这辆车利用光电转换和电力拖动技术，创造性地把太阳能应用与 车辆驱动，是应用了世界上最丰富的能源太阳能，虽然这辆车当时的时速仅为 4 0 千米，却成为全世界的关注的焦点。 现在世界上很多国家都在研制太阳能电动车， 并进行交流和比赛。 世界上 太阳能电动车挑战赛由 丹麦人托尔斯楚普于 1 9 8 7 年创办，每三年在澳大利亚举 行一次。1 9 8 7 年H月，在澳大利亚举行了第一次世界太阳能电 动车挑战大赛。 有7 个国家的25辆太阳能电动车参加比赛， 赛程全长3 2 00公里， 几乎贯穿整个 澳大利亚国土。1 9 9 6 年以后改为两年一届。 第八届太阳能电 动车挑战赛于2 0 0 5 年9 月25 日 至10月2 日 在澳大利亚举行， 从澳大利亚的北部城市达尔文市到南 部城市阿德莱德市， 全部的驱动能源使用太阳能， 不能使用其他辅助能源， 上午 八点出发，五点休息，全程里程超过 3 0 00 公里，用了不到四天的时间。揭示了 第一章绪论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 曰. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 太阳能电动车走向实用阶段的新篇章。 我国的第一代太阳能电动车是由清华大学设计的 “ 追日号” ，该车借鉴了国外 己有的成功车型的经验，并结合了国内工艺技术的实际水平和竞赛的具体要求、 规定进行设计的，并且在日本N O To 国际太阳能车大赛中，在 30 多辆参赛车中 名列第13。 “ 追日 号”结合了多项高科技，在整车和电气系统方面，考虑到启动 需要大电流， 采用了太阳能电池板和铅酸蓄电池并联作为动力能源， 在中小负荷 下优先使用太阳能电池， 在大负荷情况下， 铅酸电池作为辅助动力源， 太阳能电 池板由近万片矩形单晶硅电池阵列组成，光电转换效率为 14%，电机采用直流 永磁无刷电 机，该车设计最高时速为80腼/h，平均巡航时速50km/h。 太阳能电动车应用技术涉及光电、电机、电力电子、控制、机械、化学等方面 的技术内容。 应用技术可以分为五个主要技术内容: 光电技术、 车体技术、电机 驱动技术、储能电池技术和能量管理系统技术。 ( 1) 光电 技术 太阳能电动车的主要能量转换装置为太阳能电池板， 它是将光能直接转换为 电能的半导体器件。 1954年美国贝尔实验室研制出了效率为6 %的单晶硅太阳电 池，并于1 9 5 9 年首先在航天器上得到应用。 在随后ro多年里， 硅太阳电池在空 间的应用不断扩大，工艺不断改进，电池设计逐步定型。 现在制作工艺比较成熟 的太阳能电池有单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池， 现今世界上单晶硅的最 高效率为24. 7 % ， 而多晶 硅最高效率只有20. 3 驴 。 ( 2)储能电 池技术 太阳能电动车的储能电池关系到车辆的行驶里程的一项很重要的指标， 太阳 能电动车没有得到推广的原因除了太阳能电池之外一个很重要的原因就是储能 电池达不到要求，到目前为止，还没有一种蓄电池能够满足接近于燃油汽车，可 以相信:随着现在电池技术和材料技术的发展，蓄电池性能会不断改善， 新型的 蓄电池会不断开发出来， 并最终为电动车提供高性能的能源， 使电动车和燃油汽 车在行驶方面的差距越来越小。目 前大部分储能电池是化学电池，如铅酸电池、 镍锡电池、镍氢电池、铿离子电池等，从目前发展来看，新型铅酸电池、镍氢电 池、 铿离子电池、 燃料电池等， 锉离子电池是最具有潜力的电池，考虑到成本因 素，样车制作的是采用铅酸蓄电池。 (3)能量管理技术 能量管理系统担负着维持太阳能电动车所有蓄电池组件工作于最佳状态， 采集车辆的各个子系统的运行数据，进行监控和诊断， 控制充电方式，对太阳能 电池进行最大功率点跟踪等， 提供剩余能量的显示等， 对蓄电池的过充电和过放 电保护等，大大提高蓄电池的使用寿命并降低成本。 (4) 电力驱动技术 电力驱动系统包括电机技术、 控制、 功率电子器件三部分， 永磁无刷直流电 机 ( B L D c) 是随着电机控制技术、电力电 子技术和微电 子技术的发展而出 现的一 种新型电机。 它是有刷直流电机的基础上发展起来的， 有刷直流电动机具有运行 效率高、 调速性能好等诸多的优点， 在相当长的一段时间，一直在运动控制领域 占据主导地位. 但是机械接触的电刷一换向器存在着相对的机械摩擦，由此带来 的噪声、 火花、 无线电千扰以及寿命短等致命弱点， 再加上制造成本高及维修困 难缺点，从而大大地限制了它地应用范围。 针对上述传统有刷直流电动机的弊病，早在本世纪30年代，就有人开始研 江南大学硕士毕业论文 制以电子换向代替电刷机械换向的无刷直流电动机，并取得了一定的成果， 但是 由于当时大功率电子器件仅处于初级发展阶段， 没能找到理想的电子换向器 件。1 9 5 5 年，美国D . 哈利森等人首次申 请了 应用晶体管换向 代替电 动机机械换 向的专利， 这是现在无刷直流电机的雏形。由于无刷直流电动机既具备交流电动 机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效 率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，故在当今国民经济的各个领域， 如医 疗器械、 仪器仪表及家用电 器等方面的 应用日 益普及， 因 此 成为 研究热点 1，1 。 以D S P为核心的电机控制器降低控制系统对外围设备的要求，可通过复杂的 算法来达到同 样的控制性能，降低成本，可靠性高， D SP的运算速度快，比普通 的C P U 的运算速度快一个数量级， 所以 控制策略中可以 使用先进的实时算法， 如 自 适应控制、 卡尔曼滤波、 状态预估等， 大大提高控制系统的性能， 而且D SP控 制软件可以用C 语言、 汇编语言编写或者二者嵌套使用， 因此采用DSP 芯片的系 统方便用户的调试和应用。 完全能够满足无刷直流电机的控制要求， 而且能够灵 活地实现太阳能电池的最大功率点的跟踪。 ( 5 ) 车体结构 在车体结构的设计中， 降低车体的重量为主导思想， 用轻型的材料做车架， 降低车体的风阻系数和轮胎的滚动阻力系数， 以降低整辆车总体的损耗。 太阳能电动车的研究状况:目前太阳能电动车是各国研究的热点， 国外一般以 太阳能汽车为研究对象， 国内相关的高等院校和科研机构也开始对太阳能电动车 关注， 国内还没有成熟的样品， 本研究为研制小型太阳能电动自 行车打下坚实的 基础，已经制作出样品。 1 . 3 课题研究的主要内容 太阳能电动自 行车的研究和制作分为以下几个部分， 论文的前面六章对太阳能电 动车提出的理论探讨， 第七章我们介绍了实际在工程上实现太阳能电动自 行车的 制作。 ( 1) 太阳能电池工作原理及最大功率跟踪原理，太阳能电池输出特性，及太阳 能电池阵列的组合，太阳能电池最大功率点跟踪。 ( 2) 铅酸蓄电池的特性，对铅酸蓄电池进行过充电保护、过放电保护，延长铅 酸蓄电池的使用寿命，对蓄电池进行温度补偿。 ( 3 ) 无刷直流电机的机械特性和速度调节原理分析， 无刷直流电动机的转速环、 电流环双闭环调速系统数学模型的建立。 ( 4 )太阳能电动自 行车的硬件设计原理，文章首先介绍了1 ，MS 犯0 L F24 07A的 硬件资源，然后介绍了以D S P为核心的控制系统方案。 ( 5) 太阳能电动自行车的系统软件的设计算法，给出软件的流程图，对算法进 行详细的介绍。 ( 6 )太阳能电动自 行车的研制方法，包括简单介绍机械结构和太阳能电池组件 的连接方法。 工程 上具 体研究 制作了 第一 辆满足要 求的 太阳 能电 动自 行 车， 太阳能电 动车 是太阳能技术与电动车技术的结合体， 作为一种绿色交通工具， 具有极大的实用 意义，为未来探索以新能源为动力的车辆打下坚实的基础。 江南大学硕士毕业论文 第二章太阳能电池 2. 1 太阳能电池的工作原理 当光照射到半导体上时， 光子将能量提供给电 子， 电 子将跃迁到更高的能态， 在这些电子中作为实际使用的光电器件里可利用的电子有如下3 种: ( 1)价带电 子; (2)自由电子或空穴; ( 3) 存在于杂质能级上的电子. 太阳电池可利用的电 子主要是价带电子。 由价带电子得到光的能量跃迁导带的过程所决定光的吸收称 为本征或固有吸收。 太阳能电池能量转换的基础是结的光生伏特效应。 能带图如 图2 一 1 所示，当 光照射射到p 一结上时， 产生电 子一空穴对， 在半导体内 部结附 近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内建电场的吸引，电子流入 n 区， 空穴 流入p 区， 结果使n 区 储存了 过 剩的电 子， p 区 有过剩的 空穴。 它 们在 P- n 结附 近形成与势垒方向 相反的光生电 场. 光生电 场除了 部分抵消势垒电 场作 用外， 还使p 区带正电， n 区带负电， 在n 区和p 区之间的薄层就产生电 动势， 这就是光生伏特效应， 如果将外电路短路， 则外电路中就有与入射光能量成正比 的 光电 流流过， 这个电 流称作短路电 流. 另一方面， 若将p 一结两端开路， 则由 于电 子和空穴分别流入n 区和p 区， 使n 区的费米能级比p 区的费米能级高， 在 这两 个费 米能 级 之间 就 产生了 电 位差吃。 可以 测 得这 个值， 并 称为 开 路电 压。 16 显然， 光电 池之 所以 能 在光照下形成电 流密度J ， 短路电 流密度几， 开路电 压珠， 都是由于材料内部存在内建静电场的缘故。 太阳能电池是将太阳能直接转换成电 能的器件。 它的 基本构造是由 半导体的p 一 n 结组成。 图2 一 1 、太阳能电池的能带图 温度对太阳能电 池的影响: 载流子的扩散系数随温度的增高而增大， 所以少数载 流 子的 扩散 长 度 也随 着温 度的 升高 稍有 增 大， 因 此， 光生电 流人也随 着 温度的 升高 有 所 提高。 但是JO随 温 度的 升高 是 指数 增 大， 因 而吃随 温度的 升高 急 剧 下 降。当温度升高时， 1 一 U曲 线形状改变，填充因子下降，故转换效率随着温度的 增加而降低。以下图2 一 2 和图2 一是太阳能电池在常温下的不同日照的曲线，和 第二章、 太阳能电池 相同日 照下不同温度的1 一 U曲 线。 17 5 二 1 0 0 0 划 m 早 太阳能电池温度 乃 卜 1 000 Wlm ， 1加 落 ， 5 0 1 . 00 理 产卜、扮、 委 1 ， U 润 A : . 2 5 ， ， J 0 . 5 0 。: 顺 翅塑塑200 皿 002 003 004 005 00 试V ) 1 伪2 的3 田月 加5 的600 U(V ) 图2 一常温下不同日照的1 一 U曲线图2 一 3 相同日 照不同温度的1 一 曲线 光强对太阳能输出特性的影响如图2 、图4 所示， 不同 光强所对应的曲线有很大 差别。 ! 0 0 0 800600400 蒸丫 渗丫 2 oo 试V ) 图2 一常温下不同日照P 一 U曲线 2 2太阳能电 池的等效电路 U(V ) 图2 一 5 相同日照下不同温度P 一 U曲线 为了描述电池的工作状态，往往将电池及负载系统用等效电路来模拟。见图 2 一 6 在恒定光照下，处于工作状态下的太阳能电池，其光电流不随工作状态而变 化， 在等 效电 路中 可 把 它 看作 恒 流源。 光电 流一 部分 流 经负 载凡，在 负 载 两 端建 立起端电 压V， 反过来它又正向 偏置于卜 n 结 二极管， 引 起一股与 光电 流方向 相反 的 光电 流坛 ，由 于 前面和背面的电 极接 触，以 及材 料本身 具有一定的电阻 率， 基区和定层都不可避免地要引入附加电阻。 流经负载的电流在经过它们时， 必然 引 起损 耗。 在等 效电 路中 ， 可 将 它 们的 总 效果 用一 个串 联电 阻凡来 表示。由 于 电池边缘的漏电和制作金属化电极时， 在电池的微裂纹、 划痕等处形成的金属桥 江南大学硕士毕业论文 漏电 等， 使一 部分本应通过负载的电 流短路， 这种作用的 大小可用一并 联电 阻气 来等效， 其等效电路如图2 一 6 所示。 16 -一臼 卜 1 R由 .肤 t) 几 图2 一 6 太阳能电池等效电路 太阳能电池的转换效率表示在外电路连接最佳负载电阻R L时， 得到的最大能量 转换效率冲 ， 其定义为: _P. ， 二 叮 一 长于 = 长n 瑞蠕 ( 2 一 1 ) 即 电 池 的 最 大 电 功 率瑞 与 入 射 光 功 率凡之比 。 瑞为 最 佳 工 作 电 流 ， 味为 最 佳 工作电压。 从 图2 一 4 和 图2 一 5 可 以 知 道 ， 曲 线 上 存 在 一 个 最 大 功 率 点 ， 标和 味的 乘 积 就是最佳工作点的纵横坐标所确定的矩形面积， 在曲线范围内这个面积越大， 表 明 电 池的 输出 特 性 越 优 越， 如 果 光 照 下1 一 v 特 性曲 线 是 理 想的 矩 形， 那 么瑞味 的 乘 积 就等 于几珠的 乘 积， 对实 际 光电 池， 引 入 填 充因 子F F 任 illF 咖 r) 概念 来 表征光电池的这一特性，填充因子 FF= 三 生 久= 嵘几 FF 定义为: 凡 吃几 (2一 2 ) 它表示最大输出 功率的 值占以几和吃为边长的 矩形面积的百 分比 ， 填充因 子 是表征光电池的输出特性好坏的重要参数之一， 它的值越大， 电池的转换效率也 越高。 理想的p 一 n 结太阳能电 池的关系如式 (2一 3) 所示: 了一 、 exP 若 一 ( 2 一 3 ) 其中1 为p 一 n 结电 流( A ) ，几 为反向 饱和电 流( A ) ， v为 外加电 压( v ) ， q 是电 子电荷 ( 1 .6 0 x l 0 一 ，g c ) ，K为玻尔兹曼常数 ( 1 .3 8 x l 0 一J / K) ， T为绝对温度。 实际中太阳能电池中电阻等参数是分布参数，但在工程应用中处理为集总参 数后， 其分析模型的精度仍足够准确， 本文不考虑分布参数问题。 通过二极管因 第二章太阳能电池 子A以 考虑等效电 路中 二极管的 非理想P- n 结，取值范围为1 一5 。 在如图五的 电压、电流方向下，可得单元太阳能电池的1 一 V方程: 了一 “ 一 “ exn 弋 乒 一一 一臀 ( 2 一 4 ) 2 3太阳能电 池的基本结构 太阳能电池的基本结构如图所示: 它是通过主要依靠电子导电的n 型区域和 以 空 穴为主的p 型区 域( 通称为p 一 n 结) 两者 边界区 域的 接触， 形成面结 型二极 管结构。为了使受光面附近形成结，并降低n型层的串联电阻， 其表面电极做成 栅格形， 见图2 一 7 。 从19 54年 恰宾 ( C b ar b l n) 等人在美国 贝 尔实 验室 第一 次做出了 光电转换效率为 6 %的实用单晶 硅太阳电 池， 【201以 后逐渐的改善电 池的结构， 从 而使效率不断的提高。 图2 一 7 太阳能电池的结构 到目前为止， 太阳能电池根据材料的不同分类， 可分为晶体硅太阳电池、非 晶体太阳电池、硒光电池、化合物太阳电池、有机半导体太阳电池等。 为了减少电池表面的阳光反射， 在电池的表面沉积一层减反射膜， 常用的减发 射膜是 用氮 化硅， 还有其 他的 一 些材料。 2. 4太阳能电池的连接方式和容量的确定 太阳能电池并联时，电压为并联单体数的电压平均值，太阳能电池串联时， 其输出电压为全部单体电压的总和; 为了使电池组件达到特定的电压要求， 必须 把若干电池片串联起来， 为了使电 池组件达到特定的电流要求， 必须把若干已经 串联好的电池并联起来。 太阳能电动自 行车是用太阳能电池作为能源供给的， 为 了减少阻力和重量， 必须在有限的面积上要达到车辆所需的功率， 输出 尽可能大 功率的太阳能电池组件。 太阳 能电 池串 联 片 数凡的 确定 主 要 是根 据 考虑 满 足蓄电 池的 浮 充电 压陈，在设 计太阳能电池的串联片数时，浮充电压必须在伏一 安特性曲线最佳功率点的恒流 区域内， 如果电流1 不在伏安特性曲线区域内，即使入射光强均匀不变， 充电电 江南大学硕士毕业论文 流仍然随着伏安特性曲 线范围内的浮充电压变化而变化盯，如图2 一 8 的左 图2 一 8 电 压功 率曲 线与浮充电 压的阵的关 系 图 所示， 所以 说如果图2 一 8 右图所示的充电电流落在伏安特性曲 线的恒流区域内， 就能满足系统的充电要求。 但是如果你串联的电池片数多了， 也能满足系统的充 电要求， 不过多余出来的电池有点浪费， 所以串 联电池片数只要达到规定的电压 值就可以了。 浮充电 压阵对用稳定充电 电 流充电 起主要作用。 认 = 巧+ U，+ 认 可用以下方程来表示!s ( 2 一 5 ) 式 中 : 价一 蓄 电 池 的 浮 充 电 压 ， 随 着 不 同 类 型 的 蓄 电 池 而 变 化 ; 认一 因 温度升高而引 起的 太阳 能电 池的电 压降; 认一因 线路损耗而引 起的电 压降。 本车选用的 是铅酸 蓄电 池， 属于酸性电 池， 在 额定电 压为3 6 v时的 浮充电 压阵 为科一4 V 。 太阳能电池具有负的电压温度特性。 假设单晶硅太阳能电池的平均工 作 温 度几 为40 “ C， 而 太 阳 能 电 池 标 定 温 度兀 为25“ C， 本 车 的 太 阳 能 电 池 温 度 系 数刀 为 准38% / “ C ， 在串 联 太阳 能电 池 片数 为从的 情 况 下， 电 压下降 值认为: U，= 刀 ( 兀 一 兀 ) Ns= 0 o o 3 8 x ( 4 0 一 2 5 ) 从= 一0 5 7 从( 伏)(2 一 6 ) 太阳能电池、 线缆、 二极管以及接线柱都是以串联方式接入线路， 充电电流经 这 些 元 件时， 就 会引 起 压降 ， 具体矶由 实 验确 定， 本 车 估 算为3 伏。 太阳能电 池串 联片 数从的 确定。 18 a，十 认十 认 呱 (2 一 7 ) 式中:呱一 为 太阳 能电 池单位的 最佳输出电 压( 伏) ; “ 单 位” 指的 是单体电 池或太阳能电池组件。 本车用的太阳能电池最佳输出电压为0. 5 伏， 所以可根据式 (2一 7) 求得串联片数 从为1 0 6 片 太 阳 能 电 池 并 联 片 数凡的 确 定: 第二章太阳能电池 QL (2 一 8) ai坦9 戈 = 式中Q一 负载所需的 每小时 平均能 量消 耗 ( 安时) ; 2一平均每小时的充电能 量 ( 安时) ; 县 代 一 影 响 太 阳 能 电 池 输 出 的 各 项 因 素 的 修 正 系 数 的 乘 积 。 县 ai 可 按 下 式 计 算 : 县 代 一 久 at 气 、 、 气 as 、( 2 一 9 ) 式中: 气一 太阳 光辐射量 修正 系 统; 气一 温度修正系数; 气一 蓄电 池 充电 效 率 修 正 系 数; 久一电路损失修正系数; 气一 反射损失修正系数; 界一 纬 度 修正 系 数; as一 积雪修正系数: 气一 盖片 透明 度降 低修正系数。 根据以上的公式对设计进行修正， 最后得出本太阳能电动自 行车所需要的串并联 的太阳能电池的片数。 2 5太阳能电池单体规格参数 下面是本车使用的单晶硅太阳能电池的参数， 电池由无锡尚德太阳能电力有限公 司提供。 型号 尺寸 ( m mx m m) 转 换 效 率 % 最 大 功 率 蕴 ( W) 最 佳 工 作电压 礁( m V ) 最佳工作 电流 几( A ) 开路电压 吃( m V ) 短 路 电 流 ，sc( A ) 5 华 ， 2 5 5 / UI 1 2 5 x l 2 5 ， 巾1 5 0 1 7 一 02 j3 5 2 04 . 8 8 3 61 75 22 4 吧，2 5 岁 51 1 2 5 x l 2 5 ， 01 5 0 1 602 38 5 0 94 . 6 8 4 6 0 8 5 刀2 0 S TP 1 2 S S Z A3 1 2 5 xl 2 5， 仍1 5 0 1 5 河2 .2 9 5 0 54 j3 2 6 0 24 夕0 1 江南大学硕士毕业论文 2. 本章总结 本章 2 . 1节介绍了太阳能电池的工作原理，从微观解释了太阳能电池的发电 原理，以及温度和光强对太阳能电池的特性曲线的影响。2. 2节介绍了太阳能电 池的等效电路， 太阳能电池的转换效率，填充因子和F U的数学表达式。2. 3 节 介绍