车载太阳能供电系统.doc

摘 要太阳能作为一种清洁、高效和永不衰退的绿色新能源，既是近期急需的能源补充，又是未来能源结构的基础。在新世纪中，各国政府都将合理利用太阳能资源作为国家可持续发展战略的重要内容。由此太阳能资源的应用的重要性可见一斑。而现实生活中，在长时间居住在繁华闹市的人们所承受的压力渐增的情况下，越来越多的人们选择驱车大自然，夜宿高山原野，以减轻这种压力。然而，伴之而来的野外生存问题就不得不考虑了。本文就是在力求解决这个问题的指导思想下设计的。在文中讲述了太阳能光伏发电系统的结构和工作原理，并进一步介绍太阳能在笔记本电脑供电，手机充电电池充电，手持GPS供电电池充电，生活电器等方面的应用。关键词：车载，太阳能，光伏发电系统，单片机 Solar-powered Car SystemAbstractAs a clean, efficient and never decline since the new green energy, Solar energy is the recent urgent energy and energy structure of the future. In the new century, governments will be reasonable use of solar energy resource as the national important content of strategy of sustainable development. Thus we can see the importance of the application of solar energy resource. But in real life, living in the bustling city in the time of the pressure of increasing cases, more and more people choose drive to the nature, overnight, in order to reduce the high stress. However, the live problems with it will have to consider. This is the solution to this problem under the guidance of the design. In the paper, we tell the solar power system about the structure and working principle,and solar power in notebook computers, mobile phones, handheld GPS charging the battery power battery life, electric appliances, etc. Keywords：Car-mounted, Solar Energy, Photovoltaic Power System, SCM 目 录1 前言12 方案论证13 总体设计23.1 设计思路23.2 系统原理框图34 太阳能光伏发电系统34.1 太阳能光伏发电系统概述34.2 太阳能发电系统的设计需要考虑的因素45 车载太阳能供电系统的组成及功能45.1 太阳能电池板45.1.1 太阳能电池板的五个指标45.1.2 太阳能电池板选择步骤55.1.3 太阳能发电系统的效率55.2 蓄电池65.2.1 蓄电池的选用65.2.2 蓄电池组容量的计算65.2.3 蓄电池散热问题75.2.4 汽车电瓶和外加蓄电池的充放电功能设计75.3 智能太阳能控制器85.3.1 控制器的作用85.3.2 充电方法选择85.3.3 智能控制器设计95.3.4 单片机软件设计145.4 逆变器155.4.1 系统对逆变器的要求155.4.2 逆变器输出波形选择166 负载应用部分166.1 各负载参数计算166.2 手机和手持GPS电池充电176.2.1 充电器原理图176.2.2 电路工作原理177 结论18致谢19参考文献20附录 程序清单211 前言新能源是二十一世纪世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一。作为一种清洁、高效和永不衰竭的新能源，在新世纪中，各国政府都将太阳能利用作为国家可持续发展战略的重要内容。并且，现今各种能源逐渐枯竭的情况下，人类必须找寻新的替代能源，并且这个新能源必须要是能取之不尽，用之不竭的，而太阳能则首当其冲。另一重要方面，现实生活中，在长时间居住在繁华闹市的人们所承受的压力渐增的情况下，越来越多的人们选择驱车大自然，夜宿高山原野，以减轻这种压力。对于户外旅游的人们来说，一次远行露营意味着要带很多的用电设备如手机，GPS，手电筒，相机，生活电器等等以便解决生存问题。但是，用电呢？因此，伴之而来的野外生存问题就不得不考虑了。在国外，太阳能资源的应用较早，但其在汽车上的应用却仍处于起步阶段。自1992年起欧、美、日等国各地之电力公司，由政府制定政策配合大力推动下，已向太阳能发电系统购买多余电力，以减少尖峰用电时供电不足之困境，至今成效卓著。日本政府在1994年就已订定了完善的太阳能供电系统安装及补助计划。1998年，美国总统克林顿公布了百万太阳能屋计划，企图增加太阳光电能及太阳能热水器的使用。而欧联的能源委员会也提出一项计划在欧洲补助建造五十万栋的太阳能房屋，并在发展中国家另外建造五十万栋的太阳能房屋。太阳能供电系统在车上的应用，一直国外应用太阳能的一个重要方面，他们在这方面的应用要比我们国家早。而在国内，对于太阳能的应用主要还是在太阳能热水器的产品上，并且民众接受程度也高，但太阳能汽车等车载太阳能系统的应用方面却还很年轻。1984年9月，我国首次研制“太阳号”太阳能汽车试验成功，并开进了北京中南海勤政殿，向中央领导汇报。太阳号由湖北省金属学会新技术开发公司黄绳溥等六位中青年科技人员，仅仅用了56天时间研制成功。太阳能汽车车顶上安装了2808块单晶硅片，组成10平方米硅板，装有三个车轮，自重159kg，操纵灵活，转向和变速方便，车速20kmh，遇阴雨或晚上，靠两个高效蓄电池供电，可连续行驶100km。不过，在汽车产业蓬勃发展的今天，汽车尾气排放给社会环境带来的压力的同时，也为太阳能资源在汽车上的应用创造了前所未有的发展契机。2 方案论证太阳能在汽车上的应用主要有两个方案。方案1：作为驱动力。这一方案，一般采用特殊装置吸收太阳能，再转化为电能驱动汽车运行。按照应用太阳能的程度又可分为如下两种形式：（1）太阳能作为第一驱动力，驱动汽车完全用太阳能为驱动力代替传统燃油。（2）太阳能和其它能量混合驱动汽车，这种汽车既有汽油发动机，又有电动机。方案2：作为汽车辅助设备的能源。传统汽车上可以用太阳能作为辅助动力，以减少常规燃料的消耗，而且现代汽车的电器化程度曰益提高，各辅助设备的耗电量也因此急剧增加。这方面的应用也有两种形式：（1）太阳能用作汽车蓄电池的辅助充电能源。在轿车上加装太阳电池后，可在车辆停止使用时，继续为电池充电，从而避免电池过度放电，节约能源。（2）用于驱动风扇和汽车空调以及外带的电器等。由于本次设计主要考虑的问题是，如何让车载的太阳能在人们外出野宿这种没有电的情况下能够生存。这就要求方案能够提供基本的汽车驱动和基本的生存用电。对于方案1,太阳能作为驱动力，也只提供的驱动力，没有满足人们野外生存供电的需求。况且对于传统的小轿车，功率一般在几十千瓦左右，而太阳辐射功率至多1KW/M2，目前的光电转换效率小于30%。因此全部用太阳能驱动传统的轿车，需要几十平方米的接收面积，显然难以达到。因此方案1有很严重的缺点。而方案2太阳能只作为汽车辅助设备的能源，均能满足以上要求，并对太阳能板的大小要求降低很多，这样就克服了方案1的缺点。又能解决人们的夜宿无电情况下的生存问题。因此，此设计中选择方案2。 3 总体设计3.1 设计思路 该设计题目是车载太阳能供电系统，设计的目的就是太阳能资源应用以解决人们在户外无电情况下的生存问题。因此首先对组成太阳能发电系统太阳能电池组、蓄电池、太阳能控制器、逆变器四大模块进行研究并做具体的介绍。不过本次设计的系统与普通的有所不同，在系统中，应用两块蓄电池，一块是汽车内部的电瓶，然后再外加一块备用蓄电池，两块蓄电池并联。充电时先给汽车内部的电池充电，然后再给备用蓄电池充电。给用电器供电时恰好相反，先用备用蓄电池供电，不足时再用汽车内部电池供电。这样设计的目的一方面是蓄留足够的电能，另一方面避免因汽车内部蓄电池用电过度导致汽车启动不起来的问题出现。然后，将太阳能供电负载分为直流和交流两类，系统的介绍太阳能供电在现实生活中的实际应用，其中直流负载为手机和手持GPS充电电池、笔记本电脑、LED灯等；交流负载为生活电器如电烧水杯等。3.2 系统原理框图系统原理框图如图1所示。 太阳能电池板智能太阳能控制器汽车电瓶逆变器生活电器12VDC220VAC外加蓄电池笔记本、手机/GPS电池放电优先级控制开关图1 系统原理框图4 太阳能光伏发电系统4.1 太阳能光伏发电系统概述太阳能发电主要有太阳能热发电和太阳能光伏发电两种基本方式。光伏发电是根据光生伏打效应原理,利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能，即当太阳光照射到太阳电池上时，电池吸收光能，产生光生电子空穴对，在电池内建电场作用下，光生电子和空穴被分离，电池两端分别出现正负电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏打效应”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。这样太阳的光能就直接变成可以被利用的电能。目前太阳能光伏发电系统大致可分为三类:独立系统、并网系统和混合系统。（1）独立系统此次设计的光伏发电系统就属于这种独立系统。它是有电池板、蓄电池、控制器、用电器等组成的系统。该系统的特点是：单一个体是一个独立的系统，即使某一个体出现故障，不会影响其他个体，且不必架设配电线路。但要求应用场所周围没有遮挡物，确保每一单体必须是接收阳光良好。这是一种常见的太阳能应用方式。在国内外应用已有若干年。系统比较简单，而且适应性广。（2）并网系统并网系统的特点是：太阳能电池板产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网。这种系统能够并行使用市电和太阳能电池板作为本地交流负载的电源，降低了整个系统的负载缺电率。而且并网光伏系统可以对公用电网起到调峰作用。（3）混合系统这是介于上述两个之间的系统，混合系统中除了使用太阳能电池板发电之外，还使用了柴油发电机作为备用电源，其目的就是为了综合利用各种发电技术的优点，避免各自的缺点。该方案有较强的适应性，例如可以根据电网的峰谷电价来调整自身的发电策略，但是其造价和运行成本较上述两种方案要高。4.2 太阳能发电系统的设计需要考虑的因素（1）太阳能发电系统在哪里使用，该地日光辐射情况如何； （3）系统的输出电压是多少，直流还是交流；（4）系统每天需要工作多少小时； （5）如遇到没有日光照射的阴雨天气，系统需连续供电多少天； （6）负载的情况，纯电阻性、电容性还是电感性，启动电流多大； （7）系统需求的数量。5 车载太阳能供电系统的组成及功能车载太阳能供电系统与太阳能发电系统组成是一样的，都是由太阳能电池板、蓄电池、控制器和DC-AC 逆变器等组成。其中，太阳能电池板、蓄电池为电源部分，控制器、逆变器为控制保护部分。5.1 太阳能电池板 单一太阳能电池的发电量十分有限，实用中的太阳能电池是根据系统需求，将多个电池经串、并联组成的电池系统，称为太阳能电池板。它是太阳能发电系统的核心部件，直接将太阳光能转换成电能。 5.1.1 太阳能电池板的五个指标（1）峰值功率：太阳能输出的最大功率；（2）峰值电压：太阳能电池输出最大功率时对应的输出电压；（3）峰值电流：太阳能电池输出最大功率是对应的输出电流；（4）开路电压;（5）短路电流。5.1.2 太阳能电池板选择步骤 （1）计算负载24h消耗容量P P=H/V （1）V负载额定电源 （2）选定每天日照时数T(H)。 （3）计算太阳能阵列工作电流 IP=P(1+Q)/T （2）Q按阴雨期富余系数，Q=0.211.00 （4）确定蓄电池浮充电压VF 铅酸蓄电池的单体浮充电压为2.2V。 （5）太阳能电池温度补偿电压VT VT=2.1/430(T-25)VF （3）（6）计算太阳能电池板工作电压VP VP=VF+VD+VT （4）其中VD=0.50.7 约等于VF （7）太阳电池板输出功率WP WP=IPUP （5）（8）根据VP、WP在硅电池板组合系列表格，确定标准规格的串联块数和并联组数。根据太阳能电池板重要的五个指标：峰值功率、峰值电压、峰值电流、开路电压、短路电流以及太阳能电池板的长度、宽度、厚度、重量指标我们选择太阳能电池板如表1所示。表1 太阳能电池板指标规格峰值功率峰值电压峰值电流短路电流开路电压长度宽度厚度重量KC200GH-2P200W26.3V7.61A8.21A32.9V1425mm990mm36mm16.99kg5.1.3 太阳能发电系统的效率在太阳能发电系统中，系统的总效率es是由电池组件的PV转换率、控制器效率、蓄电池效率、逆变器效率及负载的效率等组成。但相对于太阳能电池技术来讲，要比控制器、逆变器及照明负载等其它单元的技术及生产水平要成熟得多，而且目前系统的转换率只有17%左右。因此提高电池组件的转换率，降低单位功率造价是太阳能发电产业化的重点和难点。自太阳能电池问世以来，晶体硅作为主角材料保持着统治地位。目前对硅电池转换率的研究，主要围绕着加大吸能面（如双面电池），减小反射；运用吸杂技术减小半导体材料的复合；电池超薄型化；改进理论，建立新模型；聚光电池等。常见的几种太阳能电池的转换效率见表2。另外，为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，要为太阳能电池组件选择一个合适的倾角。由于要考虑车载的太阳能板的安全性，因此通常是要固定在车顶上的，很难进行倾角的智能控制。不过，可以在车顶上安装太阳能电池组时同时安装一个可以四周旋转的支架，在车行驶的时候太阳能板固定平放在车顶上，而当车停止时，可手动调整太阳能电池组的角度，为太阳能电池组件选择一个较佳的倾角，以便太阳能板可以吸收尽可能多的辐射能量。表2 几种太阳能电池的转换效率实验室典型电池商品薄膜电池 各种太阳能电池max(%)各种太阳能电池(%)单晶硅24.4多晶硅16.6多晶硅18.6铜铟镓硒18.8GaAs(单结)25.7碲化镉16.0a-si(单结)13铜铟硒14.15.2 蓄电池 蓄电池是太阳能光伏发电系统的储能装置，是太阳能供电系统系统中的重要部件，一般占总成本的10%-20%，其性能直接影响着系统的可靠性和寿命。与太阳能电池板配套的蓄电池通常工作在浮充状态下其电压随电池组发电量和负载用电量的变化而变化。它的容量比负载所需的电量大得多。蓄电池提供的能量还受环境温度的影响。为了与太阳能电池匹配，要求蓄电池工作寿命长且维护简单。5.2.1 蓄电池的选用能够和太阳能电池配套使用的蓄电池种类很多。目前广泛采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池三种。国内目前主要使用铅酸免维护蓄电池。因为其固有的免维护特性及对环境较少污染的特点，很适合用于性能可靠的太阳能电源系统。普通铅酸蓄电池由于需要经常维护及其环境污染较大所以主要适于有维护能力或低档场合使用。因此，本设计中选用铅酸蓄电池。5.2.2 蓄电池组容量的计算蓄电池的容量对保证连续供电是很重要的。在一年内电池组发电量各月份有很大差别。电池组的发电量在不能满足用电需要的时候要靠蓄电池的电能给以补足；在超过用电需要的时候是靠蓄电池将多余的电能储存起来。所以电池组发电量的不足和过剩值是确定蓄电池容量的依据之一。同样连续阴雨天期间的负载用电也必须从蓄电池取得。所以这期间的耗电量也是确定蓄电池容量的因素之一。因此蓄电池的容量BC:BC=AQLNLTO/CC（Ah）。公式中：A为安全系数取1.1-1.4之间；QL为负载日平均耗电量为工作电流乘以日工作小时数；NL为最长连续阴雨天数；TO为温度修正系数，一般在0以上取1-10以上取1.1-10，以下取1.2；CC为蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75。 5.2.3 蓄电池散热问题现在车载蓄电池大都采用免维护铅酸蓄电池，它采用的是紧装配结构，散热性能较差，它又属于贫液电池，充电时电解液温度过高，会加快蒸发造成电池失水，也会使极板因过热膨胀损坏和外壳变形，更重要的是由于热量积累使电池热失控。车载蓄电池安装在汽车内部，环境温度超过25，温度每升高10，寿命将减少一半。12V免维护铅酸蓄电池，其设计寿命一般为五六年，但实际应用中，一般两三年就需要更换，有的甚至不到一年寿命就终结了。假设一蓄电池为12V /36Ah，按0.6元每VAh，若寿命为两年，每次更换费用按200元算，则在寿命期内至少需更换6次蓄电池，仅蓄电池一项就要追加成本2755.2元。若蓄电池寿命能达到5年，则在寿命期内需更换3次，追加成本则为1377.6元，仅蓄电池一项就可节省1377.6元。所以，保持适宜的温度对蓄电池寿命是非常重要的。因此，外加的那块蓄电池最好安装在通风较佳并且远离汽车发动机的地方，如果车内有风扇的话，可以将这块蓄电池安装在风吹的范围内。5.2.4 汽车电瓶和外加蓄电池的充放电功能设计在本设计中，所应用的蓄电池分为两个部分，第一部分是汽车本身所带电瓶，第二部分是外加的蓄电池。由于这两部分蓄电池的作用不尽相同，因此要区别性的充放电。第一部分即汽车本身所带的蓄电瓶，它的作用有：启动发动机时，给起动机提供强大的起动电流（一般高达200-600A）；当发电机过载时，可以协助发电机向用电设备供电；当发动机处于怠速时，向用电设备供电；当发电机端电压高于铅蓄电池的电动势时，将一部分电能转变为化学能储存起来，也就是进行充电。第二部分即外加的蓄电池，它的作用则主要是蓄电用，为各用电器供电。可见二者的不同之处在于：（1）汽车启动蓄电池是用于启动用的，对电池的要求是瞬间供电能力和低温启动性能，这类电池极板较薄较多。但不能用于深度充放电的场合。（2）太阳能蓄电池主要是蓄电用，对电池的容量要求较高，一般对电池不作深度放电，但电池一般长期在浮充状态下工作。故对电池耐过充的性能要求高一点，一般在隔板和电解质中做改进。由以上可知，汽车本身所带的蓄电瓶有一个重要任务就是保留足够的电以启动发动机。因此，要采取一定的措施以保证这部分电池随时存有足够的电能，同时防止过度放电。基于这个原因，在设计中采取两部分蓄电池单独充电或者放电。充电时先给汽车本身所带的电瓶充电，而给外部供电时要让外加那部分蓄电池先供电，在该块电池供电不足的情况下，采用汽车本身所带电瓶供电，并防止过放。那么怎样实现单独充电放电呢？在系统框图中可以看到，由智能控制器控制优先先对汽车本身所带的电瓶充电；放电时由放电优先级控制开关控制优先让外加蓄电池给用电器供电，待电量不足时转向由汽车本身所带的电瓶供电。放电优先级控制开关用一个很简单的单刀双掷开关即可实现上述功能。5.3 智能太阳能控制器5.3.1 控制器的作用太阳能电池板属于光伏设备（主要部分为半导体材料），它经过光线照射后发生光电效应产生电流。由于材料和光线所具有的属性和局限性，其生成的电流也是具有波动性的曲线，如果将所生成的电流直接充入蓄电池内或直接给负载供电，则容易造成蓄电池和负载的损坏，严重减小了它们的寿命。因此我们必须把电流先送入太阳能控制器。控制器对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳能电池板和蓄电池对负载的电能输出，它是整个系统的核心控制部分，保证系统能正常、可靠地工作，延长系统部件（特别是蓄电池）的使用寿命。5.3.2 充电方法选择目前流行的铅酸密封蓄电池充电采用三段式（恒流、恒压、浮充）充电方法，但这种方法充电时间长，效率低，对电池的保护差，容易发生过充电或者充电不足的现象，导致蓄电池使用寿命的降低。现阶段，对电池的最好充电方法是采用脉冲充电。脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，反向瞬间放电脉冲，停充维持3个阶段。充电脉冲使电池快速充电，放电时可消除电池的硫化，间歇期使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。5.3.3 智能控制器设计智能控制器包括电源部分、充电电路、抽样转换部分，主控器件、显示部分、温控电路、上位机连接电路。其框图如图2所示。（1）开关电源电源设计采用TOP227芯片构成稳压电路，该电源电路的输入电压范围宽，输出三种电压值，由于电池充满电后其电压值为其额定电压的1.35倍，所以对开关电源充电维护抽样转换电路主控器件显示部分温控电路图2 智能控制器框图于12V蓄电池其充满电后电池两端的电压值应为16.2V，而对电池进行维护时要求高脉冲，因此维护电压应更高。基于以上考虑，开关电源输出的三种电压值分别为30伏、20伏、5伏，30伏用于电池维护时输出高脉冲，20伏用于充电，5V用于给各种芯片供电。开关电源的电路图如图3，输入AC电网电压经过BR1和C6整流和滤波后得到的DC高压施加于初级绕组的一端，另一端则由芯片内部的高压MOSFET来驱动。VZ1与VD1组成钳位电路，将变压器的漏感所引起的前沿电压尖峰钳位到安全的程度。变压器的次级绕组输出由各抽头上的电感、电容及整流二极管整流滤波后得到，由于这里要求的频率高且要耐高压，因此二极管应选择耐高压的快恢复肖特基整流二极管。为了使次级输出电压都能准确输出，我们所需要的电压要通过调节R14与R15的电阻值，U3两端电压保持一定，若输出电压与所需电压不一致则会引起光耦光强的改变，从而改变经过TOP227的C端的电流，控制输出端电压。当其准确后其后的输出电压只需计算其线圈匝数即可。开关电源电路图如图3所示。（2） TOP227的功能简介 在开关电源中主要是通过TOP227这个芯片来控制电压输出，根据流经电流调占空比来调节输出电压的大小。该芯片将开关模式控制系统汇集于具有三个引出端的IC中，内部集成了MOSFET功率开关、PWM控制器、高压启动电路、环路补偿和故障保护电路等。主要性能维护端充电端图3 开关电源电路图它具有非常低的AC/DC变换损耗，转换效率可高达90%。芯片内部还具有一个触法式关断电路，可构成反激式、正激式、升压式和降压式结构的电源电路；可工作于初级反馈控制结构或光耦合器控制结构。引脚功能CONTROL误差放大区或反馈电流的输入端。该端的输入电流可控制占空比，芯片内部连接于该端的分流式稳压器在正常工作期间能够为内部的电路提供偏置电流。该端也为关断触发器的输入端，另外还可以作为电源旁路、自动复位启动、补偿电容的外部链接端。SOURCE对于Y型封装为输出MOSFET功率开关源极引出端、高压电源的回零端。同时也为初级侧电路的公共地端或参考点。对于P/G型封装为初级侧电路的公共地端或参考点。DRAIN芯片内部输出端MOSFET高压功率开关的漏极引出端。在上电启动期间，该端通过内部一个高压开关电流源为其内部电路提供偏置电流，同时也为芯片内部电流采样点。（3）充电及维护电路充电维护电路有两个功能，由于维护电压要采用高脉冲电压，所以维护电路与充电电路分别设计了两个供电电源。根据需要选择进行充电还是维护，充电时采用脉冲式充电法，正脉冲使电池快速充电，负可消除电池的硫化，它们的占空比则由单片机程序控制三极管的开断来控制，由于单片机提供的最高电压为5V，远远小于充电电压，所以NPN管需要低电压导通，因此用如图4所示的电路来控制电池的充放电，维护时也和充电时的电路一样，只是其脉冲高 图4 充电及维护电路维护端而窄，由单片机另外控制其占空比。充电端（4）抽样转换电路本次设计的智能充电器要求显示电池的充电状态（如充电电压、充电电流、电池内阻，放电电流等），因此需要对电路中的三处电压进行采样，得到我们需要显示的数据，抽样得到的数据经过单片机控制LCD1602显示出来。为了得到充电电压与充电电流，我们在充电电路中串联了一个较小的电阻R29，在其两端个取样一个电压值，因为ADC0809只能承受5伏以下的电压，而充电电路上的电压在二十伏左右，因此不能直接采样，要接两个电阻进行分压后再接入ADC0809。U1采样后的电压经过换算后可得到充电电压，如公式(6)同样的计算方法U2采样后可算出电阻左边的电压V2，如公式(7)。充电电流由公式(8)算出。对于电池的内阻测量，我们做了一个专门用于放电的电路，并在旁边并联了一个降压电路用于采样电压，其原因仍是ADC0809的承受电压低。这里的电压需要采两次，当放电电路未打开时，此时的V2相当于电池电动势E。其后打开放电电路再抽样一次，有了这两个电压就可以根据公式(9)算出电池的内阻r，所用公式如下列出。 (6) (7) （8） (9)图5 抽样转换电路分频器主要采样器件的外部电路连接电路图如图5所示。其中，ADC0809是CMOS单片型逐次逼近型8位A/D转换器，模拟输入电压范围为0+5V，转换时间为100 ms，IN0IN7为8位模拟量输入端，D0D7为8位数字量输出端，当START端加上正脉冲后，A/D开始转换。EOC端为转换结束信号，在START下降沿后10us左右，其为低电平，表示正在进行转换。转换结束后EOC返回高电平，表示转换结束。当转换结束后由ENABLE端控制信号的输出。由于ADC内部没有时钟电路，故需要外加时钟信号，其最大允许值为640KHz，在此设计中我们把单片机的ALE端的信号，分频后送给ADC0809，ALE的信号频率是晶振频率的1/6，我们采用的晶振是12MHz，所以需要4分频。分频器的连接方式比较固定，可直接参考，ADC0809的各控制端口则有单片机分配不同I/O口控制。（5）显示电路显示电路就是用单片机控制LCD1602的显示。要LCD1602按照我们的需要显示，我们需要严格按照其工作时序编写程序。其外围电路电路连接参考典型电路。VO端接一个10K的电位器调整对比度，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高会产生“鬼影”。BGVCC和BGGND是背光灯电源。8个I/O端口接单片机P0口，另外的读写控制、使能端及数据、命令选择端也要单独分配单片机I/O端口控制。电路连接图如图6所示。图6 显示部分（6）主控器件这个设计的主控器件是单片机，它的作用就是要完成智能控制，例如程序控制充电及维护的电流的占空比，检测维护结束时刻、电池的充电状态采样后的控制显示、判断电池是否已经充满等工作。它的外围电路主要是I/O端口的分配，控制各个器件完成相应的功能。另外就是本设计还要求用上位机输出充电和放电过程曲线，因此P3.0口与P3.1口要单独留给上位机控件，不能随意分配。除此之外就是单片机外围电路：RST端接的复位电路和XTAL2、XTAL1端接的晶振电路以及P0口做输出数据时外接的上拉电阻。（7）温控电路铅酸蓄电池的容量与温度成正相关的方向，温度每上升1度，容量就上升原来的0.8%.铅酸蓄电池在大于40度，再升高10度，电池的寿命就降低一倍.寿命中止的主要原因:电解质干涸、热失控和内部短路等等。因此在为电池充电时要注意冬夏的温度差异，按环境温度调节充电的终止电压，保证蓄电池不被损坏，并且能充满电。在此，专门设计了一个数字温控电路，它将感应到的温度变化直接传递给单片机，单片机接到信息后通过内部程序选择充电参数值，再通过外部电路不停检测控制参数是否达到要求，达到标准后既停止充电。充电电路的连接图如图7所示。图7 温控电路单片机I/O口5.3.4 单片机软件设计该软件的目的是控制电池充电及维护终点及状态显示。当电池放入该智能充电器时，我们可以人为选择充电状态与维护状态，然后读入温度传感器环境温度，决定电池充电或维护状态的最终电压。再由程序控制充电及维护I/O口电平的高低，选择是对电池充电还是维护。在由ADC0809采样的电压判断电池维护或充电的终止时刻，并由内部程序计算出电池充电电流、充电电压、电池内阻等参数输出给LCD1602，由其显示电池状态。单片机程序流程图如图8和图9所示。 程序初始化LCD显示读取温度向串口发送数据主程序图8 程序流程图T0中断是否在充电是否在维护高脉冲维护采样电压并计算电流和内阻判断和更新系统状态脉冲充电是否否是结束图9 程序流程图5.4 逆变器 在光伏供电系统中，如为直流负载，则不需逆变器转换，如本设计的负载车载电瓶、手机电池和手持GPS等均为直流负载。但若为交流负载，则须使用逆变器设备，将太阳能电池板产生的直流电或蓄电池释放的直流电转化为负载需要的交流电。如本设计的负载之一电烧水杯就要用220VAC/50HZ供电。5.4.1系统对逆变器的要求采用交流电输出的太阳能发电系统，由太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池和逆变器四部分组成，而逆变器是关键部件。光伏发电对逆变器要求较高：（）要求具有较高的效率。由于目前太阳能电池的价格偏高，为了最大限度利用太阳电池，提高系统效率，必须设法提高逆变器的效率。（）要求具有较高的可靠性。如输入直流极性接反保护，交流输出短路保护，过热、过载保护等。（）要求直流输入电压有较宽的适应范围。由于电池的端电压随负载和日照强度而变化，蓄电池虽然对电池的电压具有重要作用，但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动，特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大，如12V蓄电池，其端电压可在1016V之间变化，这就要求逆变器在较大的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证交流输出电压稳定。5.4.2 逆变器输出波形选择逆变器输出波形主要有两类，一类是正弦波，另一类是方波。正弦波逆变器输出的是同我们日常使用的电网一样甚至更好的正弦波交流电，因为它不存在电网中的电磁污染。方波逆变器输出的则是质量较差的方波交流电，其正向最大值到负向最大值几乎在同时产生，这样，对负载和逆变器本身造成剧烈的不稳定影响。同时，其负载能力差，仅为额定负载的4060，不能带感性负载。如所带的负载过大，方波电流中包含的三次谐波成分将使流入负载中的容性电流增大，严重时会损坏负载的电源滤波电容。总的来说，正弦波逆变器提供高质量的交流电，能够带动任何种类的负载，符合设计要求，因此选输出为正弦波的逆变器。 6 负载应用部分车载太阳能供电系统负载应用分为两个部分，如系统总体框图右端所示，第一部分是直流应用部分，其目的为手机和手持GPS的蓄电池充电以及为笔记本电脑供电；第二部分是交流部分，可为电烧水杯等生活电器供电。6.1 各负载参数计算本次设计的车载太阳能供电系统，其目的就是解决人们外宿无电区的生存问题。因此，该系统的负载主要有手机和手持GPS充电电池、笔记本电脑、车载空调、电烧水杯等生活电器。经查资料和平时积累信息得，普通手机和手持GPS充电电池电压为3.6V或3.7V的较多，额定容量不等。例如诺基亚系列手机的充电电池额定容量为750-1500mAh，摩托罗拉系列手机充电电池额定容量为510-920mAh，而三星系列的则为650-850mAh。在此，取较大容量1500mAh作为额定容量。而作为负载的笔记本电脑，据了解，一般笔记本电脑的整机功耗都不会超过100W，比如海尔某款笔记本电脑功耗为48.84W；神舟承运F300T整机功耗为65W；HP Compaq6930P整机功耗为43W。我们不妨以功耗为100W来计算。假设保证电脑能够持续工作3个小时。那么需要电能300W。另一重要负载就是电烧水杯。经过查寻有关资料，较小功率的电烧水杯为300W，1.5升容量。这样的容量在野外情况基本能够满足需求，最重要的是小一点的功率省电，对太阳能板要求有所降低，这样就节省了成本。6.2 手机和手持GPS电池充电如系统总体框图右端直流部分所示，直流输出电压为12V，但是通常的手机电池和手持GPS电池为3.5V左右，因此需要另外配置充电器。下面介绍一种电池充电器。6.2.1 充电器原理图手机和手持GPS电池充电器原理图如图10所示。图10 电池充电电路6.2.2 电路工作原理它是单管直流变换电路，采用单端反激式变换器电路的形式。当开关管VT1导通时，高频变压器T1初级线圈NP的感应电压为1正2负，次级线圈Ns为5正6负，整流二极管VD1处于截止状态，这时高频变压器T1通过初级线圈Np储存能量;当开关管VT1截止时，次级线圈Ns为5负6正，高频变压器T1中存储的能量通过VD1整流和电容C3滤波后向负载输出。三极管VT1为开关电源管，它和T1、R1、R3、C2等组成自激式振荡电路。加上输入电源后，电流经启动电阻R1流向VT1的基极，使VT1导通。VT1导通后，变压器初级线圈Np就加上输入直流电压，其集电极电流Ic在Np中线性增长，反馈线圈Nb产生3正4负的感应电压，使VT1得到基极为正，发射极为负的正反馈电压，此电压经C2、R3向VT1注入基极电流使VT1的集电极电流进一步增大，正反馈产生雪崩过程，使VT1饱和导通。在VT1饱和导通期间，T1通过初级线圈Np储存磁能。与此同时，感应电压给C2充电，随着C2充电电压的增高，VT1基极电位逐渐变低，当VT1的基极电流变化不能满足其继续饱和时，VT1退出饱和区进入放大区。VT1进入放大状态后，其集电极电流由放大状态前的最大值下降，在反馈线圈Nb产生3负4正的感应电压，使VT1基极电流减小，其集电极电流随之减小，正反馈再一次出现雪崩过程，VT1迅速截止。VT1截止后，变压器T1储存的能量提供给负载，次级线圈Ns产生的5负6正的电压经二极管VD1整流滤波后，在C3上得到直流电压给手机电池充电。在VT1截止时，直流供电输人电压和Nb感应的3负4正的电压又经R1、R3给C2反向充电，逐渐提高VT1基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。R5、R6、VD2、VT2等组成限压电路，以保护电池不被过充电，这里以3.6V手机电池为例，其充电限制电压为4.2V。在电池的充电过程中，电池电压逐渐上升，当充电电压大于4.2V时，经R5、R6分压后稳压二极管VD2开始导通，使VT2导通，VT2的分流作用减小了VT1的基极电流，从而减小了VT1的集电极电流Ic，达到了限制输出电压的作用。这时电路停止了对电池的大电流充电，用小电流将电池的电压维持在4.2V。元器件选择和安装调试：VT1要求Icm0.5A，hEF为50-100，可用2SC2500、2SC1008等，VD1为稳压值为3V的稳压二极管。高频变压器T1要自制，用E16的铁氧体磁芯，Np用0.21漆包线绕26匝，Nb用0.21漆包线绕8匝，Ns用0.41漆包线绕15匝。7 结论在论文中，首先介绍太阳能在国内外的应用和发展现状以及太阳能在汽车上的应用的国内外发展情况和前景。接着，具体研究车载太阳能供电系统。太阳能在汽车上的应用主要有两种方案，一种是用于汽车驱动力，另一种是作为汽车辅助设备的能源。但由于第一种方案在现阶段存在明显的局限性，因此选择第二种方案。然后，就具体介绍太阳能光伏发电系统的原理、组成及各组成部分的功能和应用，特别是各组成部分的选型和相互间的合理组合。在正文的最后部分中，又对太阳能光伏发电系统在汽车上的实际应用如手机、手持GPS电池充电做详细的介绍。但是，由于能力有限，论文中也存在一些不足之处，比如具体到部分实物选型及涉及到原理部分的电路的优选，再比如负载的感性分析这些都没有解决。不过坚信，随着太阳能产业不断发展成熟，再加上日后的努力学习，定会将论文中出现的这些问题逐个解决。致谢经过近半年的努力，本次毕业论文设计工作已近尾声。在此，最值得提出的是，本论文是在导师的悉心指导下完成的，其中凝聚着导师大量的的心血和汗水。在设计的整个过程中，导师给我提供了诸多专业知识上的指导和富于创造性的建议，没有这样的关怀和帮助，不会这么顺利的完成毕业论文。在此向我的导师表示深深的感谢并致以崇高的敬意!不仅如此，我还要感谢四年以来给予我指导、关怀和帮助的所有老师和领导，感谢他们四年来对我的辛勤栽培，正是他们的付出，才学到全面的专业知识，学到了过硬的技术，也才顺利完成毕业设计。最后，我还要感谢我身边的同学，在做毕业设计的这段时间里，他们给了我很多支持并提出了很多宝贵的意见，对于他们的帮助和支持，我也表示由衷地感谢。总之，在此发自肺腑的向你们说声：谢谢!鉴于本人能力有限，难免会有错误和考虑不周之处，请尊敬的领导、老师和亲爱的同学们提出宝贵的意见和建议，在此一并表示感谢。参考文献 1 京特,莱纳著.余世杰,何慧若译.太阳能的光伏利用M.合肥：合肥工业大学，1991.2 谭建成.电机控制专用集成电路M.机械工业出版社，1998.3 张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计M.电子工业出版社，1998.4 康华光.电子技术基础M.北京：高等教育出版社,1999.5 林安中,王斯成.国内外太阳电池和光伏发电的进展与前景J.太阳能学报(增刊),1999:68-746 赵争鸣,刘建政,孙晓瑛.太阳能光伏发电及其应用M.北京:科学出版社,20057 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