混合动力无人机技术研究项目设计方案.doc

混合动力无人机技术研究项目设计方案1 绪论1.1课题的研究背景在能源紧缺的今天,混合动力微型无人机是我国航空工业研究热点，这主要因为混合动力微型无人机不需要携带大量沉重的能源，这对长时间地不间断工作，资源调查以及环境监测和交通管理等用途有重大作用。本课题通过对混合动力微型无人机的能源动力系统进行一些探索，尝试性的解决无人机上动力不足、太阳能利用效率不是很高和能源管理方面等一些技术难题。1.2 微型无人机研究的意义微型无人机是我国探测地质灾害、进行气候预测和国家航空防御的重要手段之一，它可以有效地帮助提高我国的空中军事防御技术，而且对民用化方面也会起到很重要的作用。（一）洪涝、森林火警及地震灾害等方面的监测调查最近一段时间，我国发生了较多的自然灾害，如果这些自然灾害发生在地质结构比较复杂的地区或者洪涝等性质的灾害，救援人员往往不能及时地到达灾区展开救援，这就需要运用微型无人机对受灾地区进行监测反馈，以便救援人员据此采取相关的应急策略。且同时微型无人直升机还可以用来检测森林火灾大致情况，在没有森林没有发生火灾的情况下，微型无人机同时还可以方便地巡视监测森林的植被，来预测估算森林中的火灾风险指数、含氢量等；在森林发生火灾时，也可以利用无人机对灾情进行评估，以及火灾造成的影响。我国汶川大地震时，受灾地区情况比较严重，道路又堵塞，救援人员又无法第一时间就赶到现场进行实施救援，那时国家中科院就利用了微型无人机来进行数据的收集，在外部天气条件极其恶劣，道路设施严重损坏的情况下，微型无人机深入到受灾地区进行了细致的探测，收集了大量的灾区信息，为及时开展有效的抢救以及保护人们的生命安全提供了及其重要的保证。在某些污染比较严重的地区及一些气候条件比较恶劣的条件下，救援人员直接执行任务是很危险的，此时就可以利用微型无人机来对灾区进行监测，这样就可以在一定程度上保证任务的顺利进行。（二）微型无人机在我国军事领域方面的主要应用近年来，随着无人机的发展,无人机技术已成为军事领域很重要一部分。因为微型无人拥有的最大特点就是无需人类驾驶，所以在执行一些比较危险的任务时利用微型无人机就不必担心出现人员伤亡情况，深多国青睐，甚至还有还有许多国家觉得在将来微型无人机的发展水平会一定程度上决定一个国家的空中军事水平。（三）微型无人机在空中格斗以及空中侦察方面的应用目前微型无人机的发展情况都已经受到多个国家的高度重视，大大支持在微型无人机方面的相关技术的研究，所以说，我们不仅要大发展自身微型无人机水平，同时也要积极研究攻击微型无人机方面的技术，这样才能有效克服微型无人机反导弹能力强、拦截残骸损害防卫目标以及拦截距离较近的缺点，避免敌方微型无人机得到主动权，以便在较远位置摧毁敌方导弹，有效地保护国家的防卫系统，使之不受破坏。由于微型无人机体型较小，比较容易隐蔽，所以在未来的国家战争中可以大规模的使用，这样可以对敌方进行毫无防备进攻。（四）微型无人机在航空监测方面主要应用目前，我国的微型无人机是较为特殊的摄影测量仪之一，它的组成机构比较复杂，技术含量也较高，在多个领域均有运用，假使在进行航空测绘是要使用无人机，就必须精心地挑选无人机的内部组成结构，待选定了合适的材料及型号后，才可可进行下一步的研究以及开发。目前我们国家进行航空摄影以及测量的微型无人机有具有固定机翼的，主要用于地面面积的测量与计算以及把地块边界进行数字化处理方面。微型无人机在进行航空测绘时，它的运行成本相对其它手段来说较低而它本身且具有非常大的灵活性，所以，微型无人机在将来会成为航空测绘方面的重要工具。1.3 研制混合动力无人直升机的意义在21世纪，太阳能混合动力无人机的产生是大势所趋。一方面，人类对能源的需求总量也越来越大，而目现有的能源又日比一日紧张。而太阳能的优势特别大，因此挖掘太阳能的潜力已经成为当下能源工业的一种趋势。而另一方面来，目前现有的五花八门的吸气式发动机如果在飞机飞升到一定高度情况时，由于高空上的空气稀薄，空气浮力比低空下，这使得飞机对发动机功率需求更高，飞机载油量增大；而高空中的空气相对稀薄很多，含氧量大大降低，所以离地面越高，发动机功率就将越小，最终会导致吸气式发动机飞机在续航能力方面和飞行高度方面上都受到制约。而以太阳的太阳能为动力的无人直升飞机，采用太阳能电池把太阳能转化为动力，受高空空气稀薄的因素的影响微乎其微，在高空中，太阳能辐射却越充足，从而飞机的动力将会变得越强。由于太阳能电池可把白天过剩的能量转化为电能储存起来，在晚上没有太阳辐射时继续为飞机提供动力，因此它的续航能力较吸气式发动机飞机来说大大地得到了加强，甚至可飞行长达半年之久，这比吸气式发动机飞机就拥有更多的优势。1.4 国内外研究概况及发展趋势新能源被誉为二十一世纪五大技术领域之一太阳能是集清洁，高效和永不衰竭于一身的新能源，不管从资源的数量、分布的普遍性，还是从清洁性，技术的可靠性来看，都比其他任何资源更具优越性。世近几年，国际上太阳能产业高速发展，美国，欧洲及日本先后制定了庞大的太阳能发展计划，中国也将太阳能列为重点扶持产业。在我们国家,日照时数在2200小时以上地区超过2/3，具有良好的开发条件和应用前景。太阳能飞行器作为太阳能应用发展和研究的重要方向之一，拥有非常大的发展空间和潜力。特别是微型无人直升机在实际应用方面拥有许多固定翼微型飞机无法比拟的优势。军事方面：微型无人直升机可以在各种复杂地形贴近目标实施侦察，尤其是对侦察卫星军用侦察机或人员无法到达的地势险要地区进行侦察，由于微型直升机特有的悬停功能和隐蔽特点，还可以部署到适当位置，充当固定的不被注意的地面传感器，并把信息传送回来；民用方面：微型无人直升机可用于生物和化学物质检测，交通监视和城市情报收集以及野外搜救等。而目前市面上见到的微型无人直升机多为单一电池供电。由于电池储能有限，导致微型无人直升机续航能力不足，若单纯采用太阳能，则该微型无人直升机的供电需要较大体积的太阳能板，很难不超出该飞行器载重能力，亦不可行。而本太阳能混合动力微型无人直升机采用太阳能与蓄电池混合动力较好地提高了飞机续航能力，并且清洁环保，无环境和噪音污染，也便于日常维护保养，具有很大的实用和研究价值。1.5 研究内容及实验方案1.5.1 课题主要研究内容(1)首先研究系统的核心元件光伏装置的电气特性。电气特性通常由电流和电压曲线即I-V曲线进行描述,将曲线的电压和电流对应的坐标进行相乘得到就是其功率曲线(P-I和P-V曲线),要注意的是光伏电池是非线性元件。(2)MPPT最大功率跟踪算法研究.算法的优劣直接关系到太阳能利用率的高低及系统能源利用率。传统控制器大多是太阳能电池板通过二极管直接对蓄电池进行充电,不但充电时能源有效利用率低,对其寿命影响大。(3)蓄电池智能充电策略研究.有效、科学地使用蓄电池,对提高蓄电池的使用效率、蓄电池的充电效率、延长蓄电池的使用寿命都十分关键。在对蓄电池进行智能充放电管理时,还必须考虑蓄电池端电压随温度漂移的温度智能补偿才能实现精确控制蓄电池的过充和过放,延长蓄电池使用寿命。此外系统集完成时,由于蓄电池智能充电策略以及MPPT最大功率跟踪算法,能够在最大限度提升太阳能电池板功率输出的同时,延长蓄电池使用寿命。1.5.2 研究方案一个典型的光伏发电应用系统主要包括光伏阵列、蓄电池、控制器、以及其它电气设备等器件。光电阵列由半导体单晶硅或多晶硅构成，它能产生光伏效应，进行光电转换。利用光伏效应特性，半导体材料的光伏阵列将太阳能转换成电能。蓄电池是光伏发电系统的关键部件。由于光伏阵列只能在有太阳光照射的时候提供能量，为了保证在间断的无光照情况下系统能够正常运行，系统中需要有蓄电池一类的储能单元。控制器是光伏发电系统的核心部件，它对整个光伏发电系统起着控制和保证其正常运行的作用。目前光伏系统中的控制器种类很多，根据控制策略不同又分为两点式、多路顺序式、智能式、最大功率跟踪式等等。1.6 目标及主要特色1.6.1 目标采用太阳能电池板与蓄电池混合供电，并且可根据蓄电池电量情况自动给电池充电，从而较好地延长直升机续航时间，更加环保节能，作为太阳能与蓄电池混合动力，一方面可以弥补蓄电池储能不足的缺陷，让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本。另一方面又可避免目前太阳能电池板光能利用率较低，面积过大，成本高昂的问题，在航模玩具，航拍，勘测，搜救，教学演示等方面具有非常好的应用发展前景。目前市面上见到的微型无人直升机多为单一电池供电。由于电池储能有限，导致微型无人直升机续航能力不足，若单纯采用太阳能，则该微型无人直升机的供电需要较大体积的太阳能板，很难不超出该飞行器载重能力，亦不可行。而本太阳能混合动力微型无人直升机采用太阳能与蓄电池混合动力较好地提高了飞机续航能力，并且清洁环保，无环境和噪音污染，也便于日常维护保养，具有很大的实用和研究价值。1.6.2 创新点根据蓄电池电量情况自动选择切换供电模式，延长续航时间。推广节能、环保理念。2 太阳能电池的特性和应用2.1 前言 太阳能电池能够将太阳的辐射光由半导体物质转变为电能,此光电转换过程通常叫做“光伏效应”,因此太阳能电池又称为“光伏电池”,它是太阳能无人机动力系统的关键部件。2.2 太阳能电池特性2.2.1光伏电池的物理构成前文讲述了光伏电池光电转换的工作原理，这部分将讲述光伏电池的物理构造。通常，光伏电池包含顶部连接、一到两层的抗反射层、N 型发射层、P 型基极层和底部连接几个部分。顶部连接用来收集来自发生层的电流同时与外部电路相连。但是在实际应用在，光伏电池还含有总线连接部件和固定部分。光伏电池的抗反射层用来减少光的发射，如此一来，就能最大限度的利用进入到光伏电池的太阳光，从而使光电转换最大化。采用抗反射层的主要目的是为了提高光伏电池的输出功率。最常用的抗反射材料是二氧化硅。光伏电池的最要的部分是发射极层和基极层。上一部分讨论的光伏电流的产生原理基本上是靠这个部分来实现的。其中，发射极层是光伏电池中含有多数载流子电子的部分，面积较小。将发射极层做得足够的小是为了取得合理的薄皮电阻率值，通常厚度为 2m左右。2.2.2 太阳能电池的电路模型 当光照强度不变时,光生电流I不随光伏电池的工作状态发生变化,因此太阳能光伏电池在此条件下可以等同为恒流源。如果在太阳能光伏电池的两端接入负载,太阳光所生的电流流经负载,将会在负载的两端产生压降U。负载压降反作用于太阳能光伏电池的PN结上,形成与光生电流I方向相反的电流I。太阳能光伏电池板前后表面的电极及材料本身带有的电阻率,当电流流经电池板时就会导致太阳能电池板内部的串联损耗,故电路模型需引入串联电阻Rs。Rs的阻值越大,线路损耗越大,太阳能光伏电池的能量转化率则越低。在实际的太阳能光伏电池板中,Rs的阻值比较小,一般在欧姆至几欧姆之间。另外,制造工艺参差不齐可能会使太阳板的金属电极与边缘之间在生产制作时产生微小的划痕、裂痕。这种由工艺造成的裂痕会形成漏电,流过负载的光生电流则会减少。因此,电路模型必须引入一个并联电阻R。与串联电阻Rs相比较,R的阻值比较大一般在IK欧姆以上。太阳能光伏电池的电路模型如图2-1所示。图2-1 太阳能光伏电池等效电路 根据太阳能光伏电池等效电路，由基尔霍夫电流定律KCL可得出电流关系式： =- (2-1) 其中:流过负载的电流；:与光照强度成正比的光生电流；：流过二极管的电流；：太阳能光伏电池的漏电流。（2-2） (2-3) ：反向饱和电流（数量级一般为A）；q：电子电荷（）；K:波尔兹曼常数（）；T:绝对温度（T=t+273K）；A:PN结理想因子；：光伏电池串联电阻；：光伏电池并联电阻。 (2-4)综合式（2.1）（2.2）（2.3）得出光伏电池输出电流、电压间关系为：2.2.4 太阳能电池的伏安特性曲线 根据经典光伏理论，在一定的光强和温度下，太阳能电池的伏安特性曲线如图2-2所示。图2-2 太阳能电池的伏安特性曲线 从太阳能电池的伏安特性曲线中可以看出太阳能电池既不是恒流源,也不是恒压源,不可能为负载提供任意大功率。而太阳能电池是一个非线性的直流电源，输出电流在一定电压范围内相当恒定,最终在到达某个电压值之后,电流将会迅速下降至零。太阳能电池的在短路时输出电流是一个有限值。太阳能电池有一个最大输出功率点,工作在最大功率点上时利用效率才最高。太阳能电池的伏安特性曲线受太阳能电池自身的工艺参数以及外界光照的强度和太阳能电池自身温度等因素的影响,不同的伏安特性曲线可以反映太阳能电池在不同环境条件下工作时的发电能力和最佳效率点。图2-3,2-4是一定光照、不同温度条件下的I-V和P-V关系曲线,从图中可以看出温度上升会使太阳能电池开路电压下降,太阳能电池的输出功率下降。图2-3 不同温度下的I-V关系曲线图2-4 不同温度下的P-V关系曲线日照强度也在极大程度上影响太阳能电池的输出电流。图2-5和图2-6表示了在一定温度、不同光照强度下的I-V和P-V关系曲线。 图2-5 不同光照强度下的I-V关系曲线图2-6 不同日照强度下的P-V关系曲线从图中可以看出：1）随着光照强度的增加太阳能电池的短路电流增大，输出功率也增大。太阳能电池的短路电流随太阳辐射强度增强而变大,两者近似为正比关系。在最大功率点之前,当太阳能电池板输出电压逐渐增大时,其输出电流将缓慢减小。而最大功率点是个转折点,该点后,随着输出电压的增大,输出电流急剧减小,导致输出功率亦急剧减小。其开路电压在不同光照条件下变化并不大。2）太阳能电池的最大输出功率随光照强度增强而变大,且在同一光照环境下有且仅有唯一的最大输出功率。在最大功率点左侧,输出功率随电池端电压增大而增大,近似线性增大。在最大功率点的右侧,输出功率随着输出电压的增大急速下降。2.3 太阳能电池板的输出效率受光单体光伏电池的最大输出电功率占辐射到该电池受光平面几何面积上全部光功率的百分数称为光伏电池的光电转换效率，即 （2-5）因为： (2-6) (2-7) (2-8)所以： (2-9)式中，表示光的输入功率；表示波长的光束的光子流密度；表示电池的光照总面积；表示普朗克常数；表示光子携带的能量；c为光速；量子效率或者收集效率表示每个光子产生并被收集的电子-空穴对数比上所产生电子-空穴总对数的值 ，该值通常小于1；表示能量大于禁带宽度的光子流。由以上可知，因电池的短路电流与光生电流等效，且光生电流与、成正比，所以光伏电池的光电转换效率也是、以及曲线因数的函数。2.4 负载阻抗的影响 图2-7 不同负载的工作点曲线光伏电池组件的输出电压由负载功率大小、工作电压等因素决定。电池组件的 I-U 特性曲线与纯阻性负载的匹配原理如图2-7 中所示。当负载阻抗Rm匹配时，则组件的 I-U 特性与负载为最佳匹配状态，光伏电池组件可在最大功率点 Pm工作，组件的工作效率也最高；当负载的阻抗上升至 RH时，组件在高于最大功率点电压的状态下工作，此时输出电压少量增加，但是电流下降明显，这导致组件的输出功率和运行效率均降低；当负载阻抗下降至 RL时，组件在低于最大功率点电压的状态下工作，此时输出电流略有上升，但是电压下降明显，同样导致组件的输出功率和运行效率均降低。因为负载工作点不断变化，所以负载与组件的匹配非常重要的。3 最大功率点跟踪算法光伏电池的特性决定光伏电池在每个特定的条件下都存在一个最大功率（Maximum Power Point，简称 MPP），并且 MPP 会随着温度、光照强度的改变而改变。最大功率点跟踪系统就是通过合理的最大功率点跟踪算法与能量转换系统相结合来实现光伏电池的最大功率输出。通常，通过调整光伏电池的输出电流或者光伏电池两端的电压来实现光伏系统的最大功率输出。最大功率点跟踪算法很多，可将其大致分为在线式和离线式两类。在线式的MPPT 算法依靠算法计算出光伏电池板的实际最大功率点，然后与上一次的功率点比较，最终给出一个控制信号使其调整到最大功率点，如扰动观察法、电导增量法、粒子群算法、模糊逻辑算法等。离线式的 MPPT 算法是根据光伏电池的基本特性和现场测得的光照强度、模组温度、短路电流、开路电压等参数来给出控制信号使光伏系统工作在 MPP，如常量电压法、短路电流法等。3.1 最大功率点跟踪算法简介3.1.1 扰动观察法扰动观察(Perturbation and Observation，简称 P&O)法的原理是通过不停的检测系统输出功率的变化，不停的改变系统的工作点使系统达到最大的功率输出。扰动观测法是一种自动寻优的 MPPT 控制方法，是研究最为广泛的算法之一，也称爬山法或登山法，通过检测光伏电池的输出电流和输出电压这两个参数值便可实现，不用检测环境参数如温度和光照度等。扰动观测法以一定的周期检测光伏电池的输出电流和电压，算出功率 Pn，并与上一次检测的功率 Pn-1对比，如果功率变化量 ,则按原来的跟踪方向增加电压，如果功率变化量 ,则按相反方向增加电压。工作电压在多次扰动后向最大功率点的电压靠近。如果扰动变量为电流，则 P&O 算法会不停的改变电流的参考值，因此，如何找出扰动变量移动的方向是扰动观察法的关键所在，扰动观察法实现流程图如图3-1所示。图3-1 P&O MPPT 算法流程图P&O 算法的优点是能够很方便的通过数字实现。通过获取电池板的输出电流和终端电压，计算出当前的 MPP 然后和上次的参考值比较即可得出扰动的方向，很容易通过数字电路实现。在光照、温度变化较慢的情况下，P&O 算法能够满足MPPT 的要求；但是当光照温度等外界条件快速变化的时候，P&O 算法响应速度慢，不能快速地跟踪到 MPP。在整体上，P&O 算法由于存在周期性的电气特性上的扰动，并且需要检测每次电路扰动的结果，从而导致 P&O 算法响应速度慢。特别是，P&O 算法要用到电压、功率、电流的平均值来求导，这大大的降低了算法的响应速度。采用 P&O 跟踪到 MPP 的时间一般为几十毫秒或者更长。P&O 算法的另一个不足就是当系统已经工作在 MPP 时，扰动还是继续存在，会不停地继续寻找 MPP，产生不必要的扰动。所以，在系统达到稳态的情况下，P&O 算法会给系统带来一定的能量损失，因为系统不停地在 MPP 附近振荡。另外，当光照强度快速变化的情况下，P&O 算法可能无法跟踪到 MPP。例如当光照强度增加时，光伏电池板输出功率会相应的增加，即使扰动的方向与实际 MPP方向不一致，由于光照强度的增加，系统肯能依然会检测到实际输出功率的变大，从而继续偏离实际的最大功率点，给系统带来能力损失，只要当光照强度稳定后，P&O 才能让系统重新工作在真正的 MPP。P&O 算法假设输出功率的改变都是由扰动引起的，P&O 不能识别天气条件的变化引起的功率改变，因此在外部环境条件剧烈变化的情况下会不可避免的出现偏离实际 MPP 的情况。3.1.2 增量跨导法图3-2所示为太阳能光伏电池板的PV曲线,由图中可以知道,在最大功率点处，太阳能光伏电池板输出的dp/dv=0。使用扰动观察法时，如果dp/dv0，控制太阳能光伏电池向输出电压增大的方向前进；在最大功率点右侧时dP/dV0,控制太阳能光伏电池向输出电压减小的方向进行。与扰动观察法相比较，增量电导法观察的是电导的变化率和瞬时电导值的大小，而与前一状态的工作电压及功率的大小无关，因此增量电导法不会存在电压扰动观察法的最大功率点左右振荡的问题。增量电导法具有控制效果好!控制稳定性高!无振荡等优点,但是该方法对太阳能光伏电池输出电压和输出电流等参数有较高的采样精度,计算过程也较为复杂,硬件设备成本相对较高此外,控制的初始参数设置对系统启动过程中的跟踪性能有比较大的影响,设置不当可能会造成较大的能量损失。3.1.3 恒定电压控制法恒压控制法是一种较为简单的最大功率跟踪策略,它利用控制太阳能光伏电池输出电压为某一特定的值,使太阳能光伏电池工作在最大功率点。本文第二章讲述了太阳能光伏电池的工作原理及温度和光照强度是影响太阳能光伏电池输出的两个主要环境因素。图2.5给出了在常温下,不同光照强度时太阳能光伏电池输出的伏安特性曲线。若环境温度变化不大，可近似认为太阳能光伏电池是处在某一恒定温度下，则太阳能光伏电池在不同光照强度下的输出功率特性曲线如图3-3所示。图3-3 不同日照强度下的P-V关系曲线 由功率特性曲线可以太阳能光伏电池在温度变化不大情况下,太阳能光伏电池的最大功率点近似分布在一条垂直的直线两侧。因此,控制太阳能光伏电池输出电压工作在最大功率点电压处,则太阳能光伏电池就会工作在最大功率点。恒定电压控制法具有控制简单,易于实现特点,且系统一般不会出现因设定的控制电压剧烈变化而引起的震荡,具有较好的稳定性。恒定电压控制法忽略了温度对太阳能电池板开路电压的影响,而由第二章中太阳能光伏电池的伏安特性曲线可知,太阳能电池的输出的最大功率在不同温度以及不同强度的太阳光照下具有不同最大功率点。因此,恒定电压控制法在温度及太阳光照强度时刻变化的情况下实现最大功率跟踪会产生跟踪误差,并不能实现所有温度环境下完全跟踪太阳能电池板的最大功率点。3.2 几种最大功率跟踪算法的比较上一节论述了几种常见的最大功率跟踪算法的控制原理,分析了它们各自的特点。表3-1为上节3种最大功率跟踪算法的比较,表中主要比较了太阳能光伏照明系统的最大功率跟踪算法控制的优缺点。表 3-1 三种主要的MPPT算法优缺点对比MPPT方法优点缺点恒定电压法原理简单，易于实现效率较低、存在能量损失扰动观察发跟踪准确，转换效率高存在振荡问题、跟踪速度与稳态误差相互制约增量电导法跟踪精确、稳定性较好、能量利用率高算法复杂、计算较多，不易于硬件实现由表3-1可以看出，恒定电压法虽原理简单、易于实现,但是精度较低、能量损失较大,不符合本课题的设计要求。增量电导法虽然克服了恒定电压法的缺点，具有精度高和效率高的优点,却是以复杂的计算为代价。因此,增量电导法实现起来较为困难,硬件成本较高。扰动观察法虽跟踪准确,转换效率较高,但是系统达到一个稳态时存在振荡问题,且电压扰动的步长直接影响跟踪速度,而跟踪速度和稳态误差又相互矛盾。因此,结合本课题需要和扰动观察法的特点,本文采取一种变步长的扰动观察最大功率跟踪策略来实现太阳能光伏电池的最大功率跟踪。变步长的扰动观察法的基本原理与固定步长扰动观察法相似,都是采用电压扰动的方式来跟踪太阳能光伏电池的最大功率。不同的是,变步长的扰动观察法扰动电压不是恒定不变的,当U距离最大功率点Up较远时,电压扰动的步长U较大,跟踪速率较快；当U距离最大功率点Up接近时,电压扰动的步长U减小,增大最大功率点跟踪的精度。由于扰动观察法的基础的是利用电压扰动来观察功率的变化,因此这种方法在实际的系统中无法到达理论上的最大功率点。为了避免扰动观察法的最大功率点左右振荡的问题,引入扰动停止参数。当功率的变化量|dP|时,立即恢复电压的扰动。变步长扰动观察法控制流程如图3-4所示。图3-4 变步长扰动观察法控制流程3.3 蓄电池智能充电策略蓄电池是本系统储能环节,充放电效率及使用寿命是关键所在。蓄电池的使用,归根结底是如何应用蓄电池的充放电特性。有效、科学地使用蓄电池,对提高蓄电池的使用效率、延长蓄电池的使用寿命十分关键。故而蓄电池的智能控制策略显得尤为重要。目前主要的充电方法有两种:快速式充电法和三段式充电法。(1)快速充电法,主要思想是用更短的时间将蓄电池迅速充满。它主要包括以下几种方式: 脉冲式充电法脉冲充电法是采用脉冲电流对电池进行间歇式充电,即先以一脉冲电流对铅酸蓄电池充电一段时间,然后间歇一段时间,接着再用脉冲电流进行充电,再间歇一段时间,如此周而复始至蓄电池充满电。之后可以在蓄电池上加一个恒定电压以补偿其由于自放电而损耗的电量。脉冲电流使蓄电池获得电量,而间歇期使蓄电池经充电时的析气有时间重新化合而被吸收掉,同时使浓度差极化自然而然的得以消除,从而减轻了蓄电池的内压,使下一轮的充电能够更加顺利的进行,蓄电池可以吸收更多的电量。提高了蓄电池对充电电流的接受率,从而加快了蓄电池充电速度。变电流间歇充电法变电流间歇充电法与脉冲式充电法的最大不同之处在于将充电时的脉冲电流改变成了电流逐渐减小的间歇式电流。在充电前期的各段采用变电流对蓄电池充电,使蓄电池获得绝大多数电量。充电后期采用恒定电压充电,直至蓄电池充满。变电压间歇充电法变电压间歇充电法采用的不是间歇电流,而是间歇电压。在每个恒压充电阶段,充电电流都将按照蓄电池的马斯特性曲线自然下降,具有符合电池充电电流可接受率随着充电的进行逐渐下降的特点。快速充电法种类较多,还有些方法会在充电过程中加入瞬时大电流放电环节,以消除电池极化提高蓄电池接受率,从而实现更短时间内将蓄池充满。此种充电方式适用于充电能源无限,而且充电耗时较长的场合。(2)三段式充电法三段式充电法即恒流,恒压,浮充三个阶段充电。l)第一阶段恒流充电:在此阶段,充电电路的输出等效于电流源。蓄电池的充电电流通常由蓄电池的总容量确定,为蓄电池最大可接受电流Imax。其实恒流阶段就是为了防止由于蓄电池荷电状态太低,直接采用恒压充电使得充电电流过大,加速电池极化,析气等问题降低蓄电池使用寿命。充电过程中,通过实时监控蓄电池电压,当蓄电池荷电状态到达相应状态后,充电进程进入恒压充电阶段。2)第二阶段恒压充电:在恒压阶段,充电电路对蓄电池提供一个较高电压,同时检测充电电流。该电压对应于蓄电池充满时对应的端电压值。通过本章前面的分析,我们知道此电压需补偿温度对蓄电池电压的影响。当充电电流降到低于蓄电池最小输出电流时,可以认为蓄电池电量已充满。充电状态进入下一阶段。3)第三阶段浮充:在浮充阶段,电路给蓄电池提供一个精确的、带温度补偿功能的浮充电压,以补偿蓄电池自放电的损失。在分析三段式充电法之前,我们不妨先分析蓄电池的马斯定律:对蓄电池充电时有最大可接受电流,见下式： （3-1）其中为最大初始充电电流，为电流衰减指数又称为充电接受率。若蓄电池充电电流大于最大可接受电流,则加速蓄电池极化。析气更严重,不但影响蓄电池的充电效率,同时降低使用寿命。而蓄电池充电电流小于或等于最大可接受电流时，用于析气及电池极化的能量部分趋于最小化,提高了能源利用效率和蓄电池使用寿命。与快充相比,三段式充电法更注重于蓄电池本身特性而非充电速度。三段式充电法与蓄电池本身特性最为匹配,更有利于延长蓄电池使用寿命,所以成为以市电充电中应用最广泛的方法。太阳能系统与市电系统最大不同之处在于,太阳能是有限的，任何时候的功率输出都是可变的，而市电的输入能量可以认为是无限的,只要电路参数允许，都可以达到我们所需的功率。若将三段式充电法直接应用于太阳能照明系统,最大的问题在于无法实现最大效率应用太阳能电池板的输出。当太阳辐射能量不是足够强大时,第一阶段的恒流充电亦无法实现。蓄电池智能充电策略研究必须综合实现蓄电池智能充电策略和MPPT最大功率跟踪算法,即最大限度提升太阳能电池板功率输出的同时,最大程度延长蓄电池使用寿命。当蓄电池的最大可接受电流大于太阳能电池板的最大可供电流时,智能策略控制控制系统工作于MPPT状态,最大效率使用太阳能同时不影响蓄电池使用寿命。而当蓄电池的最大可接受电流小于太阳能电池板的最大可供电流时,智能策略控制系统工作于马斯曲线充电状态,最大限度延长蓄电池使用寿命同时尽可能充分使用太阳能。4 基于ATmega16单片机的程序调试4.1 ATmega16单片机概述1）.高性能、低功耗8位AVR微处理器；2).先进的RISC结构拥有131条指令，指令的执行时间短；它拥有32个8位的通用工作寄存器，并且所有的寄存器都已直接与运算逻单元(ALU) 相连接，使得其一条指令可以在短短一个时钟周期内同时地访问两个独立的寄存器，代码效率高，相对普通的CISC 微控制器最高至10 倍的数据吞吐率；全静态工作；工作于16MIPS,两个时钟周期的硬件乘法器。3).非易失性程序和数据存储器16KB的系统内可编程Flash擦写寿命一万次，有512B的EEPROM擦写寿命10000次；1KB的片内SRAM,可以通过对锁定的地址位进行编程来达到对用户程序加密的目的。4)JTAG接口支持符合JTAG标准（与IEEE1149.1标准兼容）的边界扫描功能，可实现对支持扩展的片内在线调试，除此之外，通过JTAG接口还可以实现对Flash、EEPROM、熔丝位还有锁定位进行编程处理。5).外设特点其拥有两个具有独立预分频功能的预分频器和比较功能的八位定时器/计数器，以及一个集预分频器、比较功能、捕捉功能于一身的十六位定时器/计数器，还有四通道的PWM，八路十位ADC；1 个可编程且支持同步/异步通信的串行接口 USART，还有1 个可工作于主机/从机模式的 SPI (Serial Peripheral Interface Bus)串行接口(支持 ISP 程序下载)，可编程看门狗定时器还自带有的独立片内振荡器，片内模拟比较器。4.2 ATmega16引脚配置 图4-1ATmega16引脚图ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。4.3 ATmega16引脚功能描述1).Vcc数字电路的电源2).GND地。3).端口A端口A（PA7PA0）是A/D转换器的模拟输入端口。端口A是8位的双向性的I/O口，其拥有可编程的内部上位电阻。它的输出缓冲器拥有对称的驱动特性，既可以输出又可以吸收大电流。作为输入使用时，假使内部上拉电阻是使能状态，与此同时端口又被外部的电路的电位拉低时，端口A将会输出电流。在，端口A复位正在进行的时候，就算系统时钟尚没有起振，端口A是高阻状态的。4).端口B端口B(PB7PB0)拥有端口A的全部特点，但端面口B是双向的I/口，还可以用做其他不同的特殊用途。5).端口C端口C（PC7PC0）拥有端口B的全部特点，除此以外假使JTAG接口是使能状态的，就算上拉电阻激活了引脚PC5（TDI）、PC3(TMS)还有PC2(TCK)，端口C也有的特殊用途。6).端口D端口D(PD7PD0)拥有端口B的全部特点。但端口D还可以用做其他不同的特殊用途。7).RESET 复位输入引脚。8).XTAL1 反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。9).XTAL2 反向振荡放大器的输出端。10).AVCC 作为端口A与A/D转换器的电源的引脚。如果在使用过程中无需用到ADC功能时，那么就必有把AVCC引脚与VCC直接相连。而如果要使用ADC功能的话，那么就要用到一个低通滤波器来和VCC相连接。11).AREF A/D 的模拟基准电压输入引脚。4.4 ADMUX 多路复用器选择寄存器表4-1 多路复用器选择寄存器Bit76543210REFS1REFS0ADLARMUX4MUX3MUX2MUX1MUX读/写R/WR/WR/WR/WR/WR/WR/WR/W初始值00000000Bit 7:6 对ADC参考电源进行设置的位，如表4-2，在本次研究中，采用的是REFS10，REFS11。表4-2 参考电源选择位REFS1REFS0参考电压00AREF，内部Vref关闭01AVCC，AREF引脚外加滤波电容10保留112.56V的片内基准电压源，AREF引脚外加滤波电容 Bit5 在转换结果左对齐的情况下，选择位则被写为“0”时，而结果为右对齐，反之则为左对齐。ADC转换的结果在ADC数据寄存器中的存放形式受ADLAR的值影响，如果ADLAR被置位，则转换结果是左对齐的，反之是为右对齐。必须注意的如果ADLAR的值发生了改变，是会立即影响到ADC数据寄存器中的内容的，与是否有转换正在进行ADC转换是无关的。ADCL和ADCH 数据寄存器，如表4- 3、表4-4。表4-3 右对齐15141312111098-ADC9ADC8ADC7ADC6ADC5ADC4ADC3ADC2ADC1ADC076543210表4-4 左对齐15141312111098ADC9ADC8ADC7ADC6ADC5ADC4ADC3ADC2ADC1ADC0-76543210Bit4:0 模拟信号的输入通道以及增益的选择位。通过这几位的设置，可以选择接到了ADC的模拟输入。也可以选择差分通道增益。如果在转换地过程中这几位的值发生了改变，是不能马上发生改变的，只有在转换结束后的情况下重新设置才能有效。如表4-5表4-5 模拟信号的输入通道MUX4-00000000001000100001100100001010011000111单端输入ADC0ADC1ADC2ADC3ADC4ADC5ADC6ADC7 4.5 ADCSRA 控制以及状态寄存器表4.6 ADCSRA控制以及状态寄存器Bit76543210ADENADSCADATEADIFADIEADPS2ADPS1ADPS0读/写R/WR/WR/WR/WR/WR/WR/WR/W初始值00000000 Bit7_ADEN ADC使能位，该位写“1”使能ADC，写“0”关闭ADC。 Bit6_ADSC 用来转换开始的位。在单次转换模式的情况下，如果此时写入“1”则表示着只启动一次转换。而如果在自由的连续转换模式的情况下，写“1”就只表示启动转换 Bit5_ADATE 表示允许触发自动转换的位。如果ADATE被置位，则表示启Atmega16单片机的ADC自动触发功能。此触发启动ADC转换的是触发信号的上升沿 Bit4_ADIF ADC 中断标志。在ADC 转换结束的病况下，而且在更新了数据寄存器之后， 则ADIF 置位。（如果过程中要使用中断的话，就不用再手动清零） Bit3_ADIE ADC 中断使能。若ADIE 及SREG置位， ADC 转换结束中断即被使能。 Bits2:0_ADPS2:0: 用来选择ADC 预分频器。这3位可设置XTAL 和ADC 输入时钟之间的分频因子。表4-7 ADC预分频器的选择值ADPS2ADPS1ADPS0分频因子0002001201040118100161013211064111128 4.6 16位定时/计数器1的寄存器4.6.1 T/C1 控制寄存器A TCCR1A表4-8 T/C1的控制寄存器ABit76543210COM1A1COM1A0COM1B1COM1B0FOC1AFOC1BWGM11WGM10读/写R/WR/WR/WR/WR/WR/WR/WR/W初始值00000000 T/C1的控制寄存器A是用来设置通道A与B的输出模式还有波形的发生模式的，定义为： Bit 7:6_COM1A1:0: 通道A 比较输出模式 Bit 5:4 _COM1B1:0: 通道B 比较输出模式 COM1A1:0与COM1B1:0分别控制OC1A 与OC1B状态。在COM1A1:0(COM1B1:0)的一位或两位被写入1”的时候，那么OC1A(OC1B) 输出功能将取代I/O 端口的功能。在个时候必须置位OC1A(OC1B)相应的输出引脚以使能输出驱动器。如果把OC1A(OC1B) 直接和物理引脚相连了，那么决定COM1x1:0 的功能的是对WGM13:0 的设置。Bit 3 _FOC1A: 通道A 强制输出比较 Bit 2_ FOC1B: 通道B 强制输出比较 FOC1A/FOC1B在WGM13:0没为指定为非PWM模式时是不会被激活的。当我们为了与未来器件兼容，而且要在PWM 模式下TCCR1A 写入时，FOC1A/FOC1B必须清零。如果FOC1A/FOC1B 被置位为1 ，则波形产生单元将被强制进行比较匹配。OC1A/OC1B 的输出值是会受COM1x1:0 的设置影响的。必须注意的是FOC1A/FOC1B 位是作为选择性通道信号的，而无法决定强制比较的效果，COM1x1:0 位的值才是决定性的影响强制比较结果。 在CTC 模式下，如果将OCR1A 作为TOP 值，则 FOC1A/FOC1B 选通就将发生既不会产生中断也将无法方便地清除定时器的情况，在这个时候，FOC1A/FOC1B 位中的值就将总是读为0。 Bit 1:0_WGM11:0: 选择波形的发生模式 表4-9 通道输出模式COM1A1/COM1B1COM1A0/COM1B0说明00普通端口操作，非OC1A/OC1B功能01WGM13:0=15:比较匹配时OC1A取反，OC1B不占用物理引脚。WGM13:0为其它的值时为普通端口操作，非OC1A/OC1B功能10比较匹配时清零OC1A/OC1B,OC1A/OC1B在TOP时置位11比较匹配时置位OC1A/OC1B,OC1A/OC1B在TOP时清零4.6.2 T/C1 控制寄存器B TCCR1B表 4-10 T/C1控制寄存器BBit76543210ICNC1:ICES1-WGM13WGM13CS12CS11CS10读/写R/WR/WR/WR/WR/WR/WR/WR/W初始值00000000Bit 7_ICNC1: 此为输入捕捉噪声抑制器，置位ICNC1可以使能输入捕捉噪声达到抑制功能的效果。它的作用是从外部的引脚ICP1中连续不断地进行4 次采样。如果所得到的4 个采样值都是相等的，那么采样值信号将送入到边沿检测器中。所以使能这个功能将使得其输入捕捉功能被延迟了4 个的时钟周期。 Bit 6_ICES1: 此为输入捕捉触发沿选择器。在ICES写入 为0”的情况下，下降沿触发输入捕捉功能；而当ICES1 为1”的时候，选择的将是上升沿触发输入捕捉功能。在单片机按照ICES1 的设置的情况下，如果捕获到了一个事件，那么这个时候的计数器内储存的数值被将会被复制到ICR1 的寄存器中。此外成功捕获的事件也会自动地置为ICF1。而如果在这个时候发生中断使能事件，ATmega16单片机的输入捕捉事件功能则即被触发。Bit 5： 保留位。为了保证与将来器件的兼容性，在需要写入TCCR1B的时候，则该位就一定要写入0”。 Bit 4:3_ WGM13:2: 选择波形的发生模式 Bit 2:0_CS12:0: 选择时钟，如表4-11：表4-11 时钟选择CS12CS11CS10说明000无时钟源（T/C停止）001clkI/O/1（无预分频）010clkI/O/8（来自预分频器）011clkI/O/64（来自预分频器）100clkI/O/256（来自预分频器）101clkI/O/1024（来自预分频器）110外部T1引脚，下降沿驱动111外部T1引脚，上升沿驱动 4.7 具有PWM功能与异步操作的定时器/计数器使用方法标志位WGM3:O和COM1A1:0/COM1B1:0组合构成了T/C1的16种