太阳能电池MPPT充电系统设计

发布时间：2017-10-03 06:16

  本文关键词：太阳能电池MPPT充电系统设计

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【摘要】：伴随着经济的快速发展,人们的生活水平日渐提高,但随之也出现了许多的负面问题,例如汽车尾气污染和大气污染越来越严重,石油、煤炭等有限能源频繁被开采面临的能源危机,使人类生活环境日趋恶劣,因而发掘新能源是解决当今环境问题的可行办法之一。作为新兴清洁能源的太阳能主要被用在太阳能发电方面,所以大力发展电动汽车是目前解决环境污染和能源枯竭行之有效的方法之一。面对当前电动车电池能量不足、一次充电行驶路程短的问题,本文提出了太阳能辅助电动车MPPT充电方法,通过探索和提高太阳能光伏系统发电的效率,有效的推动电动车的迅速发展和推广。本文首先对太阳能电池的特征进行了详细分析,并对太阳能电池进行了数学建模,然后用Matlab仿真软件对该模型仿真,得到了其输出电压、电流和功率的特性曲线。根据模型特性曲线可知,太阳能电池在任意两个时间点上输出的电压和电流是不同的,针对如何得到每一时刻的最大功率输出(电压与电流乘积为最大)这一问题,提出了最大功率点跟踪的概念。通过对最大功率点跟踪算法的研究,比较了恒压法、扰动观察法和电导增量法的优缺点,提出以恒压法的0.75倍Voc为扰动启动电压,结合变步长扰动方法快速的找到最大功率点,与常用算法比较可知该方法具有速度较快、硬件成本低和容易实现的优点,并能够在一定程度上克服扰动不稳定的缺点。然后,根据最大功率跟踪算法,对常见的太阳能最大功率点跟踪硬件电路进行了比较,最终选择BOOST电路作为DC/DC变换电路,并对BOOST电路的各种参数进行合理的设置。同时对蓄电池的充电特性进行了分析,最终选择使用三段式充电方法,实现了蓄电池的容量利用和使用寿命的提高。最后,根据前述的太阳能最大功率点算法和DC/DC变换电路,对以STM8S103F3单片机为核心的系统整体硬件电路进行了设计,包括BOOST电路、蓄电池充电及保护电路、直流电压电源模块、单片机控制电路和人机交互界面等电路。编写、调试并仿真了单片机软件程序,在实验现场对所设计的系统电路进行反复调试和测试,最终实现了预期实验结果。在相同温度和光照条件下对同一辆电动车加装和不加装太阳能电池充电系统做最大功率点跟踪测试,证明该系统能够发挥太阳能电池的最大功效,提高充电效率。最终结果显示,与传统充电方式相比,应用MPPT充电系统的太阳能充电系统的发电效率提高20~30%,MPPT充电系统的实际转换效率达94%。电动汽车续航能力可增加10%~60%,其误差存在于环境温度和蓄电池性能的不同。
【关键词】：太阳能电池 最大功率点跟踪 BOOST电路 充电管理系统
【学位授予单位】：河南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-15
• 1.1 课题背景与意义11-12
• 1.2 国内外研究现状及发展12-13
• 1.3 主要研究内容及结构安排13-15
• 第二章 太阳能电池的特性15-21
• 2.1 太阳能电池的基本结构及其工作原理15-16
• 2.2 太阳能电池的等效电路16-17
• 2.3 太阳能电池的特性曲线17-19
• 2.3.1 太阳能电池在温度相同光照强度不同时的特性曲线18
• 2.3.2 太阳能电池在光照强度相同温度不同时的特性曲线18-19
• 2.4 本章小结19-21
• 第三章 最大功率点跟踪算法的研究21-29
• 3.1 太阳能电池最大功率跟踪技术21-26
• 3.1.1 恒压法21-23
• 3.1.2 扰动观察法23-25
• 3.1.3 电导增量法25-26
• 3.2 MPPT算法设计26-28
• 3.3 本章小结28-29
• 第四章 最大功率点跟踪电路的分析29-37
• 4.1 DC/DC电压变换电路及其特点29-32
• 4.1.1 BUCK电路29-30
• 4.1.2 BOOST电路30-31
• 4.1.3 BUCK-BOOST电路31
• 4.1.4 CUK电路31-32
• 4.2 DC/DC变换器实现MPPT的原理32-36
• 4.2.1 BOOST变换电路工作原理32-35
• 4.2.2 BOOST电路在光伏系统中作用35-36
• 4.3 本章小结36-37
• 第五章 系统总体设计37-51
• 5.1 引言37
• 5.2 系统总体介绍37-38
• 5.3 系统电路设计38-50
• 5.3.1 器件选型级参数设定38-40
• 5.3.2 采样电路40-41
• 5.3.3 高温保护电路41-42
• 5.3.4 风冷控制电路42-43
• 5.3.5 系统电源部分43-44
• 5.3.6 基于快速充电的蓄电池智能充电设计44-45
• 5.3.7 单片机选型及最小单元电路45-47
• 5.3.8 人机交互接.电路47-48
• 5.3.9 主控板原理图及PCB图48-49
• 5.3.10 人机交互板原理图及PCB图49-50
• 5.4 本章小结50-51
• 第六章 实验结果及分析51-63
• 6.1 太阳能电池的安装方式51-52
• 6.2 太阳能电池发电量计算52-53
• 6.3 实验结果53-59
• 6.3.1 夏季太阳能充电系统测试实验53-57
• 6.3.2 春季太阳能充电系统测试实验57-59
• 6.4 春夏季节差异性对比59-62
• 6.4.1 蓄电池的放电速度59
• 6.4.2 蓄电池的工作温度59-60
• 6.4.3 春夏季续航里程对比60-62
• 6.5 测试结果62
• 6.6 本章小结62-63
• 第七章 总结与展望63-65
• 7.1 总结63-64
• 7.2 展望64-65
• 参考文献65-67
• 致谢67-69
• 攻读硕士学位期间的研究成果69-70

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本文编号：963597