太阳能照明系统控制器设计与蓄电池健康状况检测

【摘要】：随着全球能源形势的日趋紧张,太阳能光伏发电受到广泛关注。新型节能光源的出现使得太阳能路灯、庭院灯等照明系统越来越多的出现在我们日常生活中,太阳能照明系统逐渐得到广泛应用。 太阳能照明系统具有绿色无污染、户外免维护、使用寿命长、可作为离网型光源使用、长期运行低成本等独特的优势。随着各国对太阳能照明系统投入的增加,太阳能照明在夜间照明、夜景美化等领域具有越来越高的市场占有率。 铅酸蓄电池由于其优良的经济特性和稳定性得到广泛的使用,是电力能源等众多领域的重要储能元件,也是太阳能照明系统的电能储备器件。现有太阳能照明系统通常定期对铅酸蓄电池进行更换,缺乏对铅酸蓄电池健康状况的检测方法,无法掌握蓄电池的使用情况,定期更换容易导致蓄电池提前报废或者过度使用。 本课题在研究过程中主要做了以下几个方面的工作： 1)对太阳能照明系统进行分析,研究太阳能电池光伏发电原理、光照强度和温度影响特性、测试影响系统设计的主要因素,通过检测太阳能电池板特性参数来判别光照强度；研究铅酸蓄电池的电化学反应原理、充电特性和放电特性,研究充放电过程中蓄电池状态检测的方法,实现充电模式判别、防止过度冲电、防止过度放电、低电压保护等功能；研究LED照明光源和普通直流光源,结合控制器设计效果和蓄电池性能选择合适光源。 2)设计充电方法,在充电初期注重充电效率,对于功率较大的系统采用最大功率跟踪的方法进行充电,保证太阳能电池运行在最大的输出功率,提高系统效率;充电后期通过PWM信号调整充电控制波形,对蓄电池进行充电的同时,减少蓄电池内部积聚气体,减小内压,降低对蓄电池的伤害；充电末期采用极小电流进行充电,维持蓄电池电压不再升高保证蓄电池不受损坏的同时尽量使蓄电池保持最大电容量。 3)分析最大功率跟踪原理,结合升降压电路,得出最大功率跟踪等效电路,建立最大功率跟踪的数学模型,找到太阳能电池输出功率的控制变量,通过对该变量的控制实现太阳能电池输出功率的控制,系统设计时根据性能要求采取不同的最大功率跟踪控制策略。 4)完成控制器的硬件和软件设计并进行功能测试。设计太阳能电池、铅酸蓄电池、照明光源的共阳极接法,采用PIC单片机作为主控芯片,设计充放电回路、电压电流检测电路和辅助电路,制作实物电路板;设计系统充电算法和控制策略,设计系统软件整体框架、充电波形控制算法、软件去除干扰和功能选择设置；验证控制器的控制效果和稳定性,记录控制波形和测试数据。 5)研究铅酸蓄电池使用过程中的损耗情况,找出与蓄电池老化相关的变量和影响因子,结合太阳能照明系统控制器的检测电路设计一种可以实时检测蓄电池健康状况的方法,根据检测结果判断铅酸蓄电池损耗情况提示进行蓄电池的更换。 【关键词】：太阳能照明系统 最大功率跟踪 充放电设计 蓄电池健康状况检测
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM923;TP273
【目录】：

• 中文摘要10-12
• ABSTRACT12-14
• 第一章 绪论14-20
• 1.1 课题研究的背景14-15
• 1.2 课题的研究现状与发展趋势15-17
• 1.2.1 课题的研究现状15-16
• 1.2.2 课题的发展趋势16-17
• 1.3 课题研究的意义17-18
• 1.4 本课题完成的主要工作18-20
• 第二章 太阳能照明系统的基本组成和特性20-36
• 2.1 太阳能照明系统的结构和设计原则20-21
• 2.1.1 太阳能照明系统的结构20-21
• 2.1.2 太阳能照明系统的设计原则21
• 2.2 太阳能电池21-28
• 2.2.1 太阳能电池的工作原理21-24
• 2.2.2 太阳能电池的基本特性24-26
• 2.2.3 太阳能电池特性实验分析26-28
• 2.3 铅酸蓄电池28-31
• 2.3.1 铅酸蓄电池的工作原理28
• 2.3.2 铅酸蓄电池的充放电特性28-30
• 2.3.3 铅酸蓄电池的寿命影响因素30-31
• 2.4 太阳能照明系统光源31-32
• 2.4.1 LED直流光源31-32
• 2.4.2 普通直流照明光源32
• 2.5 光伏系统控制器32-34
• 2.5.1 光伏系统的类型32
• 2.5.2 光伏系统的主要技术指标32-34
• 2.6 本章小结34-36
• 第三章 太阳能照明系统充电算法和方案设计36-54
• 3.1 太阳能照明系统总体设计36-39
• 3.1.1 系统设计流程36-37
• 3.1.2 系统组件容量计算37-38
• 3.1.3 系统性能参数38-39
• 3.2 太阳能照明系统结构和功能分析39-41
• 3.2.1 系统结构原理39-40
• 3.2.2 模块功能分析40-41
• 3.3 铅酸蓄电池充电方法研究41-44
• 3.3.1 常用铅酸蓄电池充电方法分析41-43
• 3.3.2 本文提出的充电方法43-44
• 3.4 最大功率跟踪算法研究和实现方法44-52
• 3.4.1 最大功率跟踪的必要性44
• 3.4.2 最大功率跟踪电路分析44-48
• 3.4.3 最大功率跟踪实现方法48-52
• 3.5 本章小结52-54
• 第四章 控制器设计方案及实现54-68
• 4.1 控制器硬件电路设计54-59
• 4.1.1 组件的共阳极连接54-55
• 4.1.2 太阳能电池电压检测电路55-56
• 4.1.3 蓄电池电压检测电路56-57
• 4.1.4 充电放电电流检测57
• 4.1.5 充放电控制回路57-58
• 4.1.6 电压转换电路58
• 4.1.7 辅助电路58-59
• 4.2 控制器软件设计59-62
• 4.2.1 系统程序框架59
• 4.2.2 12V/24V系统识别59-60
• 4.2.3 充电波形的软件实现60-61
• 4.2.4 电压电流去干扰的软件实现61
• 4.2.5 功能选项软件设计61-62
• 4.3 太阳能照明系统测试62-67
• 4.3.1 测试组件62-64
• 4.3.2 测试结果分析64-67
• 4.4 本章小结67-68
• 第五章 太阳能照明系统蓄电池健康状况检测68-80
• 5.1 铅酸蓄电池的老化68-70
• 5.1.1 铅酸蓄电池电化学反应原理68
• 5.1.2 蓄电池的主要性能参数68-69
• 5.1.3 蓄电池的失效形式69-70
• 5.2 铅酸蓄电池的内阻检测技术70-72
• 5.2.1 铅酸蓄电池内阻与蓄电池状态的关系70-71
• 5.2.2 铅酸电池内阻检测技术71-72
• 5.2.3 铅酸蓄电池内阻检测的局限性72
• 5.3 损耗的模型和测量方法72-75
• 5.3.1 模型分析72-74
• 5.3.2 放电内阻参数测定74-75
• 5.4 检测方法和结果分析75-78
• 5.4.1 蓄电池健康状况检测方法75-76
• 5.4.2 测试和结果分析76-78
• 5.5 本章小结78-80
• 第六章 总结与展望80-82
• 6.1 总结80
• 6.2 展望80-82
• 参考文献82-86
• 致谢86-87
• 学位论文评阅及答辩情况表87

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