光电驱动电动车的研究——光电转换系统

1、本科毕业论文（设计）本科毕业论文（设计） 论文题目：光电驱动电动车的研究论文题目：光电驱动电动车的研究 光电转换系统光电转换系统 学生姓名：学生姓名： 所在院系：所在院系： 机电学院机电学院 所学专业：所学专业： 应用电子技术教育应用电子技术教育 导师姓名：导师姓名： 完成时间：完成时间： 摘摘 要要 本文从光电驱动型电动车光电转换系统的要求入手，将整个系统分成三个 部分，分析和讨论了各个部分的电路原理、实现方法。系统各部分的控制电路 基于 intel 公司的控制芯片 at89c2051 单片机。在光电转换的配合下，根据永 磁无刷直流电动机的特性实施脉宽 pwm 控制，并通过转速传感器测量转速

2、， 通过软硬件的配合，实现了整个系统的设计要求。 关键词：关键词：太阳能，升压电路，控制器，蓄电池 a study of photoelectric driven electric vehicles- photoelectric conversion system abstract this paper analyzes the requirements from the photoelectric driven electric bicycle of the photoelectric conversion system, the whole system will be divided i

3、nto three parts, analysis and discussion of the various parts of the circuit of the control strategy, implementation method. part of the system control circuit based on intels at89c2051 chip microcontroller. coordinate with photoelectric conversion,according to the permanent magnet brushless dc moto

4、r control of the pwm pulse width, speed sensor and passed through speed, through hardware and software support, for the entire system design requirements. key words: solar energy, step-up circuit, controller, batteries 目目 录录 1 绪论.1 1.1 当前电动自行车存在的缺陷.1 1.2 电动自行车改进的方法.1 2 太阳能供电控制电路.2 2.1 系统设计方框图.2 2.2

5、太阳能电池板.2 2.3 防过充保护电路.3 2.4 升压电路.3 2.4.1 电源转换器的特性.3 2.4.2 电源转换器的引脚和工作原理.4 2.5 控制电路.6 3 太阳能电池的原理.6 3.1 太阳能电池.6 3.2 硅太阳能电池.7 3.2.1 硅太阳能电池工作原理与结构.7 3.2.2 硅太阳能电池的生产流程.9 3.3 太阳能电池的分类.9 3.3.1 硅太阳能电池.10 3.3.2 多元化合物薄膜太阳能电池.10 3.3.3 聚合物多层修饰电极型太阳能电池.11 3.3.4 纳米晶太阳能电池.11 3.3.5 有机太阳能电池.11 4 蓄电池.11 4.1 铅酸蓄电池.11 4

6、.2 胶体铅酸蓄电池.12 4.3 镍氢蓄电池.12 4.4 锂离子电池.13 4.5 蓄电池的相关参数：.13 5 太阳能电池板和蓄电池的选用.14 5.1 蓄电池的选用.14 5.2 太阳能电池板的选用.14 2 6 pwm 调速与回馈制动.15 6.1 直流电动机电枢的 pwm 调速原理.16 6.2 回馈制动的控制原理.17 7 总体电路设计.19 8 结束语.20 致谢.20 参考文献.21 附录 光电转换系统电路总图.22 1 1 绪论绪论 电动自行车作为一种有效替代燃油车的绿色交通工具， 拥有节能、环保、 便捷三大优点，在减轻或消除城市环境污染方面将发挥着越来越大的作用，其 发展

7、前景十分广阔。其作为自行车史上具有革命性的交通工具,在给人们生活带 来方便的同时，也对整个社会的经济产生了积极的影响。无论何种类型电动车 的驱动系统,都可以分成能源供给子系统、电气驱动子系统、机械传动子系统三 部分,其中能源供给子系统是电动车的行驶的基础，主要包括蓄电池和太阳能等 能源为其提供源动力。 目前，电动自行车主要依赖蓄电池提供电能，能源消耗较大。利用太阳能 转换和蓄电池对电动车进行驱动对增加电动车行程和节约利用能源大有裨益。 同时本设计采用以单片机为核心的控制器更有助于控制器向智能化方向发展。 1.1 当前当前电动自行车电动自行车存在的缺陷存在的缺陷 我国在上世纪 70 年代就已经研

8、制出电动自行车了，只不过当时受国民经济 和电动车技术水平的制约，电动自行车并没有得到普及，但是随着社会经济的 发展现在的电动自行车得到了普及和更深层次的发展。电动自行车包括电源、 控制系统、传动系统、电机四大块，并且采用了很多的新技术和新材料，它的 诞生为人们的出行和缓解交通压力做出了巨大贡献。 但是，目前人们所使用电动自行车的行程完全依赖蓄电池容量的大小，而 且化学类的蓄电池容量扩展技术一直没有得到太大的发展，并且会对环境产生 污染，不利于二次回收。电动车在刹车和下坡等情况下，会将电能和机械能转 变为热能而浪费掉，这些缺点如果得到改善，会对增加电动自行车的行驶里程 和人们的使用带来很大方便。

9、 1.2 电动自行车改进电动自行车改进的的方法方法 太阳能发电被誉为是理想的可再生能源。如果是将太阳能这种无限资源配 合原有的蓄电池作为于驱动电动车的源动力，再加上回馈制动技术将会提高电 动自行车的行驶里程，为人们的使用和出行带来很大方便，将对电动车未来的 发展具有深远意义。从技术发展的角度来看，在走过了漫长而艰难的发展历程 之后，电动车正面临着重大的技术突破，有望成为 21 世纪的重要交通工具。 目前电动自行车采用的直流无刷电机都是三相电机，由于电机具有可逆性， 电动机在特定的条件下可以转变成发电机运行，因此可以通过回馈制动，回收 制动能量对电池进行充电，提高电动车的行驶里程。采用回馈制动，

10、可接收电 动车下坡、减速、停车时的能量，以节约电能。结果表明：采用此种控制方式 2 可达到 10 %左右的能量回收率，进而提高电动车能量利用率。那么根据设计目 的，我们可以提出对本系统的具体设计要求为： （1）在现有的电动车基础上利用太阳能光电池进行光电转换给蓄电池进行 充电，继而驱动电动车的直流电动机进行运转； （2）以单片机为控制中心设计出无刷直流电动机控制系统的控制线路并与 其他线路良好对接； （3）无刷直流电动机采用脉宽调制的 pwm 控制方法调速； （4）主要设计在制动状态下的能量回馈过程，即接收电动车下坡、减速以 及停车时的机械能量，馈送给蓄电池，以节约电能。 光电驱动型电动车包括

11、太阳能和蓄电池所组成的供电控制电路，机械传动 部分和使用单片机进行控制的控制器部分，这里侧重于介绍太阳能供电控制电 路的工作原理和实现方法。 2 太阳能供电控制电路太阳能供电控制电路 太阳能供电控制电路是为电动车提供源动力的重要系统，设计包括充电控 制电路、防过充电路、dc-dc 升压电路、太阳能电池板和蓄电池的选用等。 2.1 系统设计方框图系统设计方框图9 太阳能供电的电源设计系统设计方框图如图 1 所示。主要有太阳能电池板， 防反充二极管，防过充保护，dc-dc 升压电路，蓄电池和稳压电路等组成。 太阳能 电池阵 dc-dc 电源 转换器 防反充 二极管 负 载 防过充 保护电 路 蓄

12、电 池 控 制 器 图1 系统设计方框图 2.2 太阳能电池板太阳能电池板 太阳能电池板是整个电源的重要组成部分，要将光电转换后的电能同时给 蓄电池供电。太阳能电池方阵一般由多块太阳能电池组件串并联而成，每个支 路通过防反充二极管、防过充电路向蓄电池充电。太阳能电池方阵分为若干个 子阵列，每个阵列由一个电子开关控制。太阳能电池板的质量和成本将直接决 3 定整个系统的质量和成本。太阳能电池的表示符号如图 2 所示。 防反充二极管作用主要是防止蓄电池的电压在远远高 于太阳能电池的电压时，蓄电池通过太阳能电池板进行放 电损坏太阳能电池板，所以必须在太阳能电池板和蓄电池 之间接入一个防反充二极管。 图

13、 2 太阳能电池符号 2.3 防过充保护电路防过充保护电路 防过充保护作用是防止损坏蓄电池。因为过充或过放对蓄电池的寿命都会 有大的损伤，大大减少蓄电池的使用寿命。 控制过充的元件采用一个双电压比较器，电路图如图 3 所示： r11、rp1、c12、a1、t1、t2 和 k1 组成过充电电压检测、比较和控制电路。 当电路接通时，设定 rp1 的过充电压值为 20v。在电路在进行电压采样时，电 压比较器采集到两个管脚的电压进行比较。于是，当蓄电池电压小于预先设定 的过充电压值时，a1 的 4 脚电平高于 5 脚电平，2 脚输出低电平此时 t1、t2 截止，电路进入充电状态。当输入电压高于 20v

14、 时，5 脚电平高于 4 脚电平此 时 t1、t2 导通，这时继电器 k1 通电闭合，其常闭触点 k1-1 将蓄电池的充电 回路断开。 图 3 防过充保护电路图 2.4 升压电路升压电路7 dc-dc 升压电路的设置是因为蓄电池的输出电压是 12v，但是电动车蓄电 池所需的电压是 48v，所以要通过一个升压电路对它进行升压转换，输出一个 48v 的电压。大电流高效率升压式 dcdc 电源转换器 lt3782 是凌特公司推 出的两相工作升压式 dcdc 电源转换器。 123456 a b c d 654321 d c b a title numberrevisionsize b date:16-

15、may-2009sheet of file:f:二2二二二二二二二.ddbdrawn by: r11 6.2k c12 10uf t1 8050 t2 8050 zd1 6.2v rp1 3k d4 k1 lm308 1 2 3 4 5 接太阳能电池组件 到蓄电池 4 2.4.1 电源转换器的特性电源转换器的特性 lt3782 仅通过两个电感器即可提供高输出功率，而无须功率和电流检测变 压器。lt3782 的输入电压范围为 6-40v，并可在输入 10-36v 的电源电压时， 以高达 96%的效率在 2 到 4a 负载电流情况下提供稳定的 50v 输出电压。 两相工作最大限度的降低了输入和输出

16、纹波电流及所需输入和输出电容器 的电容值。在 10v 栅极驱动电压和 4a 峰值驱动电流时，lt3782 能以高效率驱 动工业级大功率 mosfet。此外，通过可调的斜率补偿、时延和欠压闭锁及同 步工作和时钟同步，电源设计师能够定制电路以获得最佳性能。 lt3782 采用恒定频率（可编程开关频率范围为 150 500khz）电流模式 架构，以改善线路电压和负载调节、减小电感器和电容器体积并提供精确的逐 个脉冲电流限制。就同步应用而言，lt3782 通过可编程的下降沿延迟提供同步 门信号，以避免使用外部 mosfet 驱动器时产生交叉传导。lt3782 工作于 6v 至 40v 的宽输入范围，其

17、中最高输出电压取决于外部元器件的选择。其他功能 则包括降低浪涌电流的软启动和保护 mosfet 并改善系统可靠性的占空比箝位。 并采用耐热增强型 28 引线 ssop 封装，额定工作温度为-40 度至 125 度。 图 4 升压电路转换效率 2.4.2 电源转换器的引脚和工作原理电源转换器的引脚和工作原理 lt3782 采用耐热增强型 28 引脚 ssop 封装。其各引脚功能如表 1 所示： 表 1 lt3782 的内部管脚 引脚号引脚名称引脚功能 1sgate2相位补偿信号输出端 2，需要外接缓冲器 2sgate1相位补偿信号输出端 1，需要外接缓冲器 3nc空脚 4gnd接地端 5sync

18、同步信号输入端 6delay延时控制端，通常用于死区时间控制 7dcl最大占空比控制端 5 8sense1第一路功率 mosfet 过流检测正相信号输入端。该 脚电压高于 60m时，保护电路启动 9sense1第一路功率 mosfet 过流检测反相信号输入端 10slopepwm 波形补偿电阻连接端 表 1 lt3782 的内部管脚续 11r振荡电阻连接端 12sense2第二路功率 mosfet 过流检测反相信号输入端。 13sense2第二路功率 mosfet 过流检测正相信号输入端。该 脚电压高于 60m时，保护电路启动 14ss软启动控制端，通常外接软启动电容 15vpwm 输出波形补

19、偿端，通常外接 rc 元器件 16fb反馈端。该脚通过两个电阻连接在输出电压与接地 端之间，改变这两个电阻的阻值即可调整输出电压 17run开/闭控制端。电压低于 2.2v 时，电路进入关闭模式 18nc空脚 19vef2驱动电路接地端 20bgate2下端 mosfet 驱动信号输出端 21gbias2自举电容连接端 22gbias1自举电容连接端 23bgate1上端 mosfet 驱动信号输出端 24vee1驱动电路接地端 25nc空脚 26nc空脚 27v电源电压输入端 28gbias自举电容连接端 如图 5 升压电路中 r1、r2 和 c1 组成限压电路，当输入电压低于 6v 时，

20、输入端自动关断；场效应管 m1 和 m2 受到输入脉冲的控制进行通与断,电感 l1 和 l2 在脉冲下降沿时产生自感电动势阻碍电流的减少，从而通过肖特基整流 二极管（其中肖特基二极管的耐压为 60v，电流为 3a）向电容充电，两个电感 电路的轮流工作，从而使电路输出端得到 50v、4a 的稳定输出。 6 vcc run slope delay ss vc gbias1 gbias2 gbias bgate1 dcl rset vee1 bgate2 sense1- sense1+ sense2+ sense2- fb lt3782 vee2 gnd vcc r3 13k rs1 0.004 r

21、s2 0.004 r4 10 rfreq 80k r1 825k rslope 59k r2 274k cin 10uf/50v cout1 10uf/50vc1 1uf c2 0.1uf c3 100pf c4 6.8nf cout1 220uf c7 2ufm1 si7852dp l1 l2 d1 30bq060 d2 30bq060 m2 si7852dp r5 10 c6 10nf c5 10nf rf1 475k rf2 24.9k 10-36v 50v + 接蓄电池 到电动车电机 图 5 升压电路图 2.5 控制电路控制电路 控制电路是以单片机 at89c2051 为控制核心，通过

22、脉宽调制 pwm 来控制 电机的电枢电压，从而实现电动车的调速控制。利用升压斩波的原理实现能量 回馈制动。其回馈制动的实质，就是将电机的机械能及储存在电机绕组中的磁 场能量转换为电能，经电感升压斩波的作用，将能量回馈给蓄电池，以节约电 能，增加电动车的行驶里程。 3 太阳能电池的原理太阳能电池的原理 太阳能一般指太阳光的辐射能量。在太阳内部进行的由“氢”聚变成“氦”的 原子核反应，不停地释放出巨大的能量，并不断向宇宙空间辐射能量，这种能 量就是太阳能。太阳能发电有两种方式，一种是光热电转换方式，另一种 是光电直接转换方式。 3.1 太阳能电池太阳能电池 太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成

23、电力的器件。其转换过程由 光的吸收和空穴电子对的产生、电子空穴对的分离、过剩载流子的移动、 三个阶段组成。 当具有适当能量的光子入射于半导体时，光与构成半导体的材料相互作用 产生电子与空穴（因失去电子而带正的电荷） 。如半导体中存在 pn 结，那么电 子向 n 型半导体扩散，空穴向 p 型半导体扩散，并分别聚集于两个电极部分， 即负电荷和正电荷聚集于两端。这样如用导线连接这两个电极，就有电荷流动 产生电能。如图 6 所示： 7 图6 太阳能电池的发电原理图 当受光照的太阳能电池接上负载时，光生电流流经负载，并在负载两端建 起 端电压，这时太阳能电池的工作情况可用图 7 所示的等效电路来描述。

24、图7 pn结太阳能电池的等效电路图 在恒定光照下，一个处于工作状态下的光电池，其光电流 il 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 rl，同 时在负载两端建立起端电压 v，此电压反过来它又正向偏置于 p-n 结二极管， 引起与光电流反向的暗电流 id。但是，由于太阳板前表面和背表面的电极和接 触，以及材料本身具有一定的电阻率，流经负载的电流经过它们时，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 rest 来表示；同时，由 于电池边沿的漏电，在电池的微裂痕、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部 分本该通过负载的电流短路，这种作用可用一个并联电阻

25、 rosh 来等效。5 3.2 硅太阳能电池硅太阳能电池 能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓， 硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现在对太阳能的利用中以硅太阳电池居 多，现以硅晶体为例描述光发电过程。 id sh i r rsh rs i l v il 8 3.2.1 硅太阳能电池工作原理与结构硅太阳能电池工作原理与结构 太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构 如下：正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。当硅晶 体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空 穴，它的形成可以参照图 8 所示： 图

26、9 中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。 而黄色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有 3 个电子，所以就会产生如 图所示的蓝色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子 而中和，形成 p（positive）型半导体。 同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变 得非常活跃，形成 n（negative）型半导体。黄色的为磷原子核，红色的为多余 的电子。如图 10 所示。 n 型半导体中含有较多的空穴，而 p 型半导体中含有较多的电子，这样， 当 p 型和 n 型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是 pn 结。 当 p 型

27、和 n 型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个 特殊的薄层)，界面的 p 型一侧带负电，n 型一侧带正电。这是由于 p 型半导体 多空穴，n 型半导体多自由电子，出现了浓度差。n 区的电子会扩散到 p 区， p 区的空穴会扩散到 n 区，一旦扩散就形成了一个由 n 指向 p 的“内电场”，从 而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这 就是 pn 结。当晶片受光后，pn 结中，n 型半导体的空穴往 p 型区移动，而 p 图8 普通半导体主要结构 图9 掺入磞时硅晶体内部结构 图10 掺入磷原子形成n型半导体 图11 半导体的内部电场 9 型区中的电

28、子往 n 型区移动，从而形成从 n 型区到 p 型区的电流。然后在 pn 结中形成电势差，这就形成了电源。如图 11 所示。 由于半导体不是电的良导体，电子在通过 pn 结后如果在半导体中流动， 电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过， 电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖 pn 结，以增加入射光的面积。 另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此， 科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜，将反射损失减小到 5 甚 至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池 （通常是 36 个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电

29、板。如图 12 所示。 图 12 太阳能电池 pn 结 3.2.2 硅太阳能电池的生产流程硅太阳能电池的生产流程 通常的晶体硅太阳能电池是在厚度 350450m 的高质量硅片上制成的， 这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。 图13 硅太阳能电池的生产流程 为了节省材料，目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低 压化学气相沉积（lpcvd）和等离子增强化学气相沉积（pecvd）工艺。此外， 液相外延法（lppe）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。 化学气相沉积主要是以 sih2cl2、sihcl3、sicl4 或 sih4,为反应气体,在一 定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在

30、加热的衬底上，衬底材料一般选用 si、sio2、si3n4 等。但研究发现，在非硅衬底上很难形成较大的晶粒，并且 容易在晶粒间形成空隙。解决这一问题办法是先用 lpcvd 在衬底上沉积一层 较薄的非晶硅层，再将这层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽 晶上沉积厚的多晶硅薄膜，因此，再结晶技术无疑是很重要的一个环节，目前 10 采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法。多晶硅薄膜电池除采用了再 结晶工艺外，另外采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电池的技术，这样制得的 太阳能电池转换效率明显提高。 3.3 太阳能电池的分类太阳能电池的分类 太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜

31、式(以下表示为 a-)两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形。 图 14 多晶硅与单晶硅的太阳能电池组件 按材料可分为硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机膜形，而化合物半导 体薄膜形又分为非结晶形(a-si:h,a-si:h:f,a-sixgel-x:h 等)、v 族(gaas,inp 等)、 族(cds 系)和磷化锌 (zn 3 p 2 )等。 太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：硅太阳能电池、 多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳 能电池、有机太阳能电池。 3.3.1 硅太阳能电池硅太阳能电池 硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电

32、池和非晶硅薄 膜太阳能电池三种。 单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转 换效率为 24.7%，规模生产时的效率为 15%。在大规模应用和工业生产中仍占 据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省 硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。 多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较,成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电 池，其实验室最高转换效率为 18%,工业规模生产的转换效率为 10%。因此，多 晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。 非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产， 有极大的潜力

33、。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接 (a)多晶硅太阳能电池组件 (b)单晶硅太阳能电池组件 11 影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么， 非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。 3.3.2 多元化合物薄膜太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池 多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓 iii-v 族化合 物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。 硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成 本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成 严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池

34、最理想的替代产品。 砷化镓（gaas）iii-v 化合物电池的转换效率可达 28%，gaas 化合物材料 具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率,抗辐照能力强,对热不敏感，适合 于制造高效单结电池。但是 gaas 材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用 gaas 电池的普及。 铜铟硒薄膜电池（简称 cis）适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换 效率和多晶硅一样。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后 发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是 比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。 3.3.3 聚合物多层修饰电极型太阳能电池聚合物多层修

35、饰电极型太阳能电池 以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。 由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本底等优势，从而对大规 模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的 研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅 电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。 3.3.4 纳米晶太阳能电池纳米晶太阳能电池 纳米 tio2 晶体化学能太阳能电池是新近发展的，优点在于它廉价的成本 和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在 10以上，制作成本仅为硅太 阳电池的 1/51/10。寿命能达到 2o

36、年以上。 但由于此类电池的研究和开发刚刚起步，估计不久的将来会逐步走上市场。 3.3.5 有机太阳能电池有机太阳能电池 有机太阳能电池，顾名思义，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。 如今量产的太阳能电池里，95以上是硅基的，而剩下的不到 5也是由其它 12 无机材料制成的。 将各种太阳能电池进行比较后发现：多元化合物薄膜太阳能电池会对环境 造成严重的污染，聚合物多层修饰电极型太阳能电池和纳米晶太阳能电池的研 究和开发还不够成熟。而硅太阳能电池转换效率较高，是目前发展最成熟的， 在应用中居主导地位，所以设计时我们采用单晶硅太阳能电池板。 4 蓄电池蓄电池 电池是指利用物质的化学反应或物理变

37、化而在两级间产生电位差的装置。 目前能够被电动自行车采用的有以下四种动力蓄电池，即阀控铅酸免维护蓄电 池、胶体铅酸蓄电池、镍氢蓄电池和锂离子蓄电池。 4.1 铅酸蓄电池铅酸蓄电池 目前市场上能够大量提供的是铅酸蓄电池，铅酸蓄电池已经有 130 年的历 史了，可以说是使用最多的蓄电池。它的性能可靠，生产工艺成熟，价格也较 低。目前已商品化的电动自行车的绝大多数是使用的密封式铅酸蓄电池，使用 中不需要补充水分，免维护。其主要化学反应是：pbo2+2h2so4+pb充电、 放电 phso4+2h2o+phso4 铅酸蓄电池充电时变成硫酸铅的阴阳两极的海绵状铅把固定在其中的硫酸 成分释放到电解液中，分

38、别变成海绵状铅和氧化铅，电解液中的硫酸浓度不断 变大；反之放电时阳极中的氧化铅和阴极板上的海绵状铅与电解液中的硫酸发 生反应变成硫酸铅，而电解液中的硫酸浓度不断降低。当铅酸蓄电池充电不足 时，阴阳两极板的硫酸铅不能完全转化变成海绵状铅和氧化铅，如果长期充电 不足，则会造成硫酸铅结晶，使极板硫化，电池品质变劣；反之如果电池过度 充电，阳极产生的氧气量大于阴极的吸附能力，使得蓄电池内压增大，导致气 体外溢，电解液减少，还可能导致活性物质软化或脱落，电池寿命大大缩短。 铅酸蓄电池重量比能量为 28-40 wh/kg，体积比能量 64-72 wh/i，太重、 太大，而能提供的电能较少，使用寿命较短，作

39、为电动自行车的动力电源一般 只能够使用一年左右，若是性能差或使用不当的只有二、三个月。此外，铅酸 蓄电池还有深度放电能力和低温放电能力较差，不能快速充电（但是近来在铅 酸蓄电池的快速充电的研究方面已有些进展）等缺点。铅酸蓄电池的改进型 胶体铅酸蓄电池，用胶体电解液代换硫酸电解液，在安全性、蓄电量、放电 性能和使用寿命等方面较普通铅酸蓄电池有改善。但是总而言之，从长远看， 铅酸蓄电池在电动车上的利用前景不佳。报废的铅酸蓄电池因废弃会造成二次 污染，这也是有些地方政府不肯支持电动自行车大量上路的重要原因之一。 13 4.2 胶体铅酸蓄电池胶体铅酸蓄电池 胶体蓄电池是对液态电解质的普通铅酸蓄电池的改

40、进。它采用凝胶状电解 质，内部无游离的液体存在, 在同等体积下电解质容量大，热容量大，热消散 能力强，能避免一般蓄电池易产生的热失控现象；电解质浓度低，对极板腐蚀 弱；浓度均匀，不存在酸分层的现象。 上述改进使其在多项重要性能优于阀控式铅酸免维护蓄电池，例如：使用 性能稳定，可靠性高，使用寿命长，对环境温度的适应能力（高、低温）强， 承受长时间放电能力、循环放电能力、深度放电及大电流放电能力强，有过充 电及过放电自我保护，电池在 100%放电后仍可继续接在负载上，在几周内充电 仍可恢复至原容量等等优点。 4.3 镍氢蓄电池镍氢蓄电池 镍氢蓄电池（ni-mh）是九十年代涌现出的电池家族中新秀，发

41、展迅猛。ni- mh 电池的电极反应为： 正极：ni(oh)2+oh-= niooh+h20 +e- 负极：m+h2o+e=mhab+oh-ni(oh)2+m=niooh+mhab 它和镍镉蓄电池同属碱性蓄电池，只是以吸藏氢气的合金材料（mh）取代 镍镉蓄电池中的负极材料镉 cod、电动势仍为 1.32v。它具备镍镉蓄电池的所有 优异特性，而且能量密度还高于镍镉蓄电池。主要优点是：比能量高（一次充 电可行使的距离长） ；比功率高，在大电流工作时也能平稳放电（加速爬坡能力 好） ；低温放电性能好；循环寿命长；安全可靠，免维护；无记忆效应；对环境 不存在任何污染问题，可再生利用，符合持续发展的理念

42、。但是，ni-mh 蓄电 池成本太高，价格昂贵。 4.4 锂离子电池锂离子电池 锂是世界最轻的金属，构成电池时，输出电压近 4v。锂离子电池是 1990 年 由日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池。其优点是比能量高，是当前 比能量最高的蓄电池。已经在便携式信息产品中获得推广应用。1995 年，索尼 公司又开发成功用于电动车的锂离子蓄电池，共分两种类型：一种是用于纯电 动车（ev）容量为 100ah 的圆柱形单体电池，称为高能型锂离子蓄电池；另 一种是用于混合动力车（hev） ，容量为 22ah，8 只串联成电池模块，但其输 出功率为前者的 2.7 倍，称为高功率型锂离子电池。高能型电池已于

43、 1996 年装 在日产汽车公司开发的第一辆锂离子电动汽车上（日产 al-travel） ，在北京第一 届国际电动车展览会上展出。该车一次充电可行驶 200km，最高时速 120km/h。 14 锂离子电池被普遍认为具有如下的优点：比能量大；比功率高；自放电小； 无记忆效应；循环特性好；可快速放电，且效率高；工作温度范围宽；无环境 污染等，因此有望进入 21 世纪最好的动力电源行列。预计在 20062012 年期 间，当锂离子电池进一步发展时，mh/ni 蓄电池的市场份额将缩小。锂离子市 场份额将会扩大。目前也已经有采用锂离子蓄电池的电动自行车产品出售。 由于镍氢蓄电池和锂离子蓄电池是绿色蓄电

44、池，不会因废弃造成二次污染， 容易被政府环保部门接受，并且有较好的出口前景，目前虽然价格比较贵，仍 有较大降价空间，应该大力提倡。10 经过对目前市场上的几类蓄电池的比较发现：镍氢蓄电池和锂离子电池虽 然具有很多优点但是价格昂贵，全密封免维护型铅蓄电池具有电压稳定性好和 进行大电流放电特点，是目前仍在广泛使用的蓄电池，所以本次设计仍采用铅 蓄电池。 4.5 蓄电池的相关参数：蓄电池的相关参数： cca（cold cranking amperage）冷启动安培值（电流） ，以安培为单位， 在-18的情况下放电 30s，且电压保持在 7.2v 以上，蓄电池所能输出的电流。 ca（cranking

45、amperage）启动电流,以安培为单位，在 0的情况下放 电 30s，且电压保持在 7.2v 以上，蓄电池所能输出的电流。 rc（reserve capacity）储备电量，以分钟为单位，在 27的情况下， 电池以 25a 的额定电流输出，且电压保持在 10.5v 以上所持续的时间。 5 太阳能电池板和蓄电池的选用太阳能电池板和蓄电池的选用 太阳能电池板和蓄电池是本系统中关键部分，下面就它们的选用作以简单 的分析。 5.1 蓄电池的选用蓄电池的选用 电动自行车车用电机功率大多在 150w180w 之间，采用 48v/36v 电池 供电。正常工作时，额定电流在对 48v 电机是 34a（或对

46、36v 电机 4.55a） 。短时间工作电流可达 8a（10a） ，当电机停止转动时，瞬间电流可 达 1315a。 由于电动车一天要工作时间较长，估计电动车蓄电源须具有 15h 的供电能 力，且按 80%的放电率计算，则蓄电池的容量为： )(75 8 . 0 415 ahitq xxx （1） 式中：为蓄电池容量，为蓄电池放电时间，为设备工作电流。 x q x t x i 15 根据电动车 48v 的额定工作电压应选用 4 块 12v/50ah 全密封免维护铅酸 蓄电池并联，然后蓄电池输出的电压经过 dcdc 直流升压电路，由于 lt3782 的输入电压范围为 6 40v，并可在输入 10 3

47、6v 的电源电压时，以高 达 96%的效率在 2 到 4a 负载电流情况下提供稳定的 50v 输出电压为电动机供 电。采用全密封免维护型铅酸蓄电池在电池的整个使用寿命期间，无需添加水， 调整酸相对密度等维护工作，具有免维护功能，不漏液，无酸雾，不腐蚀设备， 结构紧凑，密封良好，抗震动，比容量高，电池使用寿命长等优点。 5.2 太阳能电池板的选用太阳能电池板的选用 由于太阳能电池组件离不开光照须计算等效的峰值日照时数： 全年峰值日照时数为: 1800000.0116=2088 小时 0.0116 为将辐射量(卡/cm)换算成峰值日照时数的换算系数: 峰值日照定义: 100 毫瓦/cm=0.1 瓦

48、/cm 1 卡=4.18 焦耳=4.18 瓦秒 1 小时=3600 秒 则: 1 卡/cm=4.18 瓦秒/卡/(3600 秒/小时0.1 瓦/cm)=0.0116 小时 cm/卡 于是: 180000 卡/cm年0.0116 小时 cm/卡=2088 小时/年 平均每日峰值日照时数为：20883655.72 小时/日 有日照时，要求太阳能电池供给设备用电，同时给蓄电池充电。如按 10h 充电计算，充电电流为： )(5 10 50 a t q i x x c （2） 式中：为充电电流，为蓄电池容量，为充电时间。 c i x q x t 由此可计算太阳能电池应提供的总电流为： )(945aiii

49、 sc （3）计算中，加上 30%的余量，则要求太阳能电池提供的输出功率为： )(561)3 . 01)(wivp g （4） 式中: 为太阳能电池提供的输出功率；为设备工作电压。 p g v 就是按照这样的计算，需要在没有蓄电池的情况下给电动车供电应使用功 率为 48v/561w 的电池板，但是目前的太阳能电池板无论从重量上、在电动车 上安装后的面积上还是转换效率上都不能很好的满足要求。 太阳能电池板每平方厘米的开路电压为 0.5v0.6v，产生的电流为 20ma25ma。太阳能电池板的光电转换效率在 16%20%，最大可达到 16 25%。4由于光电驱动电动车中所用的太阳能电池组件力求产生

50、的功率最大化， 经过估算在电动车上可以安装至少大约 0.4 平方米的太阳能电池板。我们采用 lts-20 型太阳能电池组件，其面积约为 0.18 平方米，其峰值功率为 20w，峰 值电流为 1.12a，峰值电压为 18v。我们可采用两块进行并联，则总功率为 40w，电压约为 18v。 太阳能电池板的输出电流为： a v w u p i3 . 2 18 40 （5） 由于本设计的光电转换旨在对原有的蓄电池基础上加上太阳能电池组件以 最终提高电动车的行驶里程。按照上面所设定的满负荷工作状态，加上光电转 换系统之后理论上可在原来基础上增加一定的行驶距离： %1 . 7 561 40 p p p （6

51、） 相当于在原有行程基础上增加了大约 7.1%的行程。 根据以上计算，可选用全密封免维护型铅酸蓄电池 4 块 12v/50ah 进行并 联，18v/20w 的太阳能电池板两块。 6 pwm 调速与回馈制动调速与回馈制动 pwm 调速与回馈制动技术最终都是通过无刷直流电动机来实现的，而无 刷直流电动机的本质是自同步运行的永磁同步电动机，由永磁同步电动机、转 子位置传感器和控制驱动电路三部分组成。无刷直流电机采用逆变电路驱动， 进行电子换向，具有没有换向火花、抗干扰性强、运行可靠、维护简便、使用 寿命长等优点。 6.1 直流电动机电枢的直流电动机电枢的 pwm 调速原理调速原理2 众所周知，直流电

52、动机转速 n 的表达式为： k iru n （7） 式中：u 为电枢端电压；i 为电枢电流； r 为电枢电路总电阻； 为每极磁通 量；k 电动机结构参数。 由上式可得，直流电动机的转速控制方法可以分为两类：对励磁磁通进行 17 控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控制法。其中电枢控制法应用 的比较多。 绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器 件工作在开关状态，通过脉宽调制 pwm 来控制电机的电枢电压，实现调速。 其 pwm 调制原理图和输入输出电压的波形如图 15 所示。当开关管的栅极输入 高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压 us。 t1时间后

53、栅极 输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢绕组两端电压为 0。t2时间后栅极输 入又变为高电平，开关管重复前面的过程。电动机的电枢绕组两端电压平均值 uo为： ss s o uu t t tt ut u 1 21 1 0 （8） 式中 为占空比。 的变化范围为 01。当电源电压不变的情况下， 电枢的端电压的平均值 uo取决于占空比的大小。改变 值就可以改变端电压 的平均值，从而达到调速的目的，这就是 pwm 调速原理。 123456 a b c d 654321 d c b a title numberrevisionsize b date:28-may-2009sheet of file:

54、e:二二二 二二protel二二二二二二二.dd bdrawn by: v d2 二二二二二d1 ui us （a）pwm 调制原理图 （b）电机绕组输入输出电压波形 图 15 pwm 调速控制原理及电压波形图 6.2 回馈制动的控制原理回馈制动的控制原理15 回馈制动的控制原理是升压斩波，即在一个 pwm 周期内，当 t0t1 时绕 组电感积蓄磁场能量，导致回路电流上升，此时的系统状态称为续流状态；那 18 么当 t1 t2时，定子绕组电感放电，向蓄电池充电，导致回路电流下降，称为 充电状态。如图 16 所示。 图 16 一个 pwm 周期内的电流波形 半桥调制控制系统主要由蓄电池、逆变电路

55、、无刷直流电动机和系统控制 单元等几部分组成，图 17 所示为电路连接图。图 17 中 t1t6为功率开关器件， d1d6 为续流二极管。回馈制动期间，采取两两导通的方式，在三相桥式电路 中，每一瞬间将有 2 个功率管导通，每隔 60换相 1 次，具体换相时刻根据电 动机的位置传感器 hall 信号进行判断，每次换相时一个导通的功率管被分断， 而另外一个桥臂上原先分断的功率管导通，即桥臂之间进行轮流换相，每个功 率管导通 120，且作 pwm 运行，如图 17 所示。 图 17 半桥调制控制原理图 回馈制动只有处于相同半桥上的三个元件有 pwm 开关动作,而另半个桥上 的三个元件则总是截止的。

56、现以对下半桥进行 pwm 控制为例,当某相反电势为 正向最大的 120电角度的区间内,对该相的下桥臂开关元件进行 pwm 控制,则 可以产生可调的制动电磁转矩。 当电机转速低于额定转速，或电机电源切断后，由于惯性的作用，电动机 仍要继续旋转，这时的电动机就变成一台减速的发电机，电枢绕组中同样会产 生电动势。在发电状态下，利用控制器的控制信号将功率主电路中上半桥功率 管 t1，t3，t5 全关闭，而下半桥功率管 t2，t4，t6 分别按一定规律进行 pwm 控制。因上半桥续流二极管的存在，其等效电路如同一个半控整流电路。 因电动车电源是蓄电池，电机在进入发电状态时，其发电电压必须高于蓄电池 电压

57、才能输出电功率，采取的控制方法是半控整流的 pwm 升压原理。电机低 转速时，控制器控制 t2，t4，t6，使其按规律作 pwm 工作，以产生泵升电压。 当泵升电压高于蓄电池端电压时，输出电能。这里，选择 t1 和 t6 导通区间进 行分析，在发电运行时，t1 和 t6 并不导通，而是 t4 导通，且处于脉宽调制 19 工作状态。 图 18pwm 与 hall 信号的对应关系 半控整流的 pwm 升压工作原理其实就是升压斩波。在一个 pwm 周期内， 当 t4 打开时，绕组电感积蓄磁场能量，导致回路内电流上升；当 t4关断时， 绕组电感向蓄电池充电，导致回路电流下降。在这一过程中，通过选择合适

58、的 pwm 占空比 ，可在蓄电池两端获得 uocun （uoc 为蓄电池内电压，un 为 充电回路电压） ，从而实现能量回馈。等效原理图见图 19 所示。 图19 回馈制动等效电路 回馈制动实质就是在 t4 导通时，电机机械能转换为磁场能量储存在电机 绕组中；在 t4 截止时，将电机的机械能及储存在电机绕组中的磁场能量转换 为电能，经电感升压斩波作用，将能量回馈给蓄电池。由于电枢电流方向与反 电势方向相反，故电机获得制动转矩 t。 令 uba=0，i=-ia=ib，可得回路的电压方程为： 0)(2)(2 ba eeri dt di tl （9） 回路电流为： (0tt1) t tl r bab

59、a e r ee i r ee ti 2 )0( 2 )( （10） 20 则从 t0 导通至 t1 截止时，存储于电机电感 2（l-t）的磁场能量为: idtreeedtiuw t ba t 11 00 11 2 （11） 式中：w1为 t0-t1 期间内由动能转化的电磁能。 当电流 i0 增加到 i1 时，t4 关断；在t1，tpwm内，t4 截止，其工作流程 为：a 相绕组vd1蓄电池vd6b 相绕组a 相绕组，通过续流作用向 蓄电池充电，电机电感释放磁场能量。当不考虑电流 i 和 uab的脉动，且忽略电 阻 r 时，由上式可得： pwm ba ab d ee u 1 )( （12） 式

60、中：dpwm=t1/tpwm。 控制 dpwm 的大小，即可使蓄电池两端的电压 uabud。控制器以闭环控制 方式自动调整 dpwm，使 uab 不超过蓄电池的上限电压，发电电流不超过蓄电池 允许的上限电流。基于上述原理，在不改变硬件电路的情况下，通过改变 pwm 脉冲的控制方式可实现电动车的能量回馈制动。在电动车减速、下坡限 速时，采用对 t2，t4，t6 进行 pwm 调制，而使 t1，t3，t5 保持截止，以构 成 boost 升压斩波电路，从而实现能量回馈。 7 总体电路设计总体电路设计 本设计总电路是以太阳能电池组件为基础的光电转换电路。通过防过充电 路可以有效的保证蓄电池的正常使用