汽车自动车位锁电池管理系统设计和实现 电气工程管理专业

汽车自动车位锁电池管理系统设计要随着我国经济的发展,特别是在一些大城市,汽车已进入平常百姓家,汽车的拥有者越来越多,也造成了停车难的局面。一种新型的，具备遥控操作以及自动化功能的车位锁已成为车主们必备的消费品。本文针对现有汽车自动车位锁的电源管理系统，介绍了多款汽车自动车位锁的电池管理系统，分析了它们的优缺点，并在它们的基础上，吸收其优点，弥补其缺点，并结合了光伏电池板与锂电池的新兴技术，设计了一款新型的汽车自动车位锁的电池管理系统，具有节能环保、结构简洁的优势。同时针对所设计系统设计了验证实验与锂电池充放电实验，两个实验证实了该新型汽车自动车位锁的电池管理系统的可行性，并指出太阳能充电仅能作为车位锁电源浮充使用。受实验条件限制，本文仅对该汽车自动车位锁电池管理系统进行了理论上的设计与研究。关键词：车位锁，电池管理系统，光伏电池板，锂电池iDesignontheBatteryManagementSystemofAutomaticparkinglockAbstractAsthedevelopmentofChina'seconomy,especiallyinsomelargecities,thecarshaveenteredthehomesofordinarypeople,increasingthenumberofcarshascausedthedifficultparkingsituation.Anewtypeofparkinglockwiththeremotecontrolfunctionandtheautomationfunctionhasbecometheessentialconsumergoodsforthecarowners.Thisarticleisbasedontheexistingbatterymanagementsystemofautomaticparkinglock,describesavarietyofthebatterymanagementsystemsofautomaticparkinglock,analyzestheiradvantagesanddisadvantages,andbasesontheirdesign,Absorbstheiradvantages,makesupfortheirshortcomings,combineswiththeemergingtechnologiesofthephotovoltaicpanelsandthelithiumbattery,designsanewtypeofthebatterymanagementsystemsofautomaticparkinglock,thesystemhastheadvantagesofenergysaving,greenandsimplestructure.Atthesametime,basedonthebatterymanagementsystem,thearticledesignstheexperimentofvalidationandtheexperimentofthelithiumbatterychargeanddischarge,theseexperimentsprovedthefeasibilityofthebatterymanagementsystem,andthephotovoltaicpanelscanonlymakeasupplementforthepowercharging.Receivetherestrictionofexperimentalconditions;thisarticlehascarriedonthetheoryofdesignandresearchonlytothebatterymanagementsystemofautomaticparkinglock.KeyWords：Parkinglock;BatteryManagementSystem;PVpanels;Lithiumbatteryii毕业设计（论文）报告纸目录摘要 ⅰAbstract ⅱ第一章绪论 11.1课题研究的背景和意义 11.1.1汽车车位紧张现状 11.1.2太阳能开发与利用 21.2国内车位锁供电系统现况 41.2.1国内光伏电池产业发展现况 41.2.2国内电池管理系统发展现况 5第二章光伏电池与锂电池 62.1光伏电池的原理与特性参数分析 62.2锂离子电池的原理与特性参数分析 132.3光伏电池对锂离子电池充电技术概述 17第三章车位锁电池管理系统设计 193.1现有车位锁电池管理系统设计介绍 193.2经改良后车位锁电池管理系统设计 333.2.1光伏电池板 343.2.2保护电路 353.2.3锂电池 373.2.4验证实验 383.2.5锂电池充放电实验 43第四章总结与展望 524.1全文总结 524.2存在问题与进一步研究设想 53参考文献 54iii毕业设计（论文）报告纸致谢 56iv毕业设计（论文）报告纸第一章绪论1.1课题研究的背景和意义1.1.1汽车车位紧张现状城市住宅小区停车难的问题成为最近几年人们关注的焦点，这是因为小区内现有停车位已经远远不能满足业主的停车需求，其中问题产生的根源之一就是规划的预留车位不足。我国1994年施行的《城市居住区规划设计规范》GB50180-93中，没有关于小区停车位的硬性规定。根据时代现状，建设部在2002年对《城市居住区规划设计规范》GB50180-93进行了局部修订，自2002年4月1日起施行的新《设计规范》要求居住区内必须配套设置居民汽车（含通勤车）停车场、停车库，居民汽车停车率不应小于10％；居民区内地面停车率不宜超过10％；居民停车场、库的布置应留有必要的发展余地。然而，由于家庭汽车拥有量不断增长，小区内停车位需求紧张问题新《设计规范》也难以完全解决，由于停车难问题，物业管理企业与业主的矛盾不断激化，使业主之间的邻里关系受到影响。目前小区停车问题已经被认为是物业管理企业、业主、街道、居委会、交通管理部门甚至是司法部门裁决过程中共同面临的无解难题。最近几年，关于停车位的纠纷不断发生，而其中最常见的事情就是在各地住宅小区的车位纠纷，以北京举例，北京八成以上的小区目前都存在车位纠纷问题。而导致停车位纠纷的大致原因有以下几种：（1）由于车位收费价格过高导致的纠纷小区业主购买或租用停车位要支付一定数额的费用，然而在停车位的购买和使用过程中总会爆发出一些争议。首先，是业主对于高价购买车位的质疑。据统计，在几年前，花10多万元就可以买一个车库，同时库里空间还可以放一些杂物，这对一些车主来说是可以接受的。但是如今，伴随着房价的不断攀升，车位的价格让大多数人觉得有些高得“离谱”—一个13平方米左右的车位价格最少16、17万元，最高竟达到近40万元，而这个价格是一辆中档家用汽车价格的数倍之多，这让不少既买了新房又买了车的消费者感到囊中羞涩。第二，在北京市出台的《关于加强居住小区机动车停放收费管理的通知》当中规定，地面停车位租金的收取有上限（150元/月），但是地下车位租金收取的金额是靠市场调节的，依靠开发商与-1-毕业设计（论文）报告纸业主之间协商来确定收费，没有政府部门的相关规定对其约束，这里正是车位纠纷问题产生的焦点之一。最后，有些地方政府规定了虽然限制了地下停车位的租金上限，但是相对于很大一部分的业主来说，依然价格很贵。（2）由于物业服务管理不到位产生的纠纷关于车位管理，从物业企业的管理角度来讲，还是有不少值得商榷的地方，比如对停在车位上车辆的安保问题，停车位的划线的规范问题、停车场地的如照明、监控设施等基础设施的维护等问题。日前，哈尔滨市民邹某将公司轿车停放在居住的小区内，车辆遭遇盗窃，他将责任归咎于物业公司疏于对停车位的管理，诉至法庭要求物业公司赔偿损失52,873元[1]。然而物业公司认为，他们虽然对邹某发放了停车证，但双方之间并没有形成保管关系。其停车证背面所示，停车费性质是场地使用费，与车辆管理与看护无关，造成这一问题的关键是由于双方对停车费的服务范围理解不一致。另外，物业企业对于停车管理的水平落后，监控设备过于老化简陋，遇到问题就推卸责任的态度也是其与停车业主发生矛盾纠纷的一大因素。（3）由于业主间不文明争抢车位造成的邻里纠纷不少人的不文明停车习惯也是导致停车难的直接原因。有的业主随意停放私家车抢占他人车位；有的业主将车胡乱停在草坪上，侵占绿地，破坏绿化；有的业主将车停放消防通道上，侵占消防通道，一旦突发事故，消防车、急救车等救援车辆都不能及时赶到，更有甚者将车直接停堵在小区出口处，致使小区内车辆正常出入遭到严重干扰，以上的事例在现实中发生不在少数。这些行为所导致的直接后果就是不断的邻里冲突，打乱小区生活的正常秩序，小区的和谐环境被严重破坏。总之，停车位紧张所造成的社会问题不可小视，需要引起各方面的重视[2]。1.1.2太阳能开发与利用能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础，21世纪，世界能源结构发生了巨大变革。当前，包括我国在内的绝大多数国家使用的能源主要都以石油、天然气和煤炭等矿物燃料为主。随着全球环境的不断恶化，矿物燃料日益枯竭，矿物能源(如煤、石油、天然气等)的供给出现严重短缺的局面，世界开始将能源发展的重心转向可再生能源的发展。目前，许多国家都在探索能源多样化的可能途径，积极研发新能源和对可再生能源的研究开发工作。大规模的开发利用新能源与可再生能源，试图以资源无限、清洁干净的可再生能源为主的多样性-2-毕业设计（论文）报告纸的能源结构代替以资源有限、污染严重的石化能源为主的能源结构己成为世界能源开发的新方向。虽然在很长的一段时间内，传统能源如煤炭、石油、天然气等矿物燃料，仍会在世界能源结构中占有相当大比重，但世界对核能以及太阳能、风能、地热能、水力能、生物能等可再生能源资源的利用日益重视，可持续能源整个能源消耗中所占的比例正明显地提高。在可预见的将来的一段时间内，可再生能源将与矿物燃料相抗衡，结束矿物燃料一家独大的局面。其中，可再生能源主要有以下几种：（1）太阳能：由天文物理学家的研究表明，太阳系可以继续存在45亿年，而太阳每年辐射到地球的太阳能总量相当于人类现在能源消耗的1.2万倍。这说明，太阳能的储备量丰富，具有极大的开发价值。（2）氢能源：利用自然界现有大量存在的水，由电解水的方式产生氢气，或者利用太阳能，使用光催化水分解为氢气。（3）风力发电、小水电与潮汐发电：利用风能，水的势能，推动发电机运行发电，可提供可观的电力。（4）生物能：生物能是以生物为载体将太阳能以化学能形式贮存的一种能量，它直接或间接地来源于植物的光合作用，其蕴藏量极大。而生物能中城市垃圾的转化、人类粪便的转化的能源部分原本是人类的废弃物所转化过来的，只要有人类的存在，就会有生物能，所以这种能源也可以说是用之不竭的。（5）核能：与利用传统能源发电的发电厂相比，核电站利用核能的利用率较高，同时对环境造成的污染危害较少，并且使用传统燃料的成本远远高于使用核燃料的成本，而传统能源所释放出来的能量却远远低于核燃料所释放出来的能量，所以核能的优势也十分明显。在这几种新能源中，太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，与其他新能源相比可利用率最大，同时污染也相对很少，是最理想的可再生能源。特别是近五十年来，随着科学技术的不断进步，太阳能的利用效率越来越高，太阳能及其相关产业已经成为世界现在发展最快的行业之一[3,4]。之所以其有巨大开发价值是因为它具有以下的特点：（1）存储量巨大：太阳能是取之不尽用之不竭的可再生能源，有巨大的可利用量。太阳放射的总辐射能量大约是3.75x1026W，这是极其巨大的能量。这些能量中到达地球的能量高1.73x1014Kw，最后穿过大气层到达地球表面的最终太阳辐射能大约为8.1x1013kW。在最3-毕业设计（论文）报告纸终到达地球表面的太阳辐射能之中，最后到达地球陆地表面的太阳辐射能大约为1.7x1013W，相当于现在全世界一年内消耗的排除太阳能外所有能源所产生的总能量的35000多倍。而太阳至少还会存在40亿年，相对人类历史的长度来说，太阳可源源不断对地球供给能源的时间可以说是无穷无尽的[5]。（2）取之不尽，用之不竭，不需要额外的开采和运输。（3）清洁污染少，基本没有污染物质的排放，既不会留下污染残留物，也不会向大气中排放有害废气。1.2国内车位锁供电系统现况1.2.1国内光伏电池产业发展现况[6,7]我国的太阳能应用起步较晚，但是发展速度很快。我国的光伏电池技术是从60年代发展空间用太阳能电池开发起步的，地面用光伏电池的生产是从1970年初开始，在80年代中期，主要的生产低成本技术以及加工生产能力被建立起来。80年代中期，我国对于光伏电池组件总生产能力已经达到4.5MW，光伏产业已经初步形成。在随后的十年过程中，我国光伏发电技术有了长足的进步，光伏电池光电转换效率不断提升。在90年代初中期，我国的光伏产业已经处于较为稳定的发展时期，光伏电池产量逐年稳步递增。“九五”期间，太阳能屋顶系统被国家科委列入了国家科技攻关计划，企业界首先于深圳和北京分别建成了17KW和7KW功率的光伏发电屋顶系统。1999年之前，我国主要的光伏电池产品以单晶硅电池和非晶硅电池居多，多晶硅电池只限于实验室中研究，但到了2000年之后，多晶硅产品开始从实验室逐步走出，进行了产品化，并逐渐形成规模生产，在与发达国家的开发技术相比，差距开始不断缩小。2003年10月，国家发展改革委员会与科技部为了促进光伏技术和其产业的发展，联合制定了未来五年太阳能资源研究开发计划，发改委所主导的“光明工程”项目将筹集100亿资金用于推广太阳能光伏发电技术的应用，该项目计划到2005年全国光伏发电系统总体装机容量能达到300MW。直至2003年底，我国光伏产业总生产能力已经达到38MW，太阳能电池和组件的实际发电产量也达到13MW。而在市场部分，直至2003年底，我国光伏系统累计装机容量已经达到45MW。2004年，亚洲最大并网太阳能光伏发电站在我国深圳建成，电站总容量达1MW，年发电能力约为100万KW*h；2008年我国举办北京奥运会，国家计划将太阳能光伏发电技术融入奥运建筑之中，各个奥运建筑将很大范围的采用太阳能等绿色能-4-毕业设计（论文）报告纸源开发应用技术，而绿色能源的应用正符合了绿色奥运的意义；国家为鼓励可再生能源开发利用，于2005年2月28日第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议通过了《中华人民共和国可再生能源法》该法自2006年1月1日起正式施行。我国光伏产业的发展满足了国内市场需要和提高边远无电地区人民的生活水平质量及特殊工业生产应用的需求。但是，在同发达国家相比还是存在相当大的差距。首先，我国生产规模同国外相比规模较小，自动化水平也比较低；第二，用于生产光伏电池的原材料国产化程度同样不高。故我国光伏产业无论在国内还是国外市场上仍然面临着严峻的挑战。1.2.2国内电源管理系统发展现况在电源管理系统的发展上，国外技术较为领先，其较典型的电源管理系统及功能特点如下[8]：（1）EV1BMS系统，其功能和特点包括：单个电池的电压检测；可分流采集电池组的电流；具有过放电报警系统；与高压断电保护功能；还具备电量里程预算功能等。（2）SmartGuard系统，其主要特征是采用分布式的方法采集电池的温度和电压。主要功能包括：自动过充电监控；记录电池历史数据；提供最差单体电池的信息等。（3）BatOpt系统，其为一个分布式系统，包括中心控制单元（MCU）和监控模块。监控模块通过twowire总线，向MCU传输每个电池的工作信息，MCU在收集信息后，对电池进行优化控制。（4）BADICOaCH系统，其主要特点为：使用一非线性电路来测量每个电池单元的电压，并通过一条信号线将各个单体电池电压传输给系统；显示最差单体电池的SOC；存储历史充放电周期数据，并且通过这些数据判断电池的工作状况，快速检索电池错误使用情况等。（5）BATTNIANBMS系统，其强调不同型号动力电池组管理的通用性，其最大特点是：通过改变硬件的跳线和在软件上增加选择参数的方法，来管理不同型号的电池组。我国在“十五”期间设立电动汽车重大研究项目，积极推进电源管理系统的研究、开发和工程化应用，取得了一系列的成果和突破，与国外水平较为接近。目前主要是一些高校依托自己的科技优势，联合一些大的汽车生产商和电池供应商共同进行了如下的研究[9]：（1）电池动态参数采集的稳定性和精度的提高；（2）车载电池SOC的估测；（3）电池模型的研究；-5-毕业设计（论文）报告纸（4）电池组均衡控制的研究；（5）电源控制系统与充电机CAN通讯，实现协调控制和优化充电；（6）车载电池组箱体空间和机械结构设计及合理的散热控制；（7）电池故障分析与在线报警、电源控制系统自检及处理。第二章光伏电池与锂电池2.1光伏电池的原理与特性参数分析太阳能光伏电池表面有一层金属薄膜似的半导体薄片。当太阳光照射时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子--空穴对。这样，光能就以产生电子--空穴对的形式转变为电能。金属薄膜和薄片的另一侧之间将产生一定的电压，这一现象被称为光伏效应。太阳能光伏电池正是利用光伏效应将光能转化为电能的一种装置。对于半导体P-N结，光伏效应变得更明显。因此，太阳能光伏电池基本是由半导体构成的。太阳能电池的基本结构相当于一个大面积二极管，其基本特性也与二极管类似。当用适当波长的太阳光照射到半导体上时，光能被半导体吸收后，在导带和价带中产生非平衡载流子--电子和空穴。半导体内在P型和N型交界面的两边形成势垒电场，能使电子驱向N区，空穴驱向P区，因而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，从而使在P-N结附近形成与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场除抵消势垒电场外，一部分还使P型层带正电，N型层带负电，在N区与P区之间的薄层中产生光生伏特电动势。如果依次在P型层和N型层接上金属引线，与负载接通，那么外电路便会有电流通过。这样形成的一个个电池元件，如果把它们串联、并联起来，就能输出一定的电压、电流和功率。这样，太阳的光能就直接变成了可付诸实用的电能。另外，在受光面上，覆盖着一层很薄的天蓝色氧化硅薄膜以减少入射太阳光的反射，提高太阳能电池对于入射光的吸收率[10]。图2.1即表示了光伏电池的基本原理。-6-毕业设计（论文）报告纸图2.1光伏电池原理图目前，有很多材料可以被用来制作太阳能光伏电池的半导体层，但是能够达到高能量转换效率的光伏材料并不是很多。全世界研究与应用的光伏材料主要包含了单晶硅、多晶硅、砷化镓晶体材料以及非晶硅、磅化锡等薄膜材料。从对太阳光能吸收效率、光电能量转换效率、材料制造技术是否成熟以及对制造成本的控制等多个因素来看，每种太阳能光伏材料各有其优缺点。光伏电池主要可以分为硅光伏电池和化合物半导体光伏电池两大类。（1）硅光伏电池硅是我们所在地球上第二丰富的元素，并且没有毒性。用它制作的光伏电池效率也很高，所以硅是最适于制作光伏电池的半导体材料。1999年世界上光伏电池年产量约为120MW，其中99%以上为硅光伏电池。在硅光伏电池中又可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅这三种光伏电池。单晶硅和多晶硅光伏电池是对P型(或N型)硅基片经过磷(或硼)扩散做P-N结而制得的。硅系列光伏光伏电池中，单晶硅光伏电池转换效率最高，技术最成熟(其生产一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术)，使用寿命也最长[11]。但单晶硅光伏电池成本高，而且限于单晶的尺寸，单片光伏电池面积难以做得很大。多晶硅光伏电池成本比单晶硅光伏电池低，同时单片电池也可以做得更大，但是光电转换效率比单晶硅电池低。单晶硅光电转换效率大约为13%-15%，多晶硅光电转换效率大约为11%-13%。由于非晶硅材料对太阳光的吸收系数大，故非晶硅光伏电池可以做得很薄，一般是单晶硅或多晶硅电池的1/500，所以制作非晶硅光伏电池消耗资源少。但是与其他晶体硅光伏电池相比光电转换效率比较低，目前光电转换效率大约为8%-10%，并且稳定性较差[12]。（2）化合物半导体太阳电池在化合物半导体光伏电池中，目前研究与应用较多的是GaAs，InP，CuInSe2和CdTe光毕业设计（论文）报告纸伏电池。但是由于化合物半导体存在毒性，容易对环境造成污染，故产量较少，并常常被利用在一些特殊的场合。光伏电池是典型的非线性元件，现建立等效电路来阐述电池的工作状态，如下图：图2.2光伏电池的等效电路上图中，光伏电池等效电路由4个部分组成：电池的光电流Isc，P-N结的非线性电阻Rj，串联电阻RS，和旁漏电阻Rsh，R电池外的负载电阻。RS主要由电池的体电阻、表面电阻、电极电阻和电极与硅表面间接接触电阻所组成。Rsh为旁漏电阻，由硅片边缘不清洁或体内的缺陷引起。理想的光伏电池，RS很小，Rsh很大[13]。由于RS，Rsh分别串联与并联在电路中，进行理想计算时，可以忽略不计。当光照恒定时，由于光生电流Isc并不随着光伏电池的工作状态的变化而变化，故在等效电路中可以看作是一个恒流源[14]。光伏电池的两端接入负载R后，光生电流流过负载，从而在负载的两端建立起端电压V。负载端电压反作用于光伏电池的P-N结上，产生一股与光生电流方向相反的电流ID。电池的光电流Isc是当RL=0Ω时，所测的电池两端的短路电流。Isc的值与光伏电池的面积大小有关。面积越大，Isc值越大。此外对于同一块光伏电池，Isc值还与入射光的辐射度有关。一般来说，短路电流Isc值随照射到硅板上的光强的增加而成正比例的增加。当温度升高时，Isc值略有上升。当RL趋于无穷大时，测得的光伏电池两端的电压为电池的开路电压VOC。光伏电池的开路电压与光谱照度有关，当入射光辐射照度变化时，光伏电池的开路电压与入射光谱辐照度的对数成正比。此时流过负载的电流与输出电压的关系为：-8-毕业设计（论文）报告纸I=Isc-Ish-ID其中I--------流过负载的电流；Isc------与日照强度成正比例的光生电流；ID------流过二极管的电流；Ish------光伏电池的漏电流。而ID=Io(eq(V+IRs)/AKT-1)Io------光伏电池在无光照时的饱和电流，q-------电子电荷（1.6X10-19C），K-------波尔兹曼常数(1.38X10-23J/K)，T-------绝对温度（=t+273K），A------二极管曲线因素，称P-N结理想因子。综合公式(2.1)，(2.2)可得I=Isc-Io(eq(V+IRs)/AKT-1)-V+IRsRsh

(2.1)(2.2)(2.3)可以看出方程是一个超越指数方程，无法用线性方程表示，光伏电池阵列的I-V特性是系统分析最重要的技术数据之一。考虑理想情况，当RS→0，Rsh→∞，A=1时I=Isc-Io(eqV/KT-1)(2.4)当I=0时，可以得到光伏电池的开路电压V=KTln(Isc+1)(2.5)OCqIo受到光照、电池阵列结温及负载的影响，光伏电池输出电压和电流也随之发生改变[15]。一定光照强度下，光伏电池的输出电流I与电池端电压V的关系I-V特性曲线如图2.3所示：-9-毕业设计（论文）报告纸图2.3光伏电池的I-V特性关系曲线曲线上任何一点都可以作为工作点，工作点所对应的纵横坐标，即为工作电流和工作电压。工作电流和工作电压之乘积：P=IV即为电池的输出功率。由此可绘出P-V特性曲线如图2.4所示，在P-V特性曲线上最大功率点即电压和电流的最佳汇合点Pm。原则上讲，可对输出功率求导使其为0，即可得到该电池的最佳工作点Im，Um，从而求出最大输出功率：P=Im*Vm。但是要求出其解析解，几乎不可能。因为它受太阳能电池内部等效的串、并联电阻的影响，其特性方程由公式2.3可知一个超越指数方程，无法用线性方程表示，具有非线性。图2.4光伏电池的P-V特性关系曲线从图2.4可见，Im和Vm的乘积就是最佳工作点的纵横坐标所确定的矩形面积，在曲线范围内这个面积越大，表明电池的输出特性越优越。如果在一定光照下的I-V特性曲线是理想的矩形，那么Im和Vm乘积就等于Isc和VOC的乘积。对实际光伏电池，引人填充因子FF(Fillfactor)概念来表征光伏电池的这一特性，填充因子FF定义为：-10-毕业设计（论文）报告纸FF=Pmax=VmIm(2.6)VIscVIscOCOC它表示最大输出功率的值占以VOC和Isc为边长的矩形面积的百分比，填充因子是表征光电池的输出特性好坏的重要参数之一。它的值越大，表明输出特性曲线越“方”，电池的转换效率也越高。图2.5、图2.6分别是光伏电池阵列在温度为25℃时，不同日照(S)下表现出的电流-电压(I-V)和功率-电压(P-V)特性。从图2.5可知，光伏电池阵列的输出短路电流(Isc)和最大功率点电流(Im)随日照强度的上升而显著增大，也就是说式(2-3)中Isc强烈地控制着I的大小。虽然日照的变化对阵列的输出开路电压影响不是那么大，但对为电流与电压相乘的结果最大输出功率来说，变化显著，如图2.6中虚线与各实线的交点所示。图2.5不同日照条件下的I-V关系曲线 图2.6不同日照条件下的P-V关系曲线图2.7，图2.8分别给出了光伏电池阵列在日照射为1000W/m2，和在变化温度(T)的情况下，表现出典型的I-V和P-V特性。可以看出，温度对光伏电池阵列的输出电流影响不大，但对它的输出开路电压影响较大。因而对最大输出功率影响明显，见图2.8各实线的波峰的幅值变化。-11-毕业设计（论文）报告纸图2.7不同温度条件下的I-V关系曲线 图2.8不同温度条件下的P-V关系曲线综上，光伏电池板的输出特性具有以下特点[16]：（1）光伏电池的输出特性近似为矩形，即低压段近似为恒流源，接近开路电压时近似为恒压源；（2）开路电压近似同温度成反比，短路电流近似同日照强度强成正比；光伏电池板的输出功率随着光强和温度成非线性变化；（3）输出功率在某一点达到最大值，该点即为光伏电池板的最大功率点(MPP，MaximumPowerPoint)，且随着外界环境的变化而变化。评价一个光伏电池的优劣除了看它是否具有更高的光电转换效率外，还应参考系统在白天的工作效率。目前单晶硅光伏电池的光电转换效率约为14%，多晶硅光伏电池的光电转换效率约12%，非晶硅光伏电池的光电转换效率仅约为7%。但这并不意味晶体硅光伏电池能够比非晶硅光伏电池将更多的光能转换为电能。由于材料本身的特性不同，非晶硅光伏电池具有晶体硅光伏电池所不能相比的优点，即在阴雨天或沙尘天依然可以继续工作。而单晶硅光伏电池一般只能在晴天正午时具有光电转换能力[17]。在相同的工作时间内和相同的工作环境下非晶硅光伏电池比多晶硅光伏电池在能量损失方面控制得更好，特别是在正午12:00左右。另外，非晶硅光伏电池组件比多晶硅光伏电池组件有着更长的工作时间。以上非晶硅光伏电池组件的两个优点正是由于非晶硅光伏电池的弱光响应好所造成的，无论是强光还是弱光，无论是杂散光还是平行光它都能够吸收并转换为电能输出。毕业设计（论文）报告纸2.2锂离子电池的原理与特性参数分析锂离子电池的工作过程就是锂离子从一个电极脱嵌，嵌入另一个电极的过程。充电时，Li+从正极化合物中脱出并嵌入负极晶格，正极处于贫锂态；放电时，Li+从负极脱出并插入正极，正极为富锂态。为保持电荷的平衡，充、放电过程中应有相同数量的电子经外电路传递，与Li+一起在正负极间迁移、使正负极发生氧化还原反应，保持一定的电位。工作电位与构成电极的插入化合物的化学性质、Li+的浓度有关。以石墨/锂钴氧化物电池为例，充电时正极LiCoO2中的锂离子迁出，经过电解液，嵌入石墨的碳层间，在电池内形成锂碳层间化合物；放电时，过程刚好相反，即锂离子从石墨负极的层间迁出，经过电解液，进入正极LiCoO2中。C/LiCoO2电池的各电极反应和电池的反应分别为：负极：6C+xLi++xe-€LiC6(2.7)正极：LiCoO2€LixCoO2+xLi++xe-(2.8)总反应：LiCoO2+6C€LixCoO2+LiC6(2.9)下图为锂离子电池工作原理示意图[18]图2.9锂离子电池的工作原理示意图（a-原理图；b-示意图）-13-毕业设计（论文）报告纸图2.10锂离子电池结构示意图如其他电池一样，锂离子电池也由正极、负极、电解质、隔膜和电池外壳等几部分组成[19-21]。图2.10为锂离子电池结构示意图。目前市场上主要的高能小型蓄电池有镍镉电池(Ni/Cd)、镍氢电池(Ni/MH)以及锂离子电池(LIB)，三种蓄电池的主要技术指标如表2.1所示。表2.1三种电池主要技术特性比较技术参数Ni/Cd电池Ni/MH电池锂离子电池（LIB）聚合物锂离子电池（PLIB）工作电压（V）-3.73.6-3.7重量能量比5065100-160120-170充放电寿命（次）5005001000>1000自放电率（%/月）25-3030-356-9<3有无记忆效应有无无无有无污染有有无无目前研制和生产的锂离子电池主要具有以下几大特征：（1）高能量密度锂离子电池比能量已达140Wh·kg-1，是Ni/MH电池的1.5倍、Cd/Ni电池的3倍；在-14-毕业设计（论文）报告纸同等容量下锂离子电池的重量轻，其体积比能量是Ni/MH电池和Cd/Ni电池的1.5-2倍。（2）工作电压高由于锂离子电池使用高电负性的含元素锂的电极，使其端电压高达3.6V，这一电压是Ni/Cd或Ni/MH电池电压的3倍。（3）无污染，环保型锂离子电池中不含有镍、镉等有毒、有害物质，是绿色环保电池。（4）高负载能力锂离子电池可以大电流连续放电，从而使这种电池可被应用于摄像机、手提电脑等大功率用电器上。（5）无记忆效应锂离子电池不存在Ni/Cd电池的记忆效应，可以随时充放电。（6）优良的安全性由于使用优良的负极材料，克服了电池充电过程中锂枝晶的生长问题，使得锂离子电池的安全性大大提高。同时采用特殊的可恢复配件，保证了电池在正常使用过程中的安全性。同时，锂电池的充放电特性也与其他电池有所区别，现分别说明：（1）锂电池充电特性锂离子电池对电压精度的要求很高，误差不能超过1%。目前使用比较普遍的是额定电压3.7V的电池，该电池的充电终止电压为4.2V，那么允许的误差范围就是0.042V。锂离子电池通常都采用恒流转恒压充电模式。充电开始为恒流阶段，电池的电压较低，在此过程中，充电电流稳定不变。随着充电的继续进行，电池电压逐渐上升到4.2V，此时充电器应立即转入恒压充电，充电电压波动应控制在1%以内，充电电流逐渐减小。当电流下降到某一范围，进入涓流充电阶段。涓流充电也称维护充电，在维护充电状态下，充电器以某一充电速率给电池继续补充电荷，最后使电池处于充足状态。图2.11为锂电池充电曲线图。毕业设计（论文）报告纸图2.11锂离子电池充电曲线图（2）锂电池放电特性锂离子电池的放电特性曲线如图2.12所示。锂电池放电时，一是放电电流不能过大，过大的电流会导致内部发热，有可能会造成永久性的伤害。二是电池电压不能低于放电终止电压后，若仍然继续放电，将产生过放现象，这也会造成电池永久性损坏。不同的放电率下，电池电压的变化有很大的区别。放电率越大，相应剩余容量下的电池电压就越低。采用0.2Ｃ放电速率，单体电池电压下降到2.75V时，可放出额定容量。采用1C放电速率时，能够放出额定容量的98.4%。-16-毕业设计（论文）报告纸2.12锂离子电池放电曲线图光伏电池对锂离子电池充电技术概述光伏电池对锂电池的充电方法有很多种，现对恒流充电、恒压充电、恒压限流充电、两阶段、三阶段充电方法举例说明[22,23]。恒流充电就是以一定的电流进行充电，在充电过程中随着锂电池电压的变化要进行电流调整使之恒定不变。这种方法特别适合于有多个锂电池串联的锂电池组进行充电，能使落后的锂电池的容量易于得到恢复，最好用于小电流长时间的充电模式。这种充电方式的不足之处是，锂电池开始充电电流偏小，在充电后期充电电流又偏大，充电电压偏高，整个充电过程时间长，特别在充电后期，析出气体多，对极板冲击大，能耗高，其充电效率不足65%。为避免充电后期电流过大的缺点，一种改进型的恒流方法得到应用，它就是分段恒流充电，这种方法在充电后期把电流减小。具体充电电流的大小、充电时间以及何时转换为小电流，必须参照锂电池维护使用说明书中的有关规定，否则容易损坏锂电池。充电过程中电压、电流变化关系如图2.13所示。毕业设计（论文）报告纸图2.13恒流充电曲线图恒压充电就是指以一恒定电压对锂电池进行充电。因此在充电初期由于锂电池电压较低，充电电流很大，但随着锂电池电压的渐渐升高，电流逐渐减小。在充电末期只有很小的电流通过，这样在充电过程中就不必调整电流。相对恒流充电来说，此法的充电电流自动减小，所以充电过程中析气量小，充电时间短，能耗低，充电效率可达80%，如充电电压选择适当，可在8小时内完成充电。此法的充电特性曲线如图2.14所示，此法也有其不足之处：（1）在充电初期，如果锂电池放电深度过深，充电电流会很大，不仅危及充电控制器的安全，而且锂电池可能因过流而受到损伤。（2）如果锂电池电压过低，后期充电电流又过小，充电时间过长，不适合串联数量多的电池组充电。（3）锂电池端电压的变化很难补偿，充电过程中对落后电池的完全充电也很难完成。这种充电方式，在光伏小系统中常采用，由于其充电电源来自太阳能阵列，其功率不足以使锂电池产生很大的电流，所以在这样的系统中锂电池组串联不多。图2.14恒流充电曲线图毕业设计（论文）报告纸恒压限流充电方式是为克服恒压充电时初始电流过大而进行改进的一种方式。它是在充电电源与锂电池之间串联一限流电阻，当电流大时，其上的电压降就大，从而减小了充电电压；当电流小时，限流电阻上的电压降也小，从而加到锂电池上的电压也增大，这样就自动调整了充电电流，使之在某个限定范围内，这样在充电初期的电流就得到限制，虽然充电控制器输出是恒压，但加在锂电池上的电压不为恒压，因此也称这种方式为准恒压方式。这种采用串电阻限流的方式对于光伏系统来说，肯定是不实用的，因为串联电阻将消耗掉有限的电能。但如果采用其它非能耗限流方式，还是有其优越性。两阶段、三阶段充电方式是以克服恒流与恒压充电的缺点而结合的一种充电策略。它要求首先对锂电池采用恒流充电方式充电，锂电池充电到达一定容量后，然后采用恒压方式进行充电。这样锂电池在初期充电不会出现很大的电流，在后期也不会出现高电压，使锂电池产生析气。其充电特性如图2.15所示。在两阶段充电完毕，即锂电池容量到达其额定容量(当时环境条件下)时，许多充电控制器允许对锂电池继续以小电流进行充电，以弥补锂电池的自放电，这种以小电流充电的方式也称为浮充。这就是在两阶段基础上的第三阶段，但在这一阶段的充电电压要比恒压阶段的要低。如图2.15的虚线段Uf。图2.15两阶段、三阶段充电曲线图第三章车位锁电池管理系统设计3.1现有车位锁电池管理系统设计介绍随着我国经济的发展,特别是在一些大城市,汽车已进入平常百姓家,由于汽车的拥有者越毕业设计（论文）报告纸来越多,这使停车难的局面被造成了。为了使自己的车辆停放方便，一般拥有车辆的单位、公司或个人都在办公楼或居民小区购买有自己的停车车位。但当自己的车辆不在停车位上时,这些车位容易被路过临时停放的车辆占据,造成自己的车辆无处停放的局面。而车位锁解决了这个问题，成为了市场的宠儿。目前市场中车位锁种类繁多,以设计成导杆、滑块式结构的居多,这些结构的缺陷在于由于导杆易变形,会导致锁的升降困难,同时它们很少有设计成全封闭型,防水防撞性能较差。而且传统的车位锁以通过人工操作实现翻转臂的起落居多，这样会产生许多弊端，为了简化车位锁的操作，方便管理者统一管理，以达到高效的保护车位锁的正常工作的目的，市场急需一种具备遥控操作以及电动功能的车位锁，而具备遥控操作与电动功能的车位锁现在也层出不穷，而本论文此部分将着重分析现有自动车位锁电源控制部分设计，介绍其功能与优缺点。（1）由黄立金设计的一种新型汽车车位自动锁[24]其由压板（1）、活塞板（2）、活塞（3）、液体缸（4）、标志杆（10）、开锁开关（8）、复位检测开关（20）、活塞推动杆（14）、活塞缸（15）、推动活塞（16）、电磁阀（17）及控制电路组成。所述压板（1）装固在活塞杆（2）上；所述液压缸（4）通过连接杆（5）与活塞缸（15）相连，中间串联电磁阀（17）；所述标志杆（15）的上段设置太阳能电池板（9），中部设置有铰链（11），下部设置有驱动滑行槽（12），下端设置有拨块（19），活塞推动杆（14）端部的滑块（13）设置在驱动滑行槽（12）内。接收器（22）、电瓶（23）、继电器（24）设置在长方形地坑（18）内。其由于采用液压、机械、电路控制系统来操纵标志杆（10）的起落，达到自动关或开车位锁，所以使用方便，安全可靠，无需市电，广泛用于各种停车场。该车位锁由压板（1）、活塞板（2）、活塞（3）、液体缸（4）、标志杆（10）、开锁开关（8）、复位检测开关（20）、活塞推动杆（14）、活塞缸（15）、推动活塞（16）、电磁阀（17）及控制电路组成。其液体缸（4）设置在地面（7）下，位于车轮必经处，压板（1）装固在活塞杆（2）上，压板（1）与地面（7）平齐。液体缸（4）通过连接管（5）与活塞缸（15）相连，中间串联电磁阀（17），液体缸（4）中的高压油液（6）可通过连接管（5）流入活塞缸（15）。液体缸（4）右侧地面（7）下设置一个长方形地坑（18），坑的内表面采用金属板或水泥层面，长方形地坑（18）的底面设置一个复位检测开关（20）和复位弹簧（21），右侧面设置一个开锁开关（8），长方形地坑（18）上有一块盖板，用于防水。标志杆（10）的中部设置铰链（11），铰链设置在盖板上，标志杆（10）的上端设置有太阳能电池板9，为控制电路提供能源，板-20-毕业设计（论文）报告纸上可设置停车标志。标志杆（10）的下部设置一个驱动滑行槽（12），其下端设置有拨块（19）。活塞缸（15）的轴线与地面（7）平行，活塞推动杆（14）的端部设置一个滑块（13），滑块（13）可在标志杆（10）的下部的驱动滑行槽（12）内滑行，以推动标志杆（10）垂直放置或水平放置。其控制电路由开锁开关（8）、太阳能电池板（9）、电磁阀（17）、复位检测开关（20）、接收器（22）、电瓶（23）、继电器（24）组成，接收器（22）、电瓶（23）、继电器（24）设置在长方形地坑（18）中。接收器（22）分别与电瓶（13）和继电器（24）相连，电瓶（23）采用12伏与太阳能电池板（9）相连，开锁开关（8）和复位检测开关的（20）的一端分别与继电器（24）相连，另一端分别与电磁阀（17）相连，电磁阀（17）与接收器（22）相连。当设置有发射器的汽车来到距离车位2-3米时，接收器（22）收到发射器的信号，向电磁阀（17）通电，电磁阀（17）开启，汽车的车轮经过压板（1），压板（1）下的活塞（3）被汽车的重量压下，液体缸（4）中的高压油液（6），通过连接管（5）流向活塞缸（15），使推动活塞杆（14）向左移动，其上的滑块（13）在标志杆（10）下部的驱动滑行槽（12）内滑动，使标志杆（10）围绕铰链（11）转动，其下端将开锁开关（8）顶开，复位检测开关（20）闭合，电磁阀（17）断电并闭合，则汽车车位锁自动打开，则标志杆（10）由竖直与地面转向位于长方形地坑（18）中，汽车到达车位后，长方形地坑（18）位于汽车两轮之间。当汽车离开时，车轮经过压板（1），因电磁阀（17）关闭没有反应，汽车离开车位2-3米时，接收器（22）接收不到汽车上的发射器的信号时，继电器（24）自动对复位检测开关（20）通电，电磁阀（17）开启，高压油液（6）通过电磁阀（17），连接管（5）返回压板（1）下面的液体缸（4），标志杆（10）因其下端的复位弹簧（21）的作用和因高压液油（6）的消失而自动直立，标志杆（10）下端的拨块（19）抵开复位检测开关（20），电磁阀（17）关闭。如果不是本车位的汽车来时，接收器（22）收不到信号，电磁阀（17）不会开启，标志杆（10）不会放下。其电路控制系统使用12V电瓶（23）不需要市电，太阳能电池板（9）为电瓶（23）充电，节约能源。其具体示意图如图3.1、图3.2所示。-21-毕业设计（论文）报告纸图3.1车位锁示意图图3.2电路示意图优缺点分析：该车位锁通过利用机械结构设计，加入了液压装置，使整个车位锁的机械运动无需外部供电，同时利用了太阳能，使电磁阀的控制也无需市电供电。该设计十分节能，同时也十分创新，但是缺点也很明显，首先，其结构过于复杂且由于体积过大需要安放在地下，安装不-22-毕业设计（论文）报告纸易；第二，其电路部分过于简单，没有设置电路保护装置，容易出现蓄电池过充过放的现象，导致电池损坏。（2）由兰薇设计的太阳能车位锁[25]该车位锁由底盘、门形起落架、滑套杆、套管、太阳能电池板、蓄电池、控制电路板及电机组成。门形起落架的两侧臂的下端分别通过轴与底盘转动配合连接；滑套杆为T字型，其上段中空的套杆与门形起落架的横梁段传动配合连接；滑套杆的另一端插入套管的一端孔内、沿孔中心线滑动配合连接。太阳能电池板的阳极接入过充保护电路，蓄电池的阳极也接入过充保护电路，它们输出的电流经过过充保护模块后进入无线遥控模块中的遥控接收电路，遥控接收电路接电机驱动电路，电机驱动电路直接驱动电机；电机通过蜗轮减速箱与门形起落架相连接。具体结构如图3.3所示图3.3车位锁示意图（1-太阳能电池板，2-蓄电池上盖）该车位锁的电路部分如图3.4所示，包括无线遥控模块、电机驱动电路、过充保护模块、太阳能电池板、蓄电池等。其中太阳能电池板经过防反充电路接入过充保护电路，12V蓄电池的阳极接入上述过充保护电路，阴极接太阳能电池板的阴极，过充检测电路与12V蓄电池并联。过充保护模块包括欠压保护过流保护执行电路、欠压检测电路、过流延迟驱动电路和过流检测电路，其中过流检测电路一方面接太阳能电池板的阴极，另一方面接过流延迟驱动电路，过流延迟驱动电路经过欠压保护过流保护执行电路接过充检测电路，欠压检测电路接在太阳能电池板的阴极与欠压保护过流保护执行电路之间，提供蓄电池欠压信号。在欠压保-23-毕业设计（论文）报告纸护过流保护执行电路和太阳能电池板的阴极之间是欠压或者过流状况的报警灯。一旦出现欠压或者过流的情况，报警灯发出亮光，提醒使用者注意。欠压保护过流保护执行电路和过流检测电路之间接无线遥控模块中的遥控接收电路，而无线遥控模块中的遥控发射器掌握在使用者手中。遥控接收电路接电机驱动电路，电机驱动电路直接驱动电机。使用者通过遥控发射器发出指令，由遥控接收电路接收，遥控接收电路根据使用者的指令控制电机驱动电路，从而驱动电机进行使用者所需要的操作。K防反充欠压保护执行+过流外接锂电欠压电机充电保护池检测插座PV过流到位检测3.4车位锁电路示意图3.5为图3.4所示电路的核心部分的示例。如图所示，太阳能电池的一端与充电电池的一端相连，三极管T1的射极分别与太阳能电池的一端和电阻R4相连，T1的集电极经过电容C1与三极管T2的基极相连，T1的基极与T2的集电极相连，在T1的集电极与射极之间接有并联的发光二极管LED1和LED2,T4的射极接电阻R4和太阳能电池的另一端，集电极经电阻R2接T2的基极，基极接三极管T3的集电极。T3的基极与T4的集电极之间接有电容C2，射极与T4的集电极之间接有电阻R3。在T3的基极与集电极之间接有电阻R1。T3的射极与T2的基极之间接有电容C3。T2的射极与T3的射极相连接。充电电池的另一端与太阳能电池的另一端之间接有二极管D1，与T1的集电极之间接有电感L1。T2的射极与充电电池的另一端相连接。-24-毕业设计（论文）报告纸图3.5车位锁电路核心电路图优缺点分析：该车位锁具有以下优点：（1）可以通过遥控进行操作，使用简单方便。（2）电源系统由太阳能电池板和蓄电池混合构成。日照充足时，利用高效率的太阳能电池提供电能，不使用蓄电池，并且太阳能电池发出的多余电能还能够储存到蓄电池中，一旦日照不足或者夜间时，整个装置的电能由蓄电池提供，这样就保证了车位锁始终能够正常运行，而且蓄电池消耗最少，即节能又环保。（3）结构简单精巧，造型美观大方，锁定安全可靠。（4）通过车载充电器可以随时给车位锁、备用蓄电池提供电源。虽然优点很多，但是其设计也有缺陷，其核心电路部分过于老旧，现有更简单的电路可替代，并且功能更好。（3）由陈国章设计的太阳能车位锁[26]该太阳能车位锁包括摇臂、升降装置、太阳能供电系统以及控制模组；其摇臂与升降装置传动连接，摇臂受升降装置传动做升降动作；升降装置与太阳能供电系统电连接，升降装置由太阳能供电系统提供动力；控制模组与升降装置电连接，控制模组通过发送电信号控制升降装置做升降动作。具体参考图3.6。-25-毕业设计（论文）报告纸图3.6车位锁外形图其供电系统设计原理如下所述：太阳能供电系统机构分为太阳能板（22）、太阳能底架（21）、太阳能上架（23）、压缩弹簧体（3）、整流二极管及各种连接器组成；太阳能板将光能转换成电能通过整流二极管和连接器传输给电池组（12）；太阳能底架和太阳能上架是用来固定太阳能板及配合运动组件的；压缩弹簧体是保护太阳能板并进行运动作用，当外力作用下太阳能组会往下保护太阳能板不断裂，当外力去除后在压缩弹簧体的作用下太阳能组会弹回原始位置；整流二极管保护电流不回流，太阳能板电流通过整流二极管输送到电池组（12），当太阳能板不工作时防止电池组的电流回流，对电压稳定起到保护作用，而如果不加整流二极管，则效果就不同了。其具体结构参考图3.7。-26-毕业设计（论文）报告纸图3.7车位锁供电部分剖视图优缺点分析：该车位锁供电部分的优点在于：配置压缩弹簧体主要控制整个太阳能组能上下运行，其结构简洁，且又起到了保护太阳能组不被压坏的功效；配置太阳能上架主要用于对太阳能板的保护；太阳能板与太阳能底架之间还垫设有至少一件绝缘板，主要用于防止太阳能板内含电能的泄漏，及对他物的传导，提高了整个器具的使用安全。但是同时其缺点也很明显，电路设计过于简单，只有一个防倒流二极管，设计过于简单，没有过充过放电路的设计。（4）由朱嘉斌设计的一种太阳能遥控车位锁[27]-27-毕业设计（论文）报告纸该太阳能遥控车位锁包括一个太阳能电池板、一个盒体、两个挡车臂、一个摆动机构、一个以电源为驱动源的电机、一个蓄电池、一个控制电路和一个用来操控控制电路的遥控器；该摆动机构安装在盒体内并与也安装在盒体内的电机相联动；两个挡车臂安装在盒体外并与盒体内的摆动机构联动连接；太阳能电池板通过控制电路与蓄电池相连，太阳能电池板向蓄电池充电；蓄电池通过控制电路与电机相连接，蓄电池向电机提供电源信号；盒体内部还装有密封盒，电路部分装在这个盒子内，使车位锁具有防水特性。具体参考图3.8。图3.8车位锁结构剖视图该车位锁的控制电路包括反充电路、过充保护电路、过放保护电路、滞回保护电路、电机正反转控制电路、限位开关和无线接收电路；无线接收电路用来接收遥控器的操控信号，-28-毕业设计（论文）报告纸无线接收电路的输出接至电机正反转控制电路；限位开关的输出端接至电机正反转控制电路；反充电路的输入端接至太阳能电池板，反充电路的输出端接至过充保护电路的输入端，过充保护电路的输出端接至蓄电池；过放保护电路的输入端接至蓄电池，过放保护电路的输出端接至电机正反转控制电路；过放保护电路与滞回保护电路相连接；电机正反转控制电路的输出通过防水控制开关接至电机。其线框图如图3.9所示。遥控器模205260251603块太阳能无线接收606电池板601605模块914过充保蓄电过放电机正反转控制防水控制电机开关反充电路保护护电路池608电路电路汽车电源接口607限位开关报警电路滞回保护91电路604图3.9车位锁电路线框图反充电路（601）用来连接在太阳能电池板（52）与蓄电池（51）之间，反充电路采用二极管D3，太阳能电池板的正极通过二极管D3接到蓄电池的正极，用来防止太阳能电池板在没有太阳光或阳光较弱时成为蓄电池的耗电器。过充保护电路（602）的作用：通过双电压比较器的第二路电压比较器，利用调整电阻R1、电阻R3、电阻R5、电阻R6和电阻R7设置一个过充电压的保护门限，当蓄电池的电压升到这个门限值之后，双电压比较器的第二路电压比较器的输出端输出由低电位变为高电位，此时P沟道的MOSFET管自动关闭，断开太阳能电池板到蓄电池的回路，太阳能电池板停止对蓄电池充电。过放保护电路（603）的作用是：通过双电压比较器的第一路电压比较器，利用调整电阻R2、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电阻R7设置一个过放电压的保护门限，当蓄电池的电压降到这个门限值之后，双电压比较器的第一路电压比较器的输出端输出电位由低电位变为高电位，此时P沟道的MOSFET管自动关闭，断开太阳能电池板和蓄电池到电机正反转控制电路、无线接收电路的回路，太阳能电池板和蓄电池停止对负载电机正反转控制电路（605）、-29-毕业设计（论文）报告纸无线接收电路（606）的供电。滞回保护电路（604）的作用是：当双电压比较器的第一电路比较器的输出端输出电位由低电位变为高电位进入过放保护时，N沟道的MOSFET管自动闭合，电阻R7被短路，提高了过放电压的保护门限值，则可以形成一个滞回区，防止了负载电机被断开之后，蓄电池端电压会迅速升高至过放电压的保护门限电压一下，蓄电池又被重新接入电路给负载电机供电，会重复产生“断开—接通—断开—接通”的震荡过程，直到电池彻底耗尽，这会对电池寿命产生很大影响，甚至损坏电池。以上控制电路具体电路图如图3.10所示。图3.10车位锁控制电路具体电路图优缺点分析：该结构通过使用太阳能来供电，不但消除了不断更换电池所带来的使用不便，更重要的是节约了能源损耗，使得车位锁使用成本大大降低；同时，该遥控车位锁的结构简洁，防水防尘，抗冲击、碰撞，作为室外机，使用时还具有耐高温的优越性。由于使用蓄电池，可以避免使用干电池在阳光的高温下易爆的弊端。但是其控制电路部分设计过于繁琐，可以使用更简便的设计进行替代。（5）由西安建筑科技大学的段梦、高晶铭设计的一种智能车位锁[28]-30-毕业设计（论文）报告纸该车位锁包括了车辆上安装的RFID控制器以及车位上的底座，底座上设有控制箱和挡杆，在控制箱一侧还有电源箱，电源箱内有蓄电池；控制箱内有单片机，单片机上有RFID接收器、电机驱动电路和报警器，其中，RFID控制器与RFID接收器通过无线射频信号相连通，电机驱动电路连接有电机，电机与挡杆相连接；单片机、RFID接收器和电机驱动电路均连接在太阳能光伏电池板。具体连接线框图如图3.11所示。报警器RFIDRFID单片机电机驱电机挡杆控制器接收器动电路太阳能光伏电池板图3.11车位锁连接线框图重点介绍其供电部分的设计，包括：光伏电池板、变压/保护电路、蓄电池组，电源结构图如3.12所示光伏电池板变压/保护电路蓄电池组图3.12车位锁电源结构图（1）光伏电池板该车位锁选用了嘉恒光伏生产的具有铝合金高强度电池板，其参数指标如下：额定功率：1W-31-毕业设计（论文）报告纸尺寸：250*193*25mm净重：1.5kg工作电压：15V工作电流：0.278A开路电压：21.9V短路电流：0.34A使用寿命：正常使用达20年以上，衰减小于20%使用温度：-40℃~+90℃该太阳能电池配有防水接线盒，钢化玻璃面板，超长寿命阳极氧化铝边框，适合户外使用；机械强度高，具有良好的抗风性和防雹性，可在各种复杂恶劣的气候条件下使用。（2）变压/保护电路电池板发出的电能全部输出电源箱，在箱内由太阳能变压/保护电路进行调控，把调整后的电能送往蓄电池储存，由蓄电池驱动整个系统工作。变压电路采用LM2576芯片将输入的12V直流电压变为5V直流电压为单片机供电，该芯片能耗低发热小，输出电压稳定，很适合作为单片机的供电电源变压芯片。12VDC-5VDC变压电路如图3.13所示，Vin端输入12V电压，经芯片变压后Vout输出稳定的5V电压。图3.1312VDC-5VDC变压电路图（3）蓄电池-32-毕业设计（论文）报告纸蓄电池由太阳能进行充电，工作状态特点如图3.14所示；蓄电池采用光合12V、7A*h的普通开口液体铅酸电池，固定在电池箱内。液体铅酸蓄电池参数如下：额定电压：12V额定容量：7A*h长*宽*高：151mm*65mm*95mm总高：100mm循环最大充电电流：1.75A充电电压：14.5~15.0V/12V25℃该蓄电池可以在户外使用，容量较低，体积小、重量轻，减轻了硬件成本。图3.14蓄电池工作状态特点图优缺点分析：该车位锁使用太阳能光伏电池为之供电，无触电危险，不需挖沟埋线施工。能大大改善有车族的生活水平以及物业管理公司的管理水平，大大提高了使用的方便性。适用于智能小区、各医院、政府机构和学校等公共单位。同时也有明显缺点，其保护电路过于简单，对于控制电路的保护较差，需要进行改进。3.2经改良后车位锁电池管理系统设计由上文所举例的五种车位锁可知，它们的优势各不相同，但基本上可总结为结构较为简洁；使用太阳能光伏电池供电，环保节能；具有一定的防水防碰撞功能，安全性能好。但是它们的缺点却很相似，主要集中于车位锁的电池管理系统上，上文所述的五种车位锁，要么-33-毕业设计（论文）报告纸电源管理系统过于简单，甚至没有；要么电池管理系统设计过于老旧复杂，不符合工业生产节省成本的要求。因此，针对上述问题，需要设计一种集上文所述车位锁优点，又要尽量克服它们设计缺陷的车位锁，而设计的重点就在于电池管理系统的设计。鉴于此，我参考了前人车位锁电池管理系统设计的精华，并进行改造，弥补其缺点，设计了以下车位锁的新型电池管理系统：该新型电池管理系统主要包括三个部分：光伏电池板、保护电路、锂电池。其结构线框图如图3.15所示。防反充电路光伏电外接充池板电插座

保护电锂电池用电器路图3.15车位锁电源管理系统线框图下文将对三个部分分别论述：3.2.1光伏电池板[29,30]在该车位锁电池管理系统中，光伏电池板作为重要组成部分，选择十分重要，经过对比，最后选择单晶硅电池板作为光伏电池板，为锂电池充电。其原因如下：首先，单晶硅光伏电池光电转换效率比多晶硅的光伏电池高，在同样面积的情况下，单晶硅光伏电池板产生电量更多，可以节省充电时间和节约电池板所占的空间；第二，单晶硅光伏电池寿命比多晶硅的光伏电池长，在相同的条件下工作，单晶硅光伏电池板可以提供更长久的工作年限，延长了车位锁产品的寿命；第三，单晶硅光伏电池生产工艺比多晶硅的光伏电池高，这点保证了单晶硅电池在使用寿命与性能上优于其他光伏电池。但是，单晶硅光伏电池也有其缺点，单晶硅光伏电池价格比多晶硅的光伏电池贵，相同-34-毕业设计（论文）报告纸面积的条件下，单晶硅光伏电池价格高出其他光伏电池许多。综上，综合单晶硅光伏电池的优缺点，最终认为选择单晶硅光伏电池是光伏电池板的合适选择。3.2.2保护电路[31,32]在该车位锁电池管理系统中，保护电路作为保护锂电池的重要部分，是整个电池管理系统的核心，其功能有过充电保护、过放电保护、过电流保护与短路保护功能，其工作原理分析如下：（1）正常状态在正常状态下电路中N1的“CO"与“DO"脚都输出高电压，两个MOSFET都处于导通状态，电池可以自由地进行充电和放电，由于MOSFET的导通阻抗很小，通常小于30毫欧，因此其导通电阻对电路的性能影响很小。此状态下保护电路的消耗电流为μA级，通常小于7μA。（2）过充电保护锂离子电池作为可充电池的一种，要求的充电方式为恒流/恒压，在充电初期，为恒流充电，随着充电过程，电压会上升到4.2V(根据正极材料不同，有的电池要求恒压值为4.1V)，转为恒压充电，直至电流越来越小。电池在被充电过程中，如果充电器电路失去控制，会使电池电压超过4.2V后继续恒流充电，此时电池电压仍会继续上升，当电池电压被充电至超过4.3V时，电池的化学副反应将加剧，会导致电池损坏或出现安全问题。在带有保护电路的电池中，当控制IC检测到电池电压达到4.28V(该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值)时，其“CO"脚将由高电压转变为零电压，使V2由导通转为关断，从而切断了充电回路，使充电器无法再对电池进行充电，起到过充电保护作用。而此时由于V2自带的体二极管VD2的存在，电池可以通过该二极管对外部负载进行放电。在控制IC检测到电池电压超过4.28V至发出关断V2信号之间，还有一段延时时间，该延时时间的长短由C3决定，通常设为1秒左右，以避免因干扰而造成误判断。（3）过放电保护电池在对外部负载放电过程中，其电压会随着放电过程逐渐降低，当电池电压降至2.5V时，其容量已被完全放光，此时如果让电池继续对负载放电，将造成电池的永久性损坏。在电池放电过程中，当控制IC检测到电池电压低于2.3V(该值由控制IC决定，不同的IC-35-毕业设计（论文）报告纸有不同的值)时，其“DO"脚将由高电压转变为零电压，使V1由导通转为关断，从而切断了放电回路，使电池无法再对负载进行放电，起到过放电保护作用。而此时由于V1自带的体二极管VD1的存在，充电器可以通过该二极管对电池进行充电。由于在过放电保护状态下电池电压不能再降低，因此要求保护电路的消耗电流极小，此时控制IC会进入低功耗状态，整个保护电路耗电会小于0.1μA。在控制IC检测到电池电压低于2.3V至发出关断V1信号之间，也有一段延时时间，该延时时间的长短由C3决定，通常设为100毫秒左右，以避免因干扰而造成误判断。（4）过电流保护由于锂电池的化学特性，电池生产厂家规定了其放电电流最大不能超过2C(C=电池容量/小时)，当电池超过2C电流放电时，将会导致电池的永久性损坏或出现安全问题。电池在对负载正常放电过程中，放电电流在经过串联的2个MOSFET时，由于MOSFET的导通阻抗，会在其两端产生一个电压，该电压值U=I*RDS*2,RDS为单个MOSFET导通阻抗，控制IC上的“V-"脚对该电压值进行检测，若负载因某种原因导致异常，使回路电流增大，当回路电流大到使U>0.1V(该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值)时，其“DO"脚将由高电压转变为零电压，使V1由导通转为关断，从而切断了放电回路，使回路中电流为零，起到过电流保护作用。在控制IC检测到过电流发生至发出关断V1信号之间，也有一段延时时间，该延时时间的长短由C3决定，通常为13毫秒左右，以避免因干扰而造成误判断。在上述控制过程中可知，其过电流检测值大小不仅取决于控制IC的控制值，还取决于MOSFET的导通阻抗，当MOSFET导通阻抗越大时，对同样的控制IC，其过电流保护值越小。（5）短路保护电池在对负载放电过程中，若回路电流大到使U>0.9V(该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值)时，控制IC则判断为负载短路，其“DO”脚将迅速由高电压转变为零电压，使V1由导通转为关断，从而切断放电回路，起到短路保护作用。短路保护的延时时间极短，通常小于7微秒。其工作原理与过电流保护类似，只是判断方法不同，保护延时时间也不一样。该电路的具体设计如图3.16所示。-36-毕业设计（论文）报告纸图3.16锂电池保护电路原理图上面电路中所用的控制IC为日本理光公司的R5421系列，在实际的电池保护电路中，还有许多其它类型的控制IC，如日本精工的S-8241系列、日本MITSUMI的MM3061系列、台湾富晶的FS312和FS313系列、台湾类比科技的AAT8632系列等等，其工作原理大同小异，只是在具体参数上有所差别，有些控制IC为了节省外围电路，将滤波电容和延时电容做到了芯片内部，其外围电路可以很少，如日本精工的S-8241系列。除了控制IC外，电路中还有一个重要元件，就是MOSFET，它在电路中起着开关的作用，由于它直接串接在电池与外部负载之间，因此它的导通阻抗对电池的性能有影响，当选用的MOSFET较好时，其导通阻抗很小，电池包的内阻就小，带载能力也强，在放电时其消耗的电能也少。该保护电路设计简便，同时功能齐全，而且适合锂电池保护电路使用，故使用该电路作为车位锁电源管理系统的保护电路。3.2.3锂电池[33,34]该车位锁电池管理系统中，电池的选择是其中的重点之一，在上文的车位锁设计中，电池的选择基本上为蓄电池，但是蓄电池的体积较大，电量容量小，且自放电现象比较严重，故作为对电池部分的改良，我选用了高聚合物锂电池作为车位锁的电源部分。高聚合物锂电池作为电源有以下优点：（1）安全性能好聚合物锂电池在结构上采用铝塑软包装，有别于液态电芯的金属外壳，一旦发生安全隐-37-毕业设计（论文）报告纸患，液态电芯容易爆炸，而聚合物电芯最多只会气鼓。（2）厚度薄普通液态锂电采用先定制外壳，后塞正负极村料的方法，厚度做到3.6mm以下存在技术瓶颈，聚合物电芯则不存在这一问题，厚度可做到1mm以下，符合时下手机需求方向。（3）重量轻聚合物电池重量较同等容量规格的钢壳锂电轻40%，较铝壳电池轻20%.（4）容量大聚合物电池较同等尺寸规格的钢壳电池容量高10~15%，较铝壳电池高5~10%，成为彩屏手机及彩信手机的首选。（5）内阻小聚合物电芯的内阻较一般液态电芯小，目前国产聚合物电芯的内阻甚至可以做到35mΩ以下，极大的减低了电池的自耗电，延长手机的待机时间，完全可以达到与国际接轨的水平。（6）形状可定制聚合物电池可根据客户的需求增加或减少电芯厚度，开发新的电芯型号，价格便宜，开模周期短，有的甚至可以根据手机形状量身定做，以充分利用电池外壳空间，提升电池容量。（7）放电特性佳聚合物电池采用胶体电解质，相比液态电解质，胶体电解质具有平稳的放电特性和更高的放电平台。（8）保护板设计简单由于采用聚合物材料，电芯不起火、不爆炸,电芯本身具有足够的安全性,因此聚合物电池的保护线路设计可考虑省略PTC和保险丝,从而节约电池成本。综上高聚合物锂电池的优势，最后认为高聚合物锂电池是该车位锁的电源的合适选择。3.2.4验证实验为了证实上述设计的合理性，现设计一验证实验进行验证该设计的合理性，根据上述设计，验证实验中选用了两块7V的光伏电池板