1、本科毕业论文（设计）论文题目：光电驱动电动车的研究光电转换系统全套图纸，加 153893706学生姓名：所在院系： 机电学院所学专业： 应用电子技术教育导师姓名： 完成时间：摘 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，通过软硬件的配合，实现了整个系 统的设计要求。 关键词：太阳能，升压电路，控制器，蓄 电池A Study of Photoel
2、ectric Driven Electric Vehicles-Photoelectric conversion systemAbstractThis paper analyzes the requirements from the Photoelectric driven electric bicycle of the photoelectric conversion system, the whole system will be divided into three parts, analysis and discussion of the various parts of the ci
3、rcuit 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 motor control of the PWM pulse width, speed sensor and passed through speed
4、, through hardware and software support, for the entire system design requirements. Key words: Solar energy, Step-up circuit, Controller, Batteries 目 录1 绪论 11.1 当前电动自行车存在的缺陷 11.2 电动自行车改进的方法 12 太阳能供电控制电路 22.1 系统设计方框图 22.2 太阳能电池板 22.3 防过充保护电路 32.4 升压电路 32.4.1 电源转换器的特性 32.4.2 电源转换器的引脚和工作原理 42.5 控制电路 63
5、 太阳能电池的原理 63.1 太阳能电池 63.2 硅太阳能电池 73.2.1 硅太阳能电池工作原理与结构 73.2.2 硅太阳能电池的生产流程 93.3 太阳能电池的分类 93.3.1 硅太阳能电池 103.3.2 多元化合物薄膜太阳能电池 103.3.3 聚合物多层修饰电极型太阳能电池 113.3.4 纳米晶太阳能电池 113.3.5 有机太阳能电池 114 蓄电池 114.1 铅酸蓄电池 114.2 胶体铅酸蓄电池 124.3 镍氢蓄电池 124.4 锂离子电池 134.5 蓄电池的相关参数： 135 太阳能电池板和蓄电池的选用 145.1 蓄电池的选用 145.2 太阳能电池板的选用
6、1426 PWM 调速与回馈制动 156.1 直流电动机电枢的 PWM 调速原理 166.2 回馈制动的控制原理 177 总体电路设计 198 结束语 20致谢 20参考文献 21附录 光电转换系统电路总图 2211 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
7、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 当前电动自行车存在的缺陷我国在上世纪 70 年代就已经研制出电动自行车了，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
8、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。1.2 电动自行车改进的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
9、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，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：采用此种控制方式可达到 210 %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；（
10、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
11、 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定整个3系统的质量和成本。太阳能电池的表示符号如图 2 所示。
12、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 2 太阳能电池符号2.3 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
13、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 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 7DC-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
14、 电源转换器。2.4.1 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1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNu mber R ev isio nS izeBDate: 1 6-May -20 0 9 S heet o f F ile: F : 2 .DDB Drawn B y:R116.2KC1210uFT18050T28050ZD16.2VRP13KD4K1LM30812345件件件件件件件件件件件件4高达 96%的效率在 2 到
15、 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 MOSFE
16、T 驱动器时产生交叉传导 。LT3782 工作于 6V 至40V 的宽输入范围，其中最高 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1 SGATE2 相位补偿信号输出端 2，需要外接缓冲器2 SGATE1 相位补偿信号输出端 1，
17、需要外接缓冲器3 NC 空脚4 GND 接地端5 SYNC 同步信号输入端6 DELAY 延时控制端，通常用于死区时间控制7 DCL 最大占空比控制端8 SENSE1 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9 SENSE1 第一路功率 MOSFET 过流检测反相信号输入端10 SLOPE PWM 波形补偿电阻连接端5表 1 LT3782 的内部管脚续11 R 振荡电阻连接端12 SENSE2 第二路功率 MOSFET 过流检测反相信号输入端。13 SENSE2 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
18、14 SS 软启动控制端，通常外接软启动电容15 V PWM 输出波形补偿端，通常外接 RC 元器件16 FB 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17 RUN 开/闭控制端。电压低于 2.2V 时，电路进入关闭模式18 NC 空脚19 VEF2 驱动电路接地端20 BGATE2 下端 MOSFET 驱动信号输出端21 GBIAS2 自举电容连接端22 GBIAS1 自举电容连接端23 BGATE1 上端 MOSFET 驱动信号输出端24 VEE1 驱动电路接地端25 NC 空脚26 NC 空脚27 V 电源电压输入端28 GBIAS 自举电
19、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，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。VccRUNSLOPEDELAYSSVcGBIAS1GBIAS2GBIASBGATE1DCLRsetVee1BGATE2SENSE1-SENSE1+SENSE2+SENSE2-FBLT3782Vee2GNDVCC
20、R313KRs10.004Rs20.004R4 10Rfreq80KR1825KRslope59KR2 274KCin10uF/50VCout110uF/50VC11uFC20.1uFC3100pFC46.8nFCout1220uFC72uF M1Si7852dpL1L2D1 30BQ060D230BQ060M2Si7852dpR510C610nFC510nFRf1475KRf224.9K10-36V50V+件件件件件件件件件件图 5 升压电路图62.5 控制电路控制电路是以单片机 AT89C2051 为控制核心，通过脉宽调制 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
21、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是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。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
22、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：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。7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
23、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 Rosh 来等效。 53.2 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
24、。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。3.2.1 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 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图8 普通半导体主要结构 图9 掺入磞时硅晶体内部结构ID shI RRshRs IL
25、VIL8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
26、 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 型区中的电子往 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
27、，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，形成太阳能光电板。如图 12 所示。图 12 太阳能电池 PN 结图10 掺入磷原子形成N型半 导体 图11 半导体的内部电场93.2.2 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。
28、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
29、 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按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式(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(a)多晶硅太阳能电池组件 (b)单晶硅太阳能电池组件10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
30、-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分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电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，
31、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。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材料为无
32、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
33、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11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
34、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 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，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
35、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 蓄电池电池是指利用物质的化学反应或物理变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 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
36、电、放电 PhSO4+2H2O+PhSO4 12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
37、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
38、车大量上路的重要原因之一。 4.2 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.
39、3 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13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；
40、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。但是，Ni-MH 蓄电池成本太高，价格昂贵。 4.4 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.
41、7倍，称为高功率型锂离子电池。高能型 电池已于 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。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
42、电池和锂离子蓄电池是绿色蓄电池，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：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 amp
43、erage）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14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 36V 电机 4.55A）。短时间工作电流可达 8
44、A（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：（1）)(758.041AhITQxx式中： 为蓄电池容量， 为蓄电池放电时间， 为设备工作电流。x xI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 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
45、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/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 /(36
46、00 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：15（2）)(510ATQIxc式中： 为充电电流， 为蓄电池容量， 为充电时间。cIxx由此可计算太阳能电池应提供的总电流为：（3）)(945AIIsc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：（4）613.0)(WVPg式中: 为太阳能电池提供的输出功率； 为设备工作电
47、压。Pg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 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
48、，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：（5） AVWUPI3.21840 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：（6）%1.75640P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PWM 调速与回馈制动技术最终都是通过无刷直流
49、 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16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 PWM 调速原理 2众所周知，直流电动机转速 n 的表达式为：（7）KIRU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时间后栅
