基于MSP430的电动汽车光电互补智能充电系统设计[20200408101803]
摘要
为充分利用电动汽车设备和太阳能资源，同时可对电网电力削峰填谷，本课题搭建了基于MSP430单片机的电动汽车光电互补智能充电控制系统模型的实验平台，通过测量辐照度、时间等参数预测组件输出功率，利用蓄电池端电压检测电池剩余电量，并在此基础上设计了光电互补智能充电系统和光伏电、峰谷电有序充电控制算法。实验完成了系统智能充电控制相关算法的编写和调试，获得了一些有参考意义的系统运行数据和结论。本课题关于太阳能电动汽车充电技术的研究，对相关方向的研究和实物的设计方面具有一定的参考意义。
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关键字:电动汽车光电互补有序充电智能充电
目录
1. 引言 1
1.1 研究背景 1
1.1.1电动汽车技术的发展 1
1.1.2 光伏发电对电动汽车的意义 1
1.1.3 电动汽车有序充电对电网的意义 1
1.2 国内外太阳能电动汽车技术研究现状 2
1.3 课题研究思路和技术方法 2
1.3.1 研究思路 2
1.3.2 技术方法 3
2. 系统设计与构建 4
2.1 模型系统整体框图设计 4
2.2 电动汽车充电供电系统 4
2.2.1 电动汽车充电供电系统设备的选择 4
2.2.2 电动汽车充电供电系统电路的设计 5
2.3 电动汽车驱动系统 6
2.4 组件预计剩余发电量预测系统 7
2.4.1 组件预计剩余发电量预测系统设备的选择 7
2.4.2 组件预计剩余发电量预测系统设计与分析 9
2.5 蓄电池充电控制系统 11
2.5.1 蓄电池剩余电量的检测 11
2.5.2 智能充电控制系统的设计与实现 11
2.6 工作状态参数显示系统 13
3. 实物模型结构与说明 14
4. 实验与数据分析 17
4.1 光照（光强与采样电压关系）实验 17
4.2 蓄电池放电（剩余电量与采样电压关系）实验 19
4.3 蓄电池充电（剩余电量与采样电压关系）实验 21
结束语 24
参考文献 25
附录 26
1. 引言
1.1 研究背景
1.1.1电动汽车技术的发展
电动汽车具有低噪音、零排放、能量利用率高、综合利用能源等特点，是当今汽车工业能源危机和环境污染两大难题的重要解决途径。特别是最近几年，蓄电池能量存储密度的提高和电机及其控制系统性能的提升，电动汽车在性能和经济性方面有了很大的提升，加速了电动汽车工业的发展。同时，一些国家的能源政策更加倾向于提高经济效率、保障能源安全和减少环境污染，也促进了电动汽车技术的进步[1]。
电动汽车的结构与燃油汽车有着明显的不同，通过电动机驱动，输出的扭矩传动系统带动车轮前进或后退，同时多以蓄电池为动力，行驶时蓄电池输出电能（电流），由控制器驱动电机运转。
1.1.2 光伏发电对电动汽车的意义
如今，光伏发电应用发展极为迅速。在空间系统中利用光伏电池发电已经十分常见，如人造卫星、空间工作站等。在地面应用上，世界各地的太阳能发电站、屋顶电站等发电装机容量不断提升，另外还有很多成熟的光伏发电应用技术，如在岛屿上用光伏组件辅助柴油机进行发电、为抽水系统的水泵提供电力等，而在运输领域，尤其是电动车辆、轮船、飞机等方面的运用则还在探索之中[2]。
通过光伏组件利用太阳能对电动汽车的蓄电池进行充电，是对光伏发电市场的又一次开拓。光伏组件发电提供的能源补充，也同时减少了传统化石燃料汽车的能源消耗和环境污染。在汽车行驶和停靠的时候，太阳能组件可以源源不断地产生电能，这也在一定程度上增加了电动汽车的自主行驶距离，使得电动汽车更加具有竞争力[1]。
1.1.3 电动汽车有序充电对电网的意义
充分利用太阳能设备和资源，可以降低使用成本，而利用市电充电则可以提高电动汽车的安全可靠性。对市电充电系统和光伏充电系统进行整合，可以使之互相配合，但是随着电动汽车使用量的增加，以及接入电网的充电设施种类繁多，必然不利于电网的安全和经济运行，造成电能损耗、电压波动、继电保护和供电不可靠等[3]。
运用实际有效的经济或者技术手段引导电动汽车有序充电，可以避开原始电网负荷的高峰时期，合理地分散电动汽车的充电负荷分布，减少其对电网其它负荷的冲击及不必要的电网与发电装机建设，保证电动汽车与电网的协调发展，达到削峰填谷的效果，提高设备利用率，降低损耗。因此，研究电动汽车充电对电网的影响，制定电动汽车的有序充电方案，将具有重要的意义和应用价值。
1.2 国内外太阳能电动汽车技术研究现状
　　太阳能汽车一般由光伏组件、供电系统、控制系统、电动机、传动系统等组成。阳光照射光伏组件阵列的电池，系统就产生电流，可以将电能贮存在蓄电池中，也可以直接输出到电动机控制器，用来驱动汽车。而通过对电动汽车的智能化优化充电控制和最优调度控制进行研究，定量评估充电负荷影响，可以找到优化这一系统有效手段[4]。国内外对此已经开展了许多有益的研究。
在蓄电池充电控制方面，清华大学的罗卓伟，依据电动汽车不同充电方式下的充电功率，提出采用蒙特卡洛模拟抽取起始荷电状态、起始充电时间的电动汽车充电负荷计算方法[5]。杭州电子科技大学的付华圆研究了各种蓄电池剩余电量预测方法，详细讨论了实现原理，并对其难易度进行了综合比较，找到一种能在简单MCU上实现的低成本的且能比较好的显示出电动汽车蓄电池剩余电量的方法[6]。
在光伏组件与电动汽车集成方面，武汉理工大学的凌凯，研究了太阳能电池、太阳能汽车、太阳能混合驱动以及太阳能在传统汽车上作为辅助能源的发展现状及未来趋势，为太阳能更好地应用于汽车提供了参考[7]。中山大学太阳能系统研究所的杨刚、陈鸣等设计了一个以Labview 为软件支持、以数据采集卡为硬件支持的虚拟仪器来评测光伏发电系统的性能, 并拥有数据采集、数据保存和信号分析等功能。在这个所提出的系统中，测量的信号包括气象参数(如温度等)和电气参数(比如光伏阵列的电压和电流等)。实验结果证明这套系统可以很有效的反映光伏发电系统的运行特性[8]。英国剑桥大学CUER团队设计汽车控制算法时运用了Labview图形化开发平台，车内嵌入式控制器使用的是NI CompactRlO硬件系统，通过与汽车的控制器(CAN)总线通讯，实现算法设计的控制功能。
在电动汽车市电充电方面，华北电力大学的李秋硕，基于一种负荷预测的有序充电方法，建立了优化方程并求解，得到每个充电负荷的最优开始充电时间，使得对电网运行，电动车充电负荷可以产生积极的作用[9]。
1.3 课题研究思路和技术方法
1.3.1 研究思路
综上所述，电动汽车因其节能环保的特点，受到越来越多的关注和研究，也促进了相关技术的发展进步。然而，目前很少有将光伏发电技术、蓄电池充电控制技术和有序充电技术结合在一起进行的相关研究，而这些恰恰都是电动汽车使用过程中提升性能、降低成本的关键所在。为此，本课题将电动汽车的智能充电控制与光电互补充电系统结合在一起，综合运用光伏发电量预测、蓄电池余量检测、充放电控制系统设计、有序充电算法设计等技术，实现对太阳能电动汽车光伏发电和市电充电的优化控制，达到增加电动汽车运行里程，延长动力电池使用寿命，并对市电电网削峰填谷的目标，如图1-1所示。
首先设计太阳能汽车组件输出功率预测系统，并根据辐照度、温度、时间等参数对其进行修正[10]；然后设计蓄电池剩余电量预测系统、电池充放电保护系统；最终设计光电互补充电智能充电系统和光伏电、峰谷电有序充电控制算法，达到充分利用太阳能电动汽车设备和资源，对电网电力削峰填谷，降低成本的目的，同时又利用市电提高电动汽车的安全可靠性[8]。
1.3.2 技术方法

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