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1、毕业设计（论文）开题报告论文题目太阳能混合动力清扫车太阳能系统设计一、 选题背景和意义：随着全球变暖等生态环境的恶化以及石油、煤炭等化石能源的有限性，使得人类不得不尽快地寻找新的清洁、可再生能源。其中包括太阳能、风能、海洋能、生物质能、水能、地热能等，而太阳能以其安全、清洁、储量巨大等优势使其必将成为21 世纪最有希望大规模应用的清洁能源之一，受到人们越来越多的青睐。我国是光伏产业大国加上技术条件的逐渐趋于成熟，使得太阳能发电的价格在逐渐降低，这为为太阳能发电更为广泛地推广提供了保障。目前我国处于城市化的加速阶段，清扫车作为城市环卫的重要工具应用将越来越广，传统的清扫车通常以汽油（柴油）发动机
2、或是电动机为主要动力源。由于清扫车通常工作在学校、医院等部门，因此汽油（柴油）发动机产生的巨大噪音会对周边环境产生很大的影响；若用使用电动机，则蓄电池的续航能力和寿命是需要解决的一个问题。据调查，清扫车的电池大多采用铅酸电池，而不是锂电池或是镍氢电池。但铅酸电池体积较大，并且正常使用的话每天都需要充一次电，寿命也不长，这些都是限制清扫车连续长时间工作的瓶颈。太阳能混合动力清扫车太阳能系统的设计为清扫车在实现混合动力的同时运用可再生、无污染的高效能源太阳能给整个清扫车提供一部分能量，更加地节能环保。太阳能电池板作为一个太阳能的收集转化模块可以方便地应用在移动的设备（如清扫车）上，可以为整个清扫车
3、在工作时提供一部分能量，多余能量也可以存储起来以节能环保，在将太阳能系统加入混合动力清扫车中能够更大程度的达到节能环保的构想。随着我国城市现代化建设进程不断加快，对市政的环卫作业机械化程度要求越来越高，其经济和社会意义十分重大。二、 课题关键问题及难点：关键问题：1、实现充电，将太阳能电池板产生的电能有一定效率地充入蓄电池内。2、提高效率，寻找太阳能电池板向蓄电池充电的最大功率点。3、提高利用率，将太阳能电池板所产生的电能最大限度地结合清扫车利用起来。包括充电效率要尽可能地提高，以及在某些工作状态下由太阳能电池板直接带动工作。4、结构协调紧凑，太阳能电池板跟整车的安装协调，结构紧凑融为一体。5
4、、太阳能自动跟踪系统的加入与整车设计的取舍问题，是否可以找到一个优点相互结合的点。难点：1、最大功率点的寻找，需要硬件电路的设计和软件程序算法的结合，本次使用的是MSP430F149这款的单片机，MSP430F149是一款超低功耗的集成芯片，由于初次接触这款芯片，芯片的使用以及外围电路的设计都是比较棘手的。最大功率点的寻找需要实时检测太阳能电池板输出端以及蓄电池端的电压、电流，怎样对电压电流的检测是一个难点。2、充电电路采用的专用铅酸蓄电池管理芯片UC30906，充电电路的设计，以及外围电路的设计计算。以及在能够实现充电的前提下，充分地保证铅酸蓄电池的使用寿命。3、与混合动力系统的协调。注：开
5、题报告可单独装订，但在院（系）范围内，封面和装订格式必须统一。三、 文献综述（或调研报告）：（一）国内外太阳能移动设备的研究国外太阳能移动设备的研究：太阳能的开发利用日益广泛，技术也日趋成熟，印度科学工业研究中心开发的太阳能电池的新型三轮车在新德里投入使用。2008年12月，世界上第一辆完全使用太阳能作为动力来源的小轿车完成了其首次环球之旅。瑞士时间2011年5月13日，世界最大的太阳能飞机 瑞士制造的“太阳驱动”号在飞行12小时59分后，于同日21时39分在比利时首都布鲁塞尔降落，飞行距离630公里，成功完成首次跨国飞行。2012年1月16日瑞士生产的全球最大的太阳能轮船”星球太阳“号航行4
6、8000公里之后停驻阿布扎比。国外的太阳移动设备主要太阳能汽车、太阳能船、太阳能飞机等功率大造价高的交通工具上，其可利用的光照面积大，现在主要是研究太阳能在持续供电方面的研究，来提高太阳能的利用率。国内太阳能移动设备的研究：1996年，清华大学参照日本能登竞赛规范研制了”追日“号太阳能汽车。马鞍山一公司研制开发了国内首量利用太阳能进行电能补偿的电动汽车。2010年首辆太阳能轿车在南京国展中心亮相。在太阳能清扫车方面，2006年8月，一种获得国家实用新型和外观专利的太阳能环保道路清扫车，在新疆乌鲁木齐亮相。另外，邢台市中河环卫设备有限公司发明了手推式太阳能道路清扫车，山东顺兴机械有限公司生产的太
7、阳能光伏节能清扫车。在清扫车方面，都将太阳能的利用作为一个重点的研究方向，实现避免环卫设备的二次污染，节能环保。（二）太阳能充电系统使用芯片MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）。其主要特点有：1 超低功耗MSP430系列单片机的电源电压采用1.83.6V低电压，RAM数据保持方式下耗电仅0.1A，活动模式耗电250A/MIPS（MIPS：每秒百万条指令数），IO输入端口的漏电流最大仅50nA。2 强大的处理能力MSP430系列单片机是16位单片机，采用流行、颇受学术界好评的精简指令
8、集（RISC）结构，一个时钟周期可以直行一条指令，使MSP430在8MHz晶振工作时，指令速度可达8MIPS。3 高性能模拟技术及丰富的片上外围模块MSP430系列单片机结合TI的高性能模拟技术，各成员都集成了较丰富的片内外设。视型号不同可能组合有一下功能模块：看门狗（WDT），模拟比较器A，定时器A（Timer_A），定时器B（Timer_B），串口0,1（USART0、1），硬件乘法器，液晶驱动器，10位/12/14位ADC，12位DAC，总线，直接数据存取（DMA），端口0（P0），端口16（P1P6），基本定时器（Basic Timer）等。4 系统工作稳定上电复位后，首先由DCO_C
9、LK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。另外，MSP430系列单片机均为工业级器件，运行环境温度为-40+85，运行稳定、可靠性高，所设计的产品适用于各种民用和工业环境。5 方便高效的开发环境以FLASH技术、JTAG调试、集成开发环境结合的开发方式，具有方便、廉价、实用等优点，在单片机开发中还较为少见。其他系列单片机的开发一般均需要专用的仿真器或编程器。MSP430F149是MSP430单片机F14x系列的单片机。它的引脚封装图为：图3.2.1 MSP430F149引脚封装功能框图为：图
10、3.2.2 MSP430F149的功能框图UC3906是型密封铅酸蓄电池充电专用管理芯片，芯片引脚图见图3.2.3，引脚说明见表3.2.1。它能够提供电池的三种充电逻辑状态（大电流充电、可控过充电和浮充电）控制，能使充电器的充电电压随电池电压温度系数的变化而变化，从而使密封铅酸蓄电池在很宽的温度范围内都能达到最佳的充电状态（如电池容量和使用寿命），可以分别对充电电流、充电电压（通过电压控制环、电流控制环两个控制环路）实现控制，电路静态功耗低（静态工作电流典型值为1.6mA），能提供实现密封其实蓄电池最佳充电所需的控制和检测功能。只需要很少的外部元件就可以在很宽的温度范围内实现电池的精确快速充电
11、，所以采用UC3906可以简化电池充电电路的设计。图3.2.3 UC3906引脚封装表3.2.1 UC3906各引脚说明引脚编号引脚控制功能1充电电流控制环路的充电电流检测放大器的输出端2充电电流检测放大器的充电电流检测反相信号输入端3充电电流检测放大器的充电电流检测同相信号输入端4充电电流限流放大器的反相检测信号输入端5UC3906的供电输入端6UC3906的接地端7充电器电路的电源指示端8电池过充电终止控制信号输入端9电池过充电指示控制信号输出端10电池充电状态电平控制信号输出端11充电使能比较器的输出涓流充电偏置控制信号输出端12充电使能比较器的控制信号输入端13充电电压控制环路的充电电
12、压检测放大器的控制信号输入端14补偿元件接入端15驱动放大器的发射极输出端16驱动放大器的集电极输出端UC3906的应用于充电电路的基本电路接线图如图3.2.4。图3.2.4 UC3906充电电路基本接线图1周润景，张丽娜，刘映群.PROTEUS入门实用教程M.北京:机械工业出版社,2007.2沈建华，杨艳琴.MSP430系列16位超低功耗单片机系列原理与应用M.北京:清华大学出版社，2004.3秦龙.MSP430单片机常用系统与综合系统实例精讲M.北京:电子工业出版社，20074J.Michael Jacob. 功率电子学原理与应用M.北京:清华大学出版社，2005.5周志敏, 周纪海, 纪
13、爱华. 充电器电路设计与应用D. 北京:人民邮电出版社,2005.6张靖武, 周灵彬. 单片机原理、应用与PROTEUS仿真 D. 北京:电子工业出版社,20087王莉.一种基于MCU的蓄电池电量计的设计与实现D .苏州:苏州大学,2007.8Ke Liu, John Makaran，” Design of a Solar Powered Battery Charger”, IEEE Electrical Power & Energy Conference978-1-4244-4509-7/099薇薇，杨金明太阳能光伏发电最大功率跟踪系统研究EJ-1电力电子技术，2008(08)10崔岩，蔡炳
14、煌，李人勇，等太阳能光伏系统MPPT控制算法的对比研究EJ-1太阳能学报，2006，27(6)：53553911欧阳名三，余世杰，沈玉良,采用单片机的太阳能电池最大功率点跟踪控制器J电技术，2002，29(12)：495112李兴虎.混合动力汽车结构与原理M.北京:人民交通出版社，2008.13王鸿麟，钱建立，周晓军智能快速充电器的设计与制作M北京：科学出版社，2001：11613314路秋生.常用充电器电路与应用M.北京：机械工业出版社，2004.8：42-4915K.K. Tse, M.T. Ho, H.S. Chung, and S.Y. Hui,“A Novel Maximum Pow
15、er Point Tracker for PV Panels Using Switching FrequencyModulation IEEE Trans. Power Electronics, vol.17, pp. 980-989,Nov.200216B.M.T. Ho, H.S. Chung, “An Integrated Inverter With Maximum Power Tracking for Grid-Connected PV SystemsIEEE Trans.PowerElectronics,vol.20,pp.953-962,July 2005四、 方案（设计方案、或研
16、究方案、研制方案）论证：（一）、确定方案设计的步骤如下：1明确太阳能混合动力清扫车太阳能系统的组成部分，明确各部分的作用和要求。2进行各个模块设计，器件选型，电路设计。3硬件电路的制作，太阳能系统的最大功率点的充电编程调试。4整车安装，太阳能系统的整车调试改进。（二）、太阳能混合动力清扫车太阳能系统的设计。1太阳能系统的构成太阳能混合动力清扫车太阳能系统是由太阳能电池板产生电能设计转换模块将产生的电能尽可能地存储入铅酸蓄电池中，并将这部分能量根据太阳能混合动力清扫车的能量需求来安排能量的利用，达到节能环保的设计初衷。结构框图：太阳能电池板+控制转换充电模块：铅酸蓄电池最大功率点找寻控制模块蓄电
17、池充电管理模块图4.1.1 太阳能系统结构框图2太阳能电池板和铅酸蓄电池的选型铅酸蓄电池采用的是某公司生产的CB10012（12V，100AH/10HR）阀控式密封铅酸蓄电池。恒压充电时循环使用条件为14.5-14.9V，77F（25），充电电流小于30A；浮充使用条件为13.6-13.8V，77F（25），充电电流小于15A。太阳能电池板的种类非常多，有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、砷化镓组件等，其中单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池使用的比较多，占市场的80%以上，在硅系列中转换效率最高技术最为成熟的是单晶硅，综合我们选用了某公司生产的SP100-18M款的单晶硅太
18、阳能电池板。产品的标称参数见下表：表2.1 SP100-18M款的单晶硅太阳能电池板标称参数开路电压（V）峰值电压（V）短路电流（A）峰值电流（A）峰值功率（W）21.55186.305.65100注：测试条件为AM=1.5；E=1000W/；TC=25。3控制转换充电模块的设计 太阳能电池板最大功率点的找寻控制模块的设计太阳能电池板最大功率点的找寻控制模块的设计主要基于buck电路（如图4.3.1），通过buck电路将输入与输出之间建立的关系：Uo=D*Us（其中D=Ton/Ts,Ton为每个控制周期内开关管的持续导通时间，Ts为开关频率控制周期），不考虑损耗，buck电路两端的功率相等，实
19、时检测太阳能电池板端的电压电流和蓄电池端的电压电流，送入MSP430F149单片机中通过算法编程实现太阳能最大功率点的找寻。基本框图见图4.3.2。图4.3.1 buck电路图4.3.2 MPPT基本框图 蓄电池充电管理模块使用UC3906密封铅酸蓄电池充电专用芯片，UC3906内部集成了密封铅酸蓄电池充电的3种逻辑控制和检测功能，并具有充放电自适应、环境温度自适应以及欠压保护功能。充电电路如图4.3.3。图4.3.3 UC3906充电电路4.与整车的结构设计根据SP100-18M款的单晶硅太阳能电池板的尺寸数据为：长105cm，宽84cm，厚3.5cm，结合太阳能混合动力清扫车的结构尺寸（车
20、宽78cm），可以将太阳能电池板作为整个清扫车的遮阳顶的部分，这样既可以很好地接收太阳光线又可以为清扫人员遮蔽太阳。又由于太阳东升西落在不同时刻相对于电池板的太阳光线入射角不同，电池板的发电功率也会不同，为满足太阳能电池板在其他条件一定的情况下最大限度地被太阳光直射，根据实验：光照角度对太阳能电池板发电的影响特性，来设计一个手动或半自动的太阳能跟踪机构，尽可能地利用太阳能。5.太阳能在整车中的能量分配太阳能混合动力清扫车中以混合动力为主要的驱动能源，太阳能电池板为以辅助能源，太阳能混合动力清扫车中用电部分见表5.1表5.1 太阳能混合动力清扫车用电器序号名称工作电压（V）功率（W）数量1风机4
21、850022盘刷电机242523滚刷电机2410014水泵121215CB100-12V蓄电池1由上表可以看出太阳能电池板主要的功用是给12V铅酸蓄电池充电储存能量，也可以是直接带动水泵工作。所以在整个车的能量分配中，太阳能电池板就是尽可能的给铅酸蓄电池充电，在太阳良好的情况下给水泵直接供电。五、 进度安排：第1周：文献调研；第2周：太阳能系统的总体方案设计；第3周：太阳能充电控制转换模块的方案设计和比较，针对太阳能板性能了解的一些基础实验；第4周：太阳能充电控制转换模块的硬件电路设计计算；第5周：绘制PCB板并送往加工，采购需要的电子元器件；第6周：加工得到完整的电路板，焊接电路板并对电路板进行简单的调试；第7周：结合控制电路和电池板进行控制实验软件编程；第8周：太阳能系统的调试与改进；第9周：充电系统对电池的充电实验；第1011周：太阳能充电系统控制器最终调试，车辆系统总装；第1213周：运行调试；第14周：论文撰写、答辩。六、指导教师意见：签名： 年 月 日七、开题审查小组意见：签名： 年 月 日