專利名稱:小功率混合動力系統(tǒng)的控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實用新型所述的小功率混合動力系統(tǒng)的控制裝置,涉及各能源裝置與負載的工 作電流與電壓的測量、數(shù)字電位器的可編程控制及對DC-DC的輸出電壓控制等技術(shù)與方法。
背景技術(shù):
目前隨著石油和煤碳等礦物資源的逐漸匱乏,以及世界對環(huán)保要求的日益提高, 世界各國爭先開發(fā)清潔新能源。然而許多清潔新能源在實際應(yīng)用中,往往因為其工作特性 與功率上的限制而無法滿足電子負載的的需求,尤其是當電子負載較大時更是無法滿足需 求,因此一般都需與二次能源裝置構(gòu)成一個混合動力供電系統(tǒng)。當電子負載小的時候,清潔 新能源裝置除了滿足負載需求外,還可以有能力對二次能源裝置充電;而當電子負載大的 時候,二次能源裝置可以配合清潔新能源裝置一起為負載供電。另外還有一些象燃料電池 清潔新能源裝置等在啟動時必須借助其他能源為其系統(tǒng)的電子電力裝置供電方可,于是這 樣的新能源裝置也自然而然地構(gòu)成了一個混合動力系統(tǒng),這里所指的其他能源通常用的也 是二次可充放電裝置,在系統(tǒng)中也起著輔助供電的功能,缺電時可以接受主能源裝置的充 電。于是多種形式的混合動力系統(tǒng)的最終目的都是要能滿足負載需求,同時也要保證能源 裝置都工作在健康狀態(tài),既要避免混合動力系統(tǒng)的的主能源裝置超載,輔助二次能源裝置 過度充放電。為此研制開發(fā)了一套以小功率電源裝置為主電源,以二次可充電的鋰電池為 輔助電源的混合動力的控制系統(tǒng),系統(tǒng)實時性好,控制方法簡單,成本底,便于推廣。針對上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題,研究設(shè)計一種新型的小功率混合動力系統(tǒng)的 控制裝置,從而克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題是十分必要的。
發(fā)明內(nèi)容鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題,本實用新型的目的是研究設(shè)計一種新型的小 功率混合動力系統(tǒng)的控制裝置,從而解決許多清潔新能源在實際應(yīng)用中,往往因為其工作 特性與功率上的限制而無法滿足電子負載的需求,尤其是當電子負載較大時更是無法滿足 需求的問題。本實用新型所述的小功率混合動力系統(tǒng)的控制裝置是由微處理器ATMEGASdUj 率主電源裝置、DC-DC轉(zhuǎn)換裝置-明緯公司的SD-25A-12、數(shù)字電位器X9C102、二次輔助電 源裝置-12V Li電池、I0, I1, I2三個電流測量傳感器INA170所組成;所述的小功率主電源 裝置的輸出端OUTPUT+經(jīng)取樣電阻Rl送到DC-DC轉(zhuǎn)換裝置的輸入端INPUT+,DC-DC轉(zhuǎn)換裝 置的輸出端OUTPUT+經(jīng)取樣電阻R2、R3后送到電子負載;所述的微處理器ATMEGA8的管腳 9、10、11分別連接到數(shù)字電位器X9C102的管腳2、1、7 ;數(shù)字電位器X9C102的管腳3連接電 源Vcc,管腳5、6分別連接到DC-DC轉(zhuǎn)換裝置的RWh和RWL ;所述的Ip I1,12三個電流測量 傳感器INA170的管腳2分別連接到電阻Rl、R2、R3的輸入端,管腳1分別連接到電阻R1、 R2、R3的輸出端,管腳5即輸出端OUT分別連接到微處理器ATMEGA8的管腳25、28、26,并分別對地接一個電阻;在取樣電阻Rl、R2的輸入端分別對地串接兩個分壓取樣電阻,分壓后 取樣Vtl與V1,分別連接到微處理器ATMEGA8的管腳24和27 ;微處理器ATMEGA8的管腳2、3 分別連接到串行通信接口 MAX232芯片的管腳9、10,而后與上位機連接;微處理器ATMEGA8 的管腳17、18、19、1分別經(jīng)一個電阻連接到調(diào)試接口 ISP的1、9、3、5管腳。本實用新型所述的小功率混合動力系統(tǒng)的控制裝置的核心微處理器,采用了ATMEL公司的AVR的8位微處理器ATMEGA8系列,它工作溫度范圍寬,電磁兼容特性好,內(nèi)有 AD轉(zhuǎn)換通道、PWM輸出及看門狗電路等,在實用中無需外擴其他芯片,所以它比一般的8位 51單片機芯片性能更好。以AVR微控制器為核心,配合電流測量傳感器、可編程控制的數(shù)字 電位器及輸出可調(diào)的DC-DC轉(zhuǎn)換裝置等電子器件和裝置研究開發(fā)出滿足小功率混合動力 系統(tǒng)的控制電路。系統(tǒng)使用3個電流測量傳感器,其中Itl為小功率主電源輸出電流,I1為 DC\DC轉(zhuǎn)換裝置輸出電流,I2為負載電流,而二次輔助電源裝置的充放電電流I3根據(jù)Ip I2 即可得到。同時尚需測得DC\DC轉(zhuǎn)換裝置的輸入與輸出電壓Vtl與V1,以便于功率計算。系統(tǒng)控制的基本思路是小功率主電源裝置,一般需要經(jīng)過DC-DC的升壓或穩(wěn)壓 后方可給負載供電,根據(jù)負載需要,需調(diào)節(jié)DC-DC輸出電壓來控制二次輔助電源裝置的充 放電狀態(tài),所用DC-DC轉(zhuǎn)換裝置輸出電壓通過電位器可調(diào)節(jié),這里采用的是數(shù)字電位器,數(shù) 字電位器方便通過微處理器來控制調(diào)節(jié),微處理器通過控制數(shù)字電位器達到調(diào)節(jié)DC-DC轉(zhuǎn) 換裝置輸出電壓的目的,從而可以有效控制二次輔助電源裝置的充放電狀態(tài),當負載小的 時候,調(diào)高DC-DC轉(zhuǎn)換裝置輸出電壓,使小功率主電源裝置既給負載供電又給二次輔助電 源裝置充電。反之,調(diào)低DC-DC轉(zhuǎn)換裝置輸出電壓迫使二次輔助電源裝置輔助小功率主電 源裝置一起放電?;旌蟿恿ο到y(tǒng)的各能源裝置的能量分配控制根據(jù)采集到的系統(tǒng)的工作參 數(shù)及所研究制定的控制策略。在系統(tǒng)中用了 3個電流測量電路,一個測量主電源輸出電流I。(或DC-DC轉(zhuǎn)換裝 置輸入電流),一個測DC-DC轉(zhuǎn)換裝置的輸出電流I1,另一個測量負載電流12,二次輔助電 源裝置工作電流I3 = I2-I10電流傳感器分別串接在DC-DC轉(zhuǎn)換裝置輸入輸出回路與負載 回路上。電壓測量采用簡單的串聯(lián)電阻分壓取樣電路(最高取樣電壓不得高于微處理器 AD通道的輸入范圍),取樣電壓信號送入微處理器AD采樣通道,后由微處理器測得對應(yīng)的 實際電壓。系統(tǒng)所用的DC-DC轉(zhuǎn)換裝置輸出電壓可調(diào),通過調(diào)整DC-DC轉(zhuǎn)換裝置輸出控制的 反饋量來實現(xiàn)的,具體是通過調(diào)整可調(diào)電位器來實現(xiàn)的,為便于微控制器的控制,這里的電 位器的采用美國INTERSIL公司的可編程控制的數(shù)字可控電位計芯片X9C102,它既可以作 為三端電位計使用,也可以作為兩端可變電阻器使用,其內(nèi)部由99個電阻陣列及其電子開 關(guān)、控制與存儲器單元組成,其電阻值范圍O—一1K,該芯片CS管腳為片選端,低電平有效; UP/D0WM管腳為增大/降低電阻的控制端,INC為增量控制端,低電平有效;為防止干擾,都 加有上拉電阻。該芯片的RL端與RW端與DC-DC轉(zhuǎn)換裝置連接。系統(tǒng)通信接口包括微處理器與上位機間數(shù)據(jù)通信的串行接口 RS-232及調(diào)試接口 ISP0考慮到上位機對混合動力系統(tǒng)的監(jiān)控,專門基于MAX232芯片設(shè)計了控制系統(tǒng)的串行 通信接口,以便于上位機與本系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信。其目的在于對系統(tǒng)的工作參數(shù)(包括小 功率主電源的輸出電流、電壓、功率,DC-DC轉(zhuǎn)換裝置的輸出電流、電壓、輸出功率、轉(zhuǎn)換效率,二次輔助電池的充放電電流及功率,負載電流及功率)監(jiān)控,以及對系統(tǒng)中一些系數(shù)的 標定。調(diào)試接口 ISP是用于對微處理器進行程序下載之用。這兩個接口電路均采用標準電 路,在此無需詳述。本實用新型研究開發(fā)的小功率混合動力系統(tǒng)的控制裝置在小功率電源裝置與二 次可充電的鋰電池所構(gòu)成的混合動力供電系統(tǒng)中,實際控制的效果非常良好,完全可以通 過對混合動力系統(tǒng)各能量單元的能量優(yōu)化分配控制以滿足電子負載的需求。由于為適應(yīng)一 些清潔新能源裝置的伏安特性起伏較大的特點,所以系統(tǒng)中主能源裝置輸出經(jīng)過了一個寬 范圍輸入的DC-DC轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換。同時該問題研究對混合動力汽車及燃料電池電動汽車的 能量分配控制也同樣有極高的借鑒作用。本實用新型主要針對清潔新能源開發(fā)利用,提出小功率混合動力供電系統(tǒng)的概念 及其控制方法,以解決清潔新能源裝置在應(yīng)用中存在工作特性波動較大及功率不足的問 題,這本身就是一種創(chuàng)新。本實用新型中使用INA170芯片,該芯片是一個雙向精密電流傳感器,在測量二次 電池工作時非常方便,由于二次電池存在充放電兩種情況,所以電流方向存在雙向性。該芯 片選用非常適合。清潔新能源裝置通常無法直接給負載供電,所以需要DC-DC轉(zhuǎn)換裝置,輸出可調(diào) 的DC-DC轉(zhuǎn)換裝置一般是調(diào)節(jié)反饋控制量,通常是調(diào)節(jié)一個電位器來實現(xiàn)DC-DC轉(zhuǎn)換裝置 輸出電壓的變化,本實用新型使用X9C102芯片,該芯片是數(shù)字程控電位器,用它取代DC-DC 轉(zhuǎn)換裝置的通用電位器,因為一般電位器通常人工調(diào)節(jié)二無法受微處理器的控制,而數(shù)字 程控電位器便于由微處理器來控制,而且調(diào)節(jié)速度與精度都很高。在小功率供電系統(tǒng)中采用混合動力供電模式的好處在于一方面解決未來清潔新 能源裝置因為其工作特性還比較脆弱,其伏安特性隨負載變化起伏較大,采用二次電源裝 置配合使用,可以彌補清潔新能源裝置供電特性不好的現(xiàn)象;另一方面可以解決清潔新能 源裝置的功率限制等問題,因為清潔新能源裝置的功率增加會伴隨系統(tǒng)體積的增加,尤其 在小功率便攜式電子負載使用中多有不便。與二次電池構(gòu)成混合動力供電方式,可以降低 供電系統(tǒng)中主電源裝置的功率儲備,因為電子負載通常配備的供電系統(tǒng)功率都要按負載最 大功率去考慮,負載不總處于最大功率狀態(tài),所以混合動力系統(tǒng)的二次能源裝置在負載需 要大功率供電時就可以起到輔助供電的作用;此外在系統(tǒng)主電源裝置故障時,二次能源裝 置還可以短時間應(yīng)急。
本實用新型共有兩張附圖,其中圖1是小功率混合動力系統(tǒng)的控制裝置結(jié)構(gòu)框圖;圖2是小功率混合動力系統(tǒng)的控制裝置電氣原理圖。
具體實施方式
本實用新型的具體實施例如附圖1結(jié)構(gòu)框圖所示,是由微處理器ATMEGA8、小功率 主電源裝置、DC-DC轉(zhuǎn)換裝置(明緯公司的SD-25A-12)、數(shù)字電位器X9C102、二次輔助電源 裝置(12V Li電池)、Ip I1, I2三個電流測量傳感器INA170所組成;附圖2所示為小功率混合動力系統(tǒng)的控制裝置電氣原理圖,所述的小功率主電源裝置的輸出端OUTPUT+經(jīng)取樣電阻Rl送到DC-DC轉(zhuǎn)換裝置的輸入端INPUT+,DC-DC轉(zhuǎn)換裝置的輸出端OUTPUT+經(jīng)取樣電 阻R2、R3后送到電子負載;所述的微處理器ATMEGA8的管腳9、10、11分別連接到數(shù)字電位 器X9C102的管腳2、1、7 ;數(shù)字電位器X9C102的管腳3連接電源Vcc,管腳5、6分別連接到 DC-DC轉(zhuǎn)換裝置的RWh和RWL ;所述的Ip I1,12三個電流測量傳感器INA170的管腳2分別 連接到電阻Rl、R2、R3的輸入端,管腳1分別連接到電阻Rl、R2、R3的輸出端,管腳5即輸 出端OUT分別連接到微處理器ATMEGA8的管腳25、28、26,并分別對地接一個電阻;在取樣 電阻Rl、R2的輸入端分別對地串接兩個分壓取樣電阻,分壓后取樣Vtl與V1,分別連接到微 處理器ATMEGA8的管腳24和27 ;微處理器ATMEGA8的管腳2、3分別連接到串行通信接口 MAX232芯片的管腳9、10,而后與上位機連接;微處理器ATMEGA8的管腳17、18、19、1分別經(jīng) 一個電阻連接到調(diào)試接口 ISP的1、9、3、5管腳。
權(quán)利要求一種小功率混合動力系統(tǒng)的控制裝置,其特征在于是由微處理器ATMEGA8、小功率主電源裝置、DC-DC轉(zhuǎn)換裝置-明緯公司的SD-25A-12、數(shù)字電位器X9C102、二次輔助電源裝置-12V Li電池、I0、I1、I2三個電流測量傳感器INA170所組成;所述的小功率主電源裝置的輸出端OUTPUT+經(jīng)取樣電阻R1送到DC-DC轉(zhuǎn)換裝置的輸入端INPUT+,DC-DC轉(zhuǎn)換裝置的輸出端OUTPUT+經(jīng)取樣電阻R2、R3后送到電子負載;所述的微處理器ATMEGA8的管腳9、10、11分別連接到數(shù)字電位器X9C102的管腳2、1、7;數(shù)字電位器X9C102的管腳3連接電源Vcc,管腳5、6分別連接到DC-DC轉(zhuǎn)換裝置的RWh和RWL;所述的I0、I1、I2三個電流測量傳感器INA170的管腳2分別連接到電阻R1、R2、R3的輸入端,管腳1分別連接到電阻R1、R2、R3的輸出端,管腳5即輸出端OUT分別連接到微處理器ATMEGA8的管腳25、28、26,并分別對地接一個電阻;在取樣電阻R1、R2的輸入端分別對地串接兩個分壓取樣電阻,分壓后取樣V0與V1,分別連接到微處理器ATMEGA8的管腳24和27;微處理器ATMEGA8的管腳2、3分別連接到串行通信接口MAX232芯片的管腳9、10,而后與上位機連接;微處理器ATMEGA8的管腳17、18、19、1分別經(jīng)一個電阻連接到調(diào)試接口ISP的1、9、3、5管腳。
專利摘要本實用新型所述的小功率混合動力系統(tǒng)的控制裝置,是由微處理器ATMEGA8、小功率主電源裝置、DC-DC轉(zhuǎn)換裝置、數(shù)字電位器X9C102、二次輔助電源裝置、I0、I1、I2三個電流測量傳感器INA170所組成。小功率主電源裝置,經(jīng)過DC-DC的升壓或穩(wěn)壓后給負載供電,根據(jù)負載需要,微處理器通過控制數(shù)字電位器達到調(diào)節(jié)DC-DC輸出電壓的目的,從而可以有效控制二次輔助電源裝置的充、放電狀態(tài),當負載小的時候,調(diào)高DC-DC輸出電壓,使小功率主電源裝置既給負載供電又給二次輔助電源裝置充電。反之,一方面控制小功率主電源裝置的輸出功率提高,同時調(diào)低DC-DC輸出電壓迫使二次輔助電源裝置放電給負載。
文檔編號G05B15/02GK201563059SQ20092001373
公開日2010年8月25日 申請日期2009年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月14日
發(fā)明者劉木林, 曾潔, 胡繼勝, 陳少華 申請人:大連交通大學(xué)