一种电动汽车光电互补智能充电系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种电动汽车光电互补智能充电系统，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；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。
【专利说明】-种电动汽车光电互补智能充电系统
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于电动装置领域，尤其涉及一种电动汽车光电互补智能充电系统。
【背景技术】
[0002] 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W将电能胆存在蓄电池中，也可W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W找到优化该一系统有效手段。
[0003] 在蓄电池充电控制方面，有研究者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。此 夕F，有研究者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。
[0004] 在光伏组件与电动汽车集成方面，有研究者研究了太阳能电池、太阳能汽车、太阳 能混合驱动W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。中山大学太阳能系统研究所研究者设计了一个W Labview为软 件支持、W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。在该个所提出的系统中，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）。实验结果证明该套系统可W很有效的 反映光伏发电系统的运行特性。英国剑桥大学研究者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。
[0005] 在电动汽车市电充电方面，华北电力大学研究者研究了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W产生积极的作用。
[0006] 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，而该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。 实用新型内容
[0007] 本实用新型的目的在于提供一种电动汽车光电互补智能充电系统，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 峰填谷的目的。
[0008] 本实用新型是该样实现的，一种电动汽车光电互补智能充电系统，包括充电供电 系统，所述充电供电系统包括蓄电池、交流适配器、光伏组件、第一降压模块、降压稳压模 块、防反二极管W及光伏控制器，所述光伏控制器包括第一组正负极接口、第二组正负极接 口和第H组正负极接口；其中，
[0009] 所述光伏组件、防反二极管并联后输出端和输入端分别与光伏控制器第一组正负 极接口的正、负极连接；所述交流适配器与220V市电相连，所述交流适配器的正极与蓄电 池正极合为一路与光伏控制器第二组正负极的负极连接，且所述交流适配器的负极与蓄电 池负极合为一路与光伏控制器第二组正负极的正极连接；
[0010] 所述第一降压模块的输入端外接负载，所述第一降压模块的输出端与降压稳压模 块的输入端，所述降压稳压模块的输出端与光伏控制器第H组正负极的负极连接，所述光 伏控制器第H组正负极的正极外接负载。
[0011] 优选地，所述电动汽车光电互补智能充电系统还包括电动汽车驱动系统，所述电 动汽车驱动系统包括STC89C52单片机和电机驱动，所述电机驱动内置L298N芯片；其中，所 述STC89C52单片机分别与电机驱动和光伏控制器连接。
[0012] 优选地，所述电动汽车光电互补智能充电系统还包括剩余发电量预测系统，所述 剩余发电量预测系统包括MSP430fl49单片机、光敏电阻W及DS1302时钟芯片；其中，所述 光敏电阻、DS1302时钟芯片分别与MSP430fl49单片机连接，所述MSP430fl49单片机与光 伏控制器连接。
[0013] 优选地，所述电动汽车光电互补智能充电系统还包括蓄电池充电控制系统，所述 蓄电池充电控制系统包括；第二降压模块、第H降压模块、电磁继电器；所述交流适配器与 所述蓄电池之间的连接线路上设有所述第二降压模块、第H降压模块、电磁继电器；其中， 所述第二降压模块的正极输入端与所述交流适配器的负极输出端连接，负极输入端与所述 交流适配器的正极输出端连接；所述第二降压模块正极输出端化utl与MSP430fl49单片机 连接，负极输出端接地；
[0014] 所述第H降压模块正极输入端与所述交流适配器的负极输出端连接，负极输入端 与所述交流适配器的正极输出端连接；所述第H降压模块正极输出端化ut2与MSP430fl49 单片机连接，负极输出端接地；
[0015] 所述电磁继电器设于所述交流适配器的负极输出端的线路上，且位于所述第二降 压模块和第H降压模块分别与交流适配器的负极输出端的两个连接点之间；
[0016] 所述电磁继电器的信号输入端IN1与MSP430fl49单片机连接；
[0017] 所述MSP430fl49单片机通过化utl、化ut2采集电压信号，通过IN1控制电磁继电 器的吸合。
[0018] 优选地，所述电动汽车光电互补智能充电系统还包括工作状态参数显示系统，所 述工作状态参数显示系统包括LCD12864液晶显示模块W及键盘模块，其中，所述LCD12864 液晶显示模块、键盘模块分别与MSP430fl49单片机连接。
[0019] 本实用新型克服现有技术的不足，提供一种电动汽车光电互补智能充电系统，首 先设计太阳能汽车组件输出功率预测系统，并根据福照度、温度、时间等参数对其进行修 正；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。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1是本实用新型电动汽车光电互补智能充电系统中充电供电系统的结构示意 图；
[0021] 图2是本实用新型STC89C52单片机的结构示意图；
[0022] 图3是本实用新型MSP430F149单片机的结构示意图；
[0023] 图4是本实用新型MSP430F149单片机的A/D采样流程图；
[0024] 图5是本实用新型电动汽车光电互补智能充电系统中测试得到的时间与发电功 率关系图；
[0025] 图6是本实用新型电动汽车光电互补智能充电系统中蓄电池充电控制系统的结 构示意图；
[0026] 图7是本实用新型电动汽车光电互补智能充电系统中电磁继电器的电路结构图；
[0027] 图8是本实用新型电动汽车光电互补智能充电系统中蓄电池充电控制系统的控 制流程图。
【具体实施方式】
[0028] 为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施 例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释 本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0029] 本实用新型提供了一种电动汽车光电互补智能充电系统，如图1所示，包括充电 供电系统，所述充电供电系统包括蓄电池、交流适配器、光伏组件、第一降压模块、降压稳压 模块、防反二极管W及光伏控制器，所述光伏控制器包括第一组正负极接口 A、第二组正负 极接口 B和第H组正负极接口 C。
[0030] 其中，所述光伏组件、防反二极管并联后输出端和输入端分别伏控制器第一组正 负极接口 A的正、负极连接。光伏组件为光伏发电装置，防反二极管起到防逆流、保护组件 的作用。光伏组件与防反二极管并联为一组光伏发电单元，根据实际情况需要增减，通过串 联的方式将多个光伏发电单元连接。在本实用新型实施例中，采用两个串联的光伏发电单 元，光伏发电单元的输出端和输入端，即光伏组件与防反二极管并联后的输出端和输入端， 分别与光伏控制器第一组正负极接口 A的正、负极连接。
[0031] 在本实用新型中，由于电动汽车体积的限制，可用于安装光伏组件的空间十分有 限，而太阳能的能量密度有比较低，该就限制光伏组件的发电量。其次由于太阳光照具有不 稳定、易受气候影响的特点。所W，需要通过光电互补的方式，保证电动汽车的正常工作。常 见的充电控制基本方法有有恒压充电和限流充电。恒压充电方式是通过整流电路对交流电 源的电压进行变压后再整流滤波实现的充电，其控制电路简单，充电电流逐渐减小。定流充 电是在恒电流控制下对电池进行充电，直至充电电压达到上限，维持充电电压不变进行恒 电压充电。综合电动汽车的性能特点和成本因素，本实用新型选择的是恒压限流的充电方 式，交流适配器规格为12V1A。其中，交流适配器与220V市电相连，所述交流适配器的正极 与蓄电池正极合为一路与光伏控制器第二组正负极B的负极连接，且所述交流适配器的负 极与蓄电池负极合为一路与光伏控制器第二组正负极B的正极连接。
[0032] 在本实用新型中，采用的是12V的蓄电池，此外还有5V和3. 3V的用电设备，该就 需要相关模块，来完成供电系统的降压和稳压任务。在最终系统中，选择了输出5V的降压 稳压模块和输出3. 3V的第一降压模块。
[0033] 所述第一降压模块的输入端与控制器的负载输出端相连，获得电能，且第一降压 模块的输出端与降压稳压模块的输入端，所述降压稳压模块的输出端与光伏控制器第H组 正负极C的负极连接，提供稳定的工作电压。所述光伏控制器第H组正负极C的正极外接 负载。
[0034] 在本实用新型中，光伏控制器通过MPPT算法确保光伏组件工作在最佳状态，同时 为负载提供电能，并根据光伏发电和负载耗电量确定蓄电池的充放电状态。
[00巧]在本实用新型实施例中，光伏组件是光伏发电系统中的核也部分，将太阳的福射 能量转换为电能，储存在蓄电池中，或者直接用于驱动负载工作。也可W将多块组件串、并 联起来，构成光伏组件方阵，提升发电容量。此外，考虑到光伏组件在汽车表面安装面积有 限，为更有效保证汽车功能，本实用新型还引入了市电充电的方式将电能存储在蓄电池中， 蓄电池做为储能系统储存组件方阵受光照后发出的电能W及市电电能并随时为负载供电， 能够更有效提高汽车的运转时间。
[0036] 在进一步的实施过程中，本实用新型还提供了将上述实施例中的充电供电系统 用于实际电机运转的技术方案，其中，上述电动汽车光电互补智能充电系统还包括电动汽 车驱动系统，所述电动汽车驱动系统包括STC89C52单片机和电机驱动，所述电机驱动内置 L298N芯片；其中，所述STC89C52单片机分别与电机驱动和光伏控制器连接。
[0037] 在本实用新型中，电动汽车驱动系统是基于STC89C52单片机实现的。该款单片机 将控制应用必须的基本内容集中在一块L298N芯片上，如图2所示，由微处理器、数据存储 器、程序存储器、并行I/O 口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器等功能 部件组成（详见参考文献：蔡美琴.MCS-51系列单片机系统及其应用[M].北京.高等教育 出版社，2004)。本实用新型中，由L298N芯片实现对电动汽车电机的驱动。模块中的关键 芯片为L298N双H桥直流/步进电机驱动芯片，芯片工作电压为直流4. 5?5. 5V。模块的 电机驱动电压为直流5?35V，可单独控制2台直流电机，直流电机转速可通过PWM方式实 现调速。
[003引在进一步的实施过程中，为了实现光伏充电和市电接入之间的智能转换，在本实 用新型实施例中，上述电动汽车光电互补智能充电系统还包括剩余发电量预测系统，所述 剩余发电量预测系统包括MSP430fl49单片机、光敏电阻W及DS1302时钟芯片；其中，所述 光敏电阻、DS1302时钟芯片分别与MSP430fl49单片机连接，所述MSP430fl49单片机与光 伏控制器连接。
[0039] MSP430fl49单片机工作电压低，1. 8?3. 6V电压下均可正常工作，系统功耗低。拥 有16位高效RSIC-CPU，27条指令，绝大多数指令可W在一个时钟周期内完成。所有外围模 块的控制都是通过特殊寄存器来实现的。程序编写相对简单，可通过专用编程器，选择汇编 或C语目编程。
[0040] MSP430F149单片机，如图3所示，内置一个12位的A/D转换器ADC12、采样保持器 和模拟多路器，具有高速通用的特点，适合于精密的数据采集和转换，能够对8个外部模拟 通道和4个内部电压通道进行A/D转换。其中，MSP430F149单片机的A/D采样流程图如图 4所示。
[00川选用了 MSP430fl49单片机作为电动汽车光电互补智能充电控制系统的检测与控 制功能的核也单片机。
[0042] 光敏电阻是对光信号进行转换的传感器，对环境光强较为敏感，可W用来检测周 围环境的見度和光强。
[0043] 时钟模块的核也是DS1302时钟芯片，芯片内含有一个实时时钟/日历和31字节 静态RAM，时钟模块的实时时钟/日历提供砂、分、时、日、周、月、年的时间信息，此外还可W 自动调整每月的天数和闻年的天数。采用24或12小时时钟格式可通过操作AM/PM指示来 决定。通过同步串行的通信方式可W实现DS1302时钟芯片与MSP430fl49单片机之间的简 单通信，仅需用到H个口线：a)RST复位（2)I/0数据线（3)SCLK串行时钟。
[0044] DS1302时钟芯片工作时功耗很低，可通过模块自带的纽扣电池供电，保持数据和 时钟信息时功率小于ImW。模块供电电压兼容3. 3V/5V，SCLK为时钟接口，I/O为数据接口， RST为复位接口，H个接口都可W接单片机任意I/O端口实现通信传输。
[0045] 对上述剩余发电量预测系统的输出功率进行设计和分析，具体过程如下：
[0046] 福射度，通常称为光强，即入射到单位面积上的光功率，单位是w/m2或mw/cm 2。对 地面应用，规定的标准福照度为l〇〇〇w/m2。考虑到太阳光本身随时间、地点而变化，照射到 太阳能电池板上的光强也在不断发生变化，导致实际应用时太阳电池的性能参数的改变。
[0047] 光照特性指的是娃型光伏电池的电气性能与光照强度之间的关系。其中，开路电 压U。。随光照强度的升高呈对数比例增加，短路电流Ise和输出功率均与光照强度成正比 (详见参考文献；赵争鸣，刘建政，孙晓巧.太阳能光伏发电及其应用[M].北京.科学出版 社，2005.)。
[004引实测环境下，在近似标准光照条件时，测试得出的时间与发电功率关系如图5所 示（详见参考文献：下坤，崔泉新，张经巧.一种光伏组件输出功率的估算模型[J].可再生 能源，2014,3:275-278.)。
[0049] 由图5可知，一天中，该光伏组件输出功率与时间之间的关系大致如下表1所示。
[0050] 表1实际输出功率、预计发电量与时间的关系
[0051]
【权利要求】
1. 一种电动汽车光电互补智能充电系统，其特征在于，包括充电供电系统，所述充电供 电系统包括蓄电池、交流适配器、光伏组件、第一降压模块、降压稳压模块、防反二极管以及 光伏控制器，所述光伏控制器包括第一组正负极接口、第二组正负极接口和第三组正负极 接口；其中， 所述光伏组件、防反二极管并联后输出端和输入端分别与光伏控制器第一组正负极接 口的正、负极连接；所述交流适配器与220V市电相连，所述交流适配器的正极与蓄电池正 极合为一路与光伏控制器第二组正负极的负极连接，且所述交流适配器的负极与蓄电池负 极合为一路与光伏控制器第二组正负极的正极连接； 所述第一降压模块的输入端外接负载，所述第一降压模块的输出端与降压稳压模块的 输入端，所述降压稳压模块的输出端与光伏控制器第三组正负极的负极连接，所述光伏控 制器第三组正负极的正极外接负载。
2. 如权利要求1所述的电动汽车光电互补智能充电系统，其特征在于，所述电动汽车 光电互补智能充电系统还包括电动汽车驱动系统，所述电动汽车驱动系统包括STC89C52 单片机和电机驱动，所述电机驱动内置L298N芯片；其中，所述STC89C52单片机分别与电机 驱动和光伏控制器连接。
3. 如权利要求2所述的电动汽车光电互补智能充电系统，其特征在于，所述电动汽 车光电互补智能充电系统还包括剩余发电量预测系统，所述剩余发电量预测系统包括 MSP430H49单片机、光敏电阻以及DS1302时钟芯片；其中，所述光敏电阻、DS1302时钟芯片 分别与MSP430H49单片机连接，所述MSP430H49单片机与光伏控制器连接。
4. 如权利要求3所述的电动汽车光电互补智能充电系统，其特征在于，所述电动汽车 光电互补智能充电系统还包括蓄电池充电控制系统，所述蓄电池充电控制系统包括：第二 降压模块、第三降压模块、电磁继电器；所述交流适配器与所述蓄电池之间的连接线路上设 有所述第二降压模块、第三降压模块、电磁继电器；其中，所述第二降压模块的正极输入端 与所述交流适配器的负极输出端连接，第二降压模块负极输入端与所述交流适配器的正极 输出端连接；所述第二降压模块正极输出端Uoutl与MSP430f 149单片机连接，第二降压模 块负极输出端接地； 所述第三降压模块正极输入端与所述交流适配器的负极输出端连接，第三降压模块负 极输入端与所述交流适配器的正极输出端连接；所述第三降压模块正极输出端Uout2与 MSP430f 149单片机连接，第三降压模块负极输出端接地； 所述电磁继电器设于所述交流适配器的负极输出端的线路上，且位于所述第二降压模 块和第三降压模块分别与交流适配器的负极输出端的两个连接点之间； 所述电磁继电器的信号输入端IN1与MSP430H49单片机连接； 所述MSP430f 149单片机通过Uoutl、Uout2采集电压信号，通过IN1控制电磁继电器的 吸合。
5. 如权利要求4所述的电动汽车光电互补智能充电系统，其特征在于，所述电动汽车 光电互补智能充电系统还包括工作状态参数显示系统，所述工作状态参数显示系统包括 IXD12864液晶显示模块以及键盘模块，其中，所述IXD12864液晶显示模块、键盘模块分别 与MSP430H49单片机连接。
【文档编号】H02J7/35GK204205699SQ201420669537
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月11日 优先权日:2014年11月11日
【发明者】马玉龙, 卢杰, 况亚伟, 张德宝, 张静 申请人:常熟理工学院