小功率混合動力系統的控制裝置的製作方法

2023-12-01 01:47:51 1

專利名稱：小功率混合動力系統的控制裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型所述的小功率混合動力系統的控制裝置，涉及各能源裝置與負載的工 作電流與電壓的測量、數字電位器的可編程控制及對DC-DC的輸出電壓控制等技術與方法。
背景技術：
目前隨著石油和煤碳等礦物資源的逐漸匱乏，以及世界對環保要求的日益提高， 世界各國爭先開發清潔新能源。然而許多清潔新能源在實際應用中，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成一個混合動力供電系統。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藉助其他能源為其系統的電子電力裝置供電方可，於是這 樣的新能源裝置也自然而然地構成了一個混合動力系統，這裡所指的其他能源通常用的也 是二次可充放電裝置，在系統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。於是多種形式的混合動力系統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，既要避免混合動力系統的的主能源裝置超載，輔助二次能源裝置 過度充放電。為此研製開發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，系統實時性好，控制方法簡單，成本底，便於推廣。針對上述現有技術中所存在的問題，研究設計一種新型的小功率混合動力系統的 控制裝置，從而克服現有技術中所存在的問題是十分必要的。
發明內容鑑於上述現有技術中所存在的問題，本實用新型的目的是研究設計一種新型的小 功率混合動力系統的控制裝置，從而解決許多清潔新能源在實際應用中，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的控制裝置是由微處理器ATMEGASdUj 率主電源裝置、DC-DC轉換裝置-明緯公司的SD-25A-12、數字電位器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+經取樣電阻Rl送到DC-DC轉換裝置的輸入端INPUT+，DC-DC轉換裝 置的輸出端OUTPUT+經取樣電阻R2、R3後送到電子負載；所述的微處理器ATMEGA8的管腳 9、10、11分別連接到數字電位器X9C102的管腳2、1、7 ；數字電位器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，並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，分壓後 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晶片的管腳9、10，而後與上位機連接；微處理器ATMEGA8 的管腳17、18、19、1分別經一個電阻連接到調試接口 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的控制裝置的核心微處理器，採用了ATMEL公司的AVR的8位微處理器ATMEGA8系列，它工作溫度範圍寬，電磁兼容特性好，內有 AD轉換通道、PWM輸出及看門狗電路等，在實用中無需外擴其他晶片，所以它比一般的8位 51單片機晶片性能更好。以AVR微控制器為核心，配合電流測量傳感器、可編程控制的數字 電位器及輸出可調的DC-DC轉換裝置等電子器件和裝置研究開發出滿足小功率混合動力 系統的控制電路。系統使用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Ip I2 即可得到。同時尚需測得DC\DC轉換裝置的輸入與輸出電壓Vtl與V1,以便於功率計算。系統控制的基本思路是小功率主電源裝置，一般需要經過DC-DC的升壓或穩壓 後方可給負載供電，根據負載需要，需調節DC-DC輸出電壓來控制二次輔助電源裝置的充 放電狀態，所用DC-DC轉換裝置輸出電壓通過電位器可調節，這裡採用的是數字電位器，數 字電位器方便通過微處理器來控制調節，微處理器通過控制數字電位器達到調節DC-DC轉 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，當負載小的 時候，調高DC-DC轉換裝置輸出電壓，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，調低DC-DC轉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。混合動力系統的各能源裝置的能量分配控制根據採集到的系統的工作參 數及所研究制定的控制策略。在系統中用了 3個電流測量電路，一個測量主電源輸出電流I。(或DC-DC轉換裝 置輸入電流)，一個測DC-DC轉換裝置的輸出電流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轉換裝置輸入輸出迴路與負載 迴路上。電壓測量採用簡單的串聯電阻分壓取樣電路(最高取樣電壓不得高於微處理器 AD通道的輸入範圍)，取樣電壓信號送入微處理器AD採樣通道，後由微處理器測得對應的 實際電壓。系統所用的DC-DC轉換裝置輸出電壓可調，通過調整DC-DC轉換裝置輸出控制的 反饋量來實現的，具體是通過調整可調電位器來實現的，為便於微控制器的控制，這裡的電 位器的採用美國INTERSIL公司的可編程控制的數字可控電位計晶片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，其內部由99個電阻陣列及其電子開 關、控制與存儲器單元組成，其電阻值範圍O—一1K，該晶片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；為防止幹擾，都 加有上拉電阻。該晶片的RL端與RW端與DC-DC轉換裝置連接。系統通信接口包括微處理器與上位機間數據通信的串行接口 RS-232及調試接口 ISP0考慮到上位機對混合動力系統的監控，專門基於MAX232晶片設計了控制系統的串行 通信接口，以便於上位機與本系統間的數據通信。其目的在於對系統的工作參數(包括小 功率主電源的輸出電流、電壓、功率，DC-DC轉換裝置的輸出電流、電壓、輸出功率、轉換效率，二次輔助電池的充放電電流及功率，負載電流及功率)監控，以及對系統中一些係數的 標定。調試接口 ISP是用於對微處理器進行程序下載之用。這兩個接口電路均採用標準電 路，在此無需詳述。本實用新型研究開發的小功率混合動力系統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成的混合動力供電系統中，實際控制的效果非常良好，完全可以通 過對混合動力系統各能量單元的能量優化分配控制以滿足電子負載的需求。由於為適應一 些清潔新能源裝置的伏安特性起伏較大的特點，所以系統中主能源裝置輸出經過了一個寬 範圍輸入的DC-DC轉換裝置轉換。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鑑作用。本實用新型主要針對清潔新能源開發利用，提出小功率混合動力供電系統的概念 及其控制方法，以解決清潔新能源裝置在應用中存在工作特性波動較大及功率不足的問 題，這本身就是一種創新。本實用新型中使用INA170晶片，該晶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，由於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轉換裝置，輸出可調 的DC-DC轉換裝置一般是調節反饋控制量，通常是調節一個電位器來實現DC-DC轉換裝置 輸出電壓的變化，本實用新型使用X9C102晶片，該晶片是數字程控電位器，用它取代DC-DC 轉換裝置的通用電位器，因為一般電位器通常人工調節二無法受微處理器的控制，而數字 程控電位器便於由微處理器來控制，而且調節速度與精度都很高。在小功率供電系統中採用混合動力供電模式的好處在於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，採用二次電源裝 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體積的增加，尤其 在小功率可攜式電子負載使用中多有不便。與二次電池構成混合動力供電方式，可以降低 供電系統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功率都要按負載最 大功率去考慮，負載不總處於最大功率狀態，所以混合動力系統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；此外在系統主電源裝置故障時，二次能源裝 置還可以短時間應急。

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的控制裝置結構框圖；圖2是小功率混合動力系統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結構框圖所示，是由微處理器ATMEGA8、小功率 主電源裝置、DC-DC轉換裝置(明緯公司的SD-25A-12)、數字電位器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+經取樣電阻Rl送到DC-DC轉換裝置的輸入端INPUT+，DC-DC轉換裝置的輸出端OUTPUT+經取樣電 阻R2、R3後送到電子負載；所述的微處理器ATMEGA8的管腳9、10、11分別連接到數字電位 器X9C102的管腳2、1、7 ；數字電位器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，並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，分壓後取樣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晶片的管腳9、10，而後與上位機連接；微處理器ATMEGA8的管腳17、18、19、1分別經 一個電阻連接到調試接口 ISP的1、9、3、5管腳。
權利要求一種小功率混合動力系統的控制裝置，其特徵在於是由微處理器ATMEGA8、小功率主電源裝置、DC-DC轉換裝置-明緯公司的SD-25A-12、數字電位器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+經取樣電阻R1送到DC-DC轉換裝置的輸入端INPUT+，DC-DC轉換裝置的輸出端OUTPUT+經取樣電阻R2、R3後送到電子負載；所述的微處理器ATMEGA8的管腳9、10、11分別連接到數字電位器X9C102的管腳2、1、7；數字電位器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，並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，分壓後取樣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晶片的管腳9、10，而後與上位機連接；微處理器ATMEGA8的管腳17、18、19、1分別經一個電阻連接到調試接口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的控制裝置，是由微處理器ATMEGA8、小功率主電源裝置、DC-DC轉換裝置、數字電位器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，經過DC-DC的升壓或穩壓後給負載供電，根據負載需要，微處理器通過控制數字電位器達到調節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，當負載小的時候，調高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 優先權日2009年5月14日
發明者劉木林, 曾潔, 胡繼勝, 陳少華 申請人:大連交通大學