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太阳能电池板车用控制器设计及MPPT算法改进
| 论文题名： | 太阳能电池板车用控制器设计及MPPT算法改进 |
| 关键词： | 新能源汽车;太阳能电池板控制器;恒压输出;最大功率点跟踪 |
| 摘要： | 随着双碳时代的到来，太阳能发电产业和新能源汽车产业快速发展。将太阳能电池板搭载于新能源汽车，作为辅助供电设备，有助于扩大光伏产品内需，提升新能源汽车续航里程。太阳能电池板控制器是把太阳能电池板发出的电能转换成负载所需电能的装置，通常具备最大功率点跟踪(Max Power Point Tracking，MPPT)功能，以实现更高的太阳能发电效率。 针对中小型乘用车和轻型物流车功能和性能需求的特点，本文设计了一款太阳能电池板控制器，该控制器在硬件性能和通讯功能上更符合车用需求，软件采用改进型MPPT算法，具备恒压输出和最大功率点跟踪功能，为车载用电器和蓄电池提供高质量的电能。论文的主要工作如下: 首先，在调研国内外车用太阳能及控制器研究现状的基础上，探究太阳能电池板的输出特性和同步Buck变换电路的基本原理，针对车用辅助供电的使用场景，设计恒压输出和最大功率输出模式、电路保护机制和控制器局域网(Controller Area Network，CAN)通讯功能。 其次，研制太阳能电池板控制器硬件和软件系统。对硬件系统进行模块化设计，包括电能变换主电路、保护电路、主控芯片最小系统、辅助电源、采样电路、显示驱动、CAN通讯和散热设计，并采用车规级元器件，满足车用场景的硬件性能需求。软件系统采用面向对象和分层设计思想，实现输出稳压、最大功率点跟踪和监控保护功能。本文基于状态空间平均法对同步Buck电路进行小信号建模，计算传递函数并分析伯德图，设计数字PI控制器，结合示波器对输出电压阶跃响应的实测波形，优化控制PI参数，提升输出稳压性能。 然后，设计并实现一种改进型MPPT算法。在经典扰动观察MPPT算法的基础上，结合车用场景对电压安全可控性的需求，对算法控制结构进行改进，提出外环输出功率跟踪和内环输出稳压协同控制策略，并对采样数据滤波环节和扰动阈值进行优化，在保证功率跟踪效果的同时，提升太阳能电池板控制器最大功率点跟踪功能的供电安全性和抗干扰性能。 最后，完成太阳能电池板控制器的功能测试和验证。在电路保护功能测试中，控制器对异常状态的响应时间在20ms以内;在输出稳压功能测试中，输出电压纹波小于200mV，阶跃响应调节时间为1.88ms;在最大功率点跟踪功能测试中，对负载供电的跟踪效率能够达到90％以上，并通过与经典扰动观察MPPT算法对照实验验证了改进型MPPT算法性能的优越性。 |
| 作者： | 尹牡骙 |
| 专业： | 控制科学与工程 |
| 导师： | 秦琳琳 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 中国科学技术大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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