文摘
介绍了充电器和LED照明(放电器)混合系统与光伏阵列作为其电源电子信号指示应用程序。充电器采用buck-boost转换器操作在恒流模式下充电铅酸电池和扰乱和观察方法提取光伏阵列的最大功率。由单片机实现控制算法。此外,与有源箝位电路转换器操作在稳压状态驱动LED电子签名应用程序。简化的电路结构提出了混合变换器,开关的两个转换器集成开关集成技术。使用这种方法,提出混合动力转换器有几个优点,更少的组件数量、轻重量、小尺寸,和更高的转换效率。最后,领导的一个原型驱动系统在10 V的输出电压和输出功率20 W的实现来验证其可行性。适用于电子信号指示应用程序。
1。介绍
近年来,发光二极管(led)的广泛应用越来越普遍。由于材料的进步在过去的几十年中,led增加了许多倍的效率1),及其应用迅速增长的汽车尾灯、液晶背灯、交通信号灯、电子信号(2,3]。此外,严重的过度使用化石燃料造成的温室效应和环境污染已经扰乱了全球气候的平衡。为了减少疲惫的气体排放、零排放可再生能源已经得到迅速发展。这些来源之一是光伏阵列,它是干净和安静,发电的一种有效方法。如上所述,本文提出了LED驱动系统,采用电子签名应用的光伏阵列。
在电子签名应用程序使用光伏阵列时,电力系统将不可避免地需要电池在白天储存能量和释放能量的LED照明在夜间。因此,它需要一个充电器和放电器(LED驱动电路),如图1。自提出电力系统属于低功率应用中,巴克提振,buck-boost,回程或转换器应用于提出一个(4- - - - - -12]。在这些电路结构,根据光伏输出电压之间的关系、电池电压,输出电压,提出混合动力转换器可以选择功能,升压,(同时)的充电器或放电器更广泛的应用。由于前面描述的原因,提出了一个采用buck-boost转换器的充电器和放电器使用转换器。此外,由于变频器出口两个问题,即能量被困在漏电感和变压器的磁化电感器,它需要一个制动装置或电路恢复这些能量。因此,向前转换器可以使用一个有源箝位电路来解决这些问题。为了简化该混合转换器和提高转换效率,双向buck-boost转换器和主动夹使用转换器,如图2。因为充电器和放电器(LED驱动电路)的混合转换器在补充和他们使用的开关操作控制他们的操作状态,电感器buck-boost转换器和磁化电感器的变压器可以合并。因此,交换机的双向buck-boost转换器和主动夹向前转换器与同步开关技术(集成在一起13减少组件数量,如图3。这种电路结构,提出了一个能产生更高的效率,减少重量,尺寸,和数量,增加电池的放电时间相同的储存能量,显著。
提出的混合转换器使用光伏阵列供电LED照明电子签名应用程序。提出了一个包括充电器和放电器。自提出一个使用光伏阵列作为其电源,它必须在光伏阵列的最大功率点(MPP)提取其最大功率。翻译许多最大功率点跟踪(MPPT)方法提出了光伏阵列的14- - - - - -21]。它们分别功率匹配(14,15),曲线拟合(16,17],perturb-and-observe [18,19),和增量电导(20.,21)方法。由于功率匹配方法需要特定的日晒或负载条件,它将限制其应用。MPPT利用曲线拟合技术之前需要建立光伏阵列特性曲线。无法预测的特点包括其他因素,如老化,温度,和可能的单个细胞的分解。增量电导技术需要一个精确的数学运算。它的控制器是更复杂的和更高的成本。由于简单的控制和降低成本的扰乱和观察方法,提出混合动力转换器采用翻译实现MPPT的扰乱和观察方法。
电子签名应用程序使用,电力系统需要电池储存能量在一天和放电能量在晚上驾驶了。为了产生更好的电池充电性能,提出了许多电池充电方法。它们是常数涓流电流(CTC),恒流(CC)、CC和恒压(CC-CV)混合充电方法22]。在这些方法中,CTC充电方法需要一个更大的充电时间。电池充电使用CC-CV方法需要电池电流和电压,导致一个更复杂的操作和更高的成本。由于一个简单的控制器电池充电器使用CC充电方法,采用了混合动力转换器。根据上面的描述,提出了混合动力转换器使用扰乱和观察方法跟踪光伏阵列的MPP和采用CC充电方法来简化电池充电。所有整体电力系统可以实现电池充电和领导开车。
2。电路结构的推导提出了混合动力转换器
混合转换器由双向buck-boost和主动夹向前转换器,如图2。由于两个转换器之间的互补的操作,两个开关双(,)和(,)可以在同步操作。它将不影响原始转换器的操作提出了。因为开关双(,)有一个共同的节点,他们满足开关集成技术的要求11]。根据开关集成技术原理,开关和可以合并,如图4(一)。因为充电器和LED驱动电路(放电器)是在互补,开关和也被视为一个独立的操作。因此,在开关电压和相同的值在每个操作的状态。二极管和可以删除,而二极管吗和可以做空,如图4 (b)。在图4 (b),因为≪,可以被忽视。电感器的和磁化并行连接。尽管电感的特性和是不同的,他们的设计规则,以避免他们在饱和状态。因此,他们可以合并为电感,如图4 (c)。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
从图4 (c)可以看出,开关和有一个共同的节点。他们可以使用开关集成技术结合,如图4 (d)。因为电压在和是相同的价值观,二极管吗和做空和二极管和可以删除,如图4 (e)。从图4 (e)它可以发现,电容器和并行连接。他们可以集成电容器,如图4 (f)。为了简化组件如图的象征4 (f)组件符号将被重新命名,如图3。注意开关可以通过手动或自动操作方法控制提出了混合动力转换器的操作状态。
Buck-boost和转发转换器结合形成该混合动力转换器。自从buck-boost转换器的操作是一样的传统buck-boot转换器,其工作原理是描述在8]。它不会被描述。远期与有源箝位电路转换器恢复能量存储在磁化和变压器的漏电感和达到问世至今开关(ZVS)开关的开机过渡和。它操作模式可分为9模式及其关键波形见图5,因为他们的运作模式是传统的类似模式转换器所示(23]。也没有在本文中描述。
3所示。提出了混合动力转换器的设计
提出了混合转换器由buck-boost转换器和主动夹转换器。自开关和电感器在两个转换器集成同步开关技术,设计提出了一个必须满足的要求每一个转换器。因为主动向前夹转换器的设计中说明了(23),buck-boost转换器只是短暂地在以下分析。
3.1。Buck-Boost转换器
自从buck-boost转换器被认为是在恒流充电电池充电器。其设计考虑是为了避免完全饱和电感。因此,责任比和电感分析了以下。
3.1.1。占空比
在充电模式,因为电池电压被视为一个常数电压在一个开关周期的混合转换器,最大责任比吗提出了一个可以确定的伏秒平衡电感。它表示为的关系 在哪里光伏阵列的最小输出电压,电池的最大电压,代表提出了混合动力转换器的周期。从(1),它可以发现可以说明 此外,转移率也可以确定如下:
当选择类型的电池,它的最大充电电流也确定。的充电电流从它的最大充电电流可以改变吗变化的责任比为0的开关。
3.1.2。电感器
自提出混合转换器在CCM获得最大充电电流,其概念的电感电流波形和充电电流说明在图6。如果提出一个操作的边界不连续导电模式(DCM)和CCM,充电电流表达的是 在哪里是电感在边界条件。根据(4),占空比的变化可以获得不同的充电电流。一般来说,最大充电电流发生在最大的电池电压和最大输出电压光伏阵列。因此,电感器的边界可以由 在哪里是开关的占空比下和。从(5),它可以发现的最大边界电感可以表示为
自提出混合转换器操作在CCM,电感器必须大于。因此,当,,,指定的最小电感吗(=)可以确定。
为了避免变压器的核心在饱和状态下操作,工作通量密度必须小于饱和磁通密度的核心。自最大电感电流成正比吗,必须首先确定。在图6,可以表示为 在哪里电感电流的初始值吗在CCM和操作代表其最大变化值。一般来说,其最大价值可以由 在哪里代表了开关的占空比下和。此外,最大充电电流可以表示为 从(9),初始值可以确定如下: 从(7),(8)和(10),可以表示为 根据数据表的核心由核心制造商提供的数量在变压器的原边可以获得的 在哪里代表每转2。也就是说,。通过应用法拉第定律,可以确定为 在哪里变压器铁心的有效截面面积。为了避免饱和条件的核心,必须小于饱和通量密度的核心。
4所示。的配置提出光伏混合转换器
自提出光伏电力系统包括充电器和放电器,采用光伏阵列作为其电源,其电路结构和控制算法在下面描述。
4.1。提出光伏电力系统的电路结构
提出的光伏电力系统由电池充电器、LED驱动电路(放电器)和控制器,如图1。电池充电器和LED驱动电路使用buck-boost和主动夹向前混合转换器如图3。此外,控制器采用芯片和电池充电管理PWM集成电路和LED驱动电路。翻译芯片分为3单位(MPPT,电源管理,和电池管理单元)翻译实现MPPT的光伏阵列和电池充电。PWM集成电路用于调节LED驱动电路的输出电压。翻译在控制器的微芯片,MPPT单位感官PV电压和当前翻译要实现MPPT采用扰乱和观察方法。电池管理单元获得电池电压和当前实现CC的充电电池。自提出混合翻译转换器必须匹配MPPT的光伏阵列和CC充电模式,电源管理单元可以管理光伏阵列和电池之间的功率流,根据光伏阵列的生成能力的关系和所需功率的电池充电。所有的保护是由芯片实现。包括过流保护和过压保护提出了混合转换器和充电不足和过度充电的电池。因此,提出了一个可以实现光伏阵列的最佳效用率和电池充电的更好的性能。
4.2。控制算法的混合动力转换器
在图1,提出混合动力转换器的控制器包括芯片和PWM集成电路实现蓄电池充电和领导开车。为了实现电池充电和领导开车,混合动力转换器的框图如图7。在图7在表中定义、控制信号1。在以下,为电池充电控制算法和领导开车的简要描述。
4.2.1。准备电池充电
自提出混合转换器供电负荷从光伏阵列,提出的翻译则必须执行MPPT光伏阵列和电池充电电池。翻译的MPPT控制方法和电池充电方法描述如下。
MPPT算法。从太阳能电池输出电压和电流,低的太阳能电池连接在串联和并联组成光伏阵列实现所需的PV电压和电流。它们的输出特性取决于环境温度变化和太阳日晒。图8说明了P- - - - - -V光伏阵列在不同的太阳,日晒曲线,可以看出每个日晒级别的最大力量在哪里是最日晒的太阳,而至少日晒。三个最大功率点可以通过一条直线连接。操作区域分为两个区域:一个区和B区。当运营的光伏阵列定位在一个区域,输出电流光伏阵列的减少使运行点接近最大功率点(MPP)。如果操作点设置在B区,电流将会增加操作在MPP光伏阵列。
提出了电力系统采用扰乱翻译实现MPPT和观察方法。其流程图如图9。在图9,和分别代表他们的旧的电压和功率,(=)是它的新势力。根据流程图程序翻译的MPPT使用扰乱和观察方法,第一步是读取新电压和当前光伏阵列,然后计算新的光伏发电。下一步是法官的关系和。关系以来和有三个不同的关系,他们分别是,,。每一个关系都可以对应不同的关系和。因此,当之间的关系和决定,下一步是找到的关系和。根据的关系P- - - - - -V光伏阵列曲线之间的关系和和一个决定,可以指定光伏阵列的工作点。当光伏阵列的工作点位于一个地区,电力系统连接光伏阵列提供负载功率必须减少输出功率关闭光伏阵列的工作点和MPP之间的距离。另一方面,点集在B区工作时,电力系统必须增加输出功率,使方法MPP光伏阵列的工作点。最后,取而代之的是和也代替了。流程图的程序返回第一步判断下光伏阵列的工作点。此外,当和光伏阵列的工作点设置MPP的光伏阵列。最大的力量光伏阵列是转移到电源管理单元的调节电池充电的力量。
电池充电方法。提出了混合转换器使用CC充电电池充电方法。根据电池规格,充电电压和电流为延长它的生命周期是有限的。因此,电池充电器的功率限制曲线将是有限的。图10描述了概念上的充电电流的波形、电压和功率与CC电池充电器的充电方法。电池充电时间来。当,提出了电力系统开始充电电池和电池电压在最小值。当电池充电,它的最大电压。根据最大充电电流的限制、权力限制电池充电曲线可以确定来。电池的充电能力遵循功率限制曲线延长它的生命周期。
因为电池的功率限制曲线上下值,它们分别(= ),(= )。据之间的关系,,,他们可以分为三种运行状态:,,,如图11。当、动力电池充电曲线。当、功率限制曲线相交点相交的时间在哪里。功率曲线跟踪功率限制曲线虽然痕迹后,如图11 (b)。如果操作的状态,功率曲线是由功率限制曲线,如图11 (c)。正如上面提到的,电池充电可以在更好的充电模式下操作。
| (一) |
| (b) |
| (c) |
为了实现更好的电池充电,电源管理和电池管理单元是由芯片采用和实现它们。在下面,电源管理和电池管理简要描述。
1 电源管理。在图7,控制器包括芯片和PWM集成电路。用于执行电源管理芯片时,其控制过程是描绘在图12。第一步是设置然后是阅读控制信号。控制信号包括,,,,,,,,,。当控制信号通过微芯片,下一步是进行计算(=),(=)。自翻译,实现MPPT控制方法,是光伏阵列的最大输出功率,当被证实,将平等。如果被拒绝,。的是电池充电。因此,功率误差值可以确定。它等于()。当决定,当前命令可以获得。它等于(/)。当前命令发送到PWM集成电路确定门信号和。下一步是判断当前命令。
2 电池管理。在图12,右边流程图显示了电池管理的过程。芯片读取控制信号时,电池管理程序是评判过电流状态。当被证实,提出混合动力转换器的过电流条件发生。当发生过流条件,信号设置为1。的发送PWM集成电路关闭PWM发生器,提出混合动力转换器也关闭。下一步是判断当前命令。此外,当(过度充电条件),(充电不足条件)(过度充电条件),控制过程进入设置并关闭该混合动力转换器。根据先前描述的程序,电池可以正常控制完成更好的充电状态。
3 脉宽调制集成电路。在电池充电模式下,PWM集成电路用于控制充电电流与CC的方法。首先,光电传感器是用来检测日晒的太阳。日晒高水平时,。如果日晒是低水平,。信号发送到操作模式判断获取模式控制信号。当,混合转换器输入电池充电模式。就是太阳的日晒和在一个较高的水平。如果,一个是LED驱动方式。信号日晒是在低水平。模式控制信号发送到模式选择器、开关选择器和开关吗。当模式选择器收到,反馈信号设置为等于IC。反馈信号和参考单被发送到误差放大器获得误差值。当误差值是获得,PWM发生器可以依赖确定责任比例的PWM信号和。当和指定和,开关选择器可以设置和控制充电电流的电池。如前所述,提出混合动力转换器可以使用芯片和PWM集成电路来实现电池充电。
4.2.2。领导开车
LED驱动模式被认为是电池放电模式。当操作模式进入LED驱动方式,。模式选择器可以设置操作。的和被发送到误差放大器实现吗。的是通过PWM发生器产生的信号和。自、开关选择器控制设置和。因此,提出混合动力转换器可以取决于责任门信号的比率和供电了,直到电池电压等于或小于。当,提出混合动力转换器是关闭。
5。实验结果
为了验证的电路分析和组件设计提出的电力系统,一个原型,它由一个充电器和LED驱动电路(放电器),使用下面的规范实施。
5.1。Buck-Boost转换器(充电器)
(我)输入电压17 V ~ 21(光伏阵列)(2)开关频率(3)输出电压5 ~ 7 V(铅酸电池:6 V / 2.3啊)(iv)最大输出电流。
5.2。主动夹向前转换器(LED驱动电路)
(我)输入电压V ~ 7(2)开关频率(3)输出电压(iv)最大输出电流。
根据之前的规格和设计混合转换器,电感器和和电容器可以确定。(17)所示(23),因为电感器必须大于7.09下,,,选择40。根据(6)和(22)所示23),磁化电感器必须大于6.8下,,。因此,磁化电感器是由40,而它的漏电感器得到了0.2。此外,电容器可以达到(29)所示23]。其电容是0.22下和。因此,选择了0.24。组件的功率级提出混合转换器确定如下:(我)开关,:psmn005 - 75 b,(2)二极管,:UF601,(3)变压器:EE-25核心,(iv)电感器l2:EE-22核心,(v)电容器:47μ25 F / V,(vi)开关:IRFP540。
自充电电流电池可以通过负载比不同的开关在buck-boost转换器,其价值占空比成正比。数据(13日)和13 (b)分别描述了测量电压波形的切换和当前波形占空比下0.31和0.35,说明充电电流可以增加了责任比例增加。光伏阵列的测量波形电流和电压使用扰乱和观察方法见图14。图(14日)说明了光伏阵列的MPP 10 W,而图14 (b)描述了在20 W。图15显示的是测量电池电压和当前在MPP 10 W的光伏阵列,它可以发现的最大充电电流在1.5下电池电压是有限的吗6.5 V的电源管理的控制。
(一)
(b)
(一)
(b)
提出的混合转换器操作时放电状态(LED驱动状态),主动夹在工作向前发展。测量电压和当前波形的切换和分别是,见数据吗16和17。数据(16日)和16 (b)显示这些波形满载的20%以下,而数字(17日)和17 (b)描述这些满载下波形。从数据16和17可以看出,开关和运营与ZVS开机过渡。比较之间的转换效率与硬开关变换器电路,提出了有源钳位电路从轻负荷沉重的负载如图18,可以发现,该变换器的效率高于硬开关。其最大效率是90%低于80%的全负荷和它的效率是83%在满载。图19说明了step-load变化之间的全负荷和全负荷的20%,说明电压调节是有限的在±2%。从实验结果,可以发现,该混合动力转换器适用于电子签名应用程序。
(一)
(b)
(一)
(b)
6。结论
摘要buck-boost转换器结合主动夹向前转换器组成提出了混合动力转换器是用来实现电池充电器和驾驶。电路推导混合动力转换器的开关集成技术提出了减少组件数量。工作原理、稳态分析,提出混合动力转换器的设计已经被详细描述。从效率对比转换器与硬开关电路和该有源箝位电路,提出主动夹转换器能产生更高的效率。实验原型为铅酸电池的电池充电器6 V / 2.3啊,放电器领导酒后驾车10 V / 2是建立和评估,实现最大效率的90% 80%的全负荷和验证提出的混合动力转换器的可行性。翻译此外,恒流充电方法,MPPT扰乱和观察方法,并实现了电源管理芯片和PWM集成电路。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。