臺灣博碩士論文加值系統

本論文旨在於研製一太陽能電池脈波充放電技術，其功能為使太陽能電池依最大輸出功率來進行充放電。由於太陽能電池之輸出功率易受環境的影響，本論文提出變頻式功率增量電導太陽最大功率追蹤(PIINC-MPPT)技術，以獲得太陽能電池之最大功率轉換。本研究以交錯式返馳式轉換器為基礎針對三顆12V鉛酸電池來進行充放電策略，達成所需要的充放電模式。此外，本研究使用微處理器來實現最大功率追蹤與主動開關之控制，以適時提供最佳電池充放電管理策略。本研究採用交錯汲能技術主要目的是希望在充放電過程中不中斷PIINC-MPPT，使太陽能能夠持續進行充放電策略。本研究採用ReflexTM充電法，首先在一特定時域對第一顆主電池充電，接著在其進行負派波充電時(相當於放電)，並讓第二顆副電池持續進行浮充電。基於能量回收理念，主電池放電時是針對第三顆電池充電以達到能源不浪費之目的。

The goal of this thesis is develop a PV pulse charging technology for charging the battery with maximum power point tracking (MPPT). Since the PV module is susceptible to environmental impact, a new power- increment-based incremental-conductance MPPT (PIINC-MPPT) is proposed to obtain maximum power conversion from the PV module. In this thesis, an interleaved flyback converter is adopted to charge three 12V lead-acid batteries without interrupting the PIINC-MPPT. In addition, this study uses a microprocessor to achieve MPPT and active switch the control to timely provide the best battery charge and discharge management strategy. In this study, the main purpose of cross drain energy technology is to the charge-discharge process is not interrupted PIINC-MPPT. solar energy can continue to charge and discharge policies.
In this study, ReflexTM charging method is employed to charge the first main battery with positive pulse in a particular interval, and then turns to negative charge (equivalent to discharge from the main battery) while the second battery goes floating charge. The main battery discharging to the third battery charge for the equivalence of negative pulse charge is based on the concept of energy recovery.

目錄
摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XII
緒論 1
　　1.1 研究背景與動機 1
1.2 研究目的 3
1.3 論文架構 4
太陽能電池最大功率追蹤技術 6
2.1 太陽能電池原理與種類 6
2.2 太陽能電池特性分析 11
2.3 太陽能電池最大功率追蹤法 16
　　　　2.3.1 電壓回授法 16
　　　　2.3.2 功率回授法 17
　　　　2.3.3 實際量測法 17
　　　　2.3.4 直線近似法 17
　　　　2.3.5 擾動觀察法 18
　　　　2.3.6 增量電導法 18
2.4 最大功率追蹤法優缺點與應用之比較 19
鉛酸電池及充放電技術 21
3.1 鉛酸電池簡介 21
3.2 鉛酸電池充放電特性與種類 21
　　　　3.2.1 定電壓充電法 23
　　　　3.2.2 定電流充電法 23
　　　　3.2.3 混合定電流與定電壓充電法 24
　　　　3.2.4 脈衝電流充電法 25
　　　　3.2.5 ReflexTM充電法 25
變頻增量電導最大功率追蹤之交錯返馳式轉換器 27
4.1 交錯返馳式直流轉換器 27
4.2 增量電導法最大功率追蹤策略 28
4.3 變頻式增量電導法 30
第五章 太陽能交錯返馳式充放電系統 35
5.1 系統簡介 35
5.2 系統狀態分析 37
5.3 控制策略 46
　　　　5.3.1 類比控制 46
5.3.2 數位控制 48
第六章 軟體設計與規劃 49
6.1 最大功率追蹤之軟體設計 49
6.2 軟硬體間之介面 51
第七章 設計考量 53
7.1 太陽能最大功率追蹤與充電法之選用 53
7.2 交錯返馳式直流轉換器的設計需知 53
7.2.1 變壓器設計 53
7.2.2 充放電設計 58
7.2.3 功率開關頻率設定 59
7.3 DSP控制器 59
7.4 元件估測與選用 61
第八章 實務設計與量 62
8.1 設計範例 62
8.2 量測與討論 72
第九章 結論與未來展望 81
參考文獻 82

圖目錄
圖1-1 台灣能源供給結構 2
圖2-1 太陽能電池發電原理 6
圖2-2 太陽能電池基本結構圖 7
圖2-3 太陽能電池等效電路 12
圖2-4 不同照度下對太陽能電池輸出電壓跟輸出電流影響 15
圖2-5 不同溫度下對太陽能電池輸出電壓跟輸出電流影響 15
圖3-1 定電壓充電法示意圖 23
圖3-2 定電流充電法示意圖 24
圖3-3 混合定電流與定電壓充電法示意圖 24
圖3-4 脈衝電流充電法示意圖 25
圖3-5 ReflexTM充電法示意圖 26
圖4-1 交錯返馳式直流轉換器架構圖 28
圖4-2 太陽電池最大功率P_pv-V_pv與I_pv-V_pv之比較圖 30
圖4-3 增量電導法控制演算法 31
圖4-4 太陽能電池特性、電導和頻率關係 33
圖4-5 變頻式增量電導法控制演算法 34
圖5-1 交錯返馳式充放電電路架構圖 35
圖5-2 交錯返馳式充放電系統時序圖 36
圖5-3 交錯返馳式充放電時序圖 36
圖5-4 第一顆電池磁化電感儲能與釋放能量狀態圖 41
圖5-5 第二顆電池磁化電感儲能與釋放能量狀態圖 41
圖5-6 第一顆電池磁化電感儲能及電容輸出狀態圖 41
圖5-7 第二顆電池磁化電感儲能及電容輸出狀態圖 42
圖5-8 第一顆電池磁化電感釋放能量狀態圖 42
圖5-9 第二顆電池磁化電感釋放能量狀態圖 42
圖5-10 第一顆電池磁化電感儲能與釋放能量狀態圖 43
圖5-11 第二顆電池磁化電感儲能與釋放能量狀態圖 43
圖5-12 第一顆電池磁化電感儲能及電容輸出狀態圖 43
圖5-13 第二顆電池磁化電感儲能及電容輸出狀態圖 44
圖5-14 第一顆電池磁化電感釋放能量狀態圖 44
圖5-15 第二顆電池磁化電感釋放能量狀態圖 44
圖5-16 第三顆電池磁化電感儲能狀態圖 45
圖5-17 第三顆電池磁化電感釋放能量狀態圖 45
圖5-18 第三顆電池電容輸出狀態圖 46
圖5-19 類比控制開關合成示意圖 47
圖5-20 XOR閘真值表 47
圖5-21 AND閘真值表 48
圖6-1 程式啟動流程圖 50
圖6-2 變頻式最大功率追蹤流程圖 51
圖6-3 軟硬體間介面圖 52
圖7-1 EE型變壓器結構圖 54
圖7-2 充放電電路架構圖 58
圖7-3 充放電時序圖 59
圖8-1 IRF460接腳圖 62
圖8-2 TLP350驅動電路 63
圖8-3 LEM LA20-PB 63
圖8-4 變壓器實體 64
圖8-5 電池實體 65
圖8-6 TL494內部構造 65
圖8-7 HD74LS86P腳位圖 66
圖8-8 HD74LS08P腳位圖 66
圖8-9 dsPIC33FJ06GS202功能架構圖 67
圖8-10 dsPIC33FJ06GS202腳位圖 67
圖8-11 ADC功能架構圖 69
圖8-12 ADCON暫存器 69
圖8-13 ADPCFG暫存器 69
圖8-14 ADCPC0暫存器 69
圖8-15 Timer2功能架構圖 70
圖8-16 PWM功能架構圖 70
圖8-17 PTCON暫存器 71
圖8-18 PTCON2暫存器 71
圖8-19 PWMCONx暫存器 71
圖8-20 PHASEx暫存器 71
圖8-21 系統開關波形(Hor: 500μs⁄div) 72
圖8-22 1000W⁄m^2 追至最大功率點 73
圖8-23 600W⁄m^2 追至最大功率點 73
圖8-24 300W⁄m^2 追至最大功率點 73
圖8-25 1000W⁄m^2 交錯返馳式轉換器輸入電流(Hor: 10μs⁄div) 74
圖8-26 600W⁄m^2 交錯返馳式轉換器輸入電流(Hor: 10μs⁄div) 74
圖8-27 300W⁄m^2 交錯返馳式轉換器輸入電流(Hor: 10μs⁄div) 75
圖8-28 1000W⁄m^2 交錯返馳式轉換器輸出電流(Hor: 10μs⁄div) 75
圖8-29 600W⁄m^2 交錯返馳式轉換器輸出電流(Hor: 10μs⁄div) 76
圖8-30 300W⁄m^2 交錯返馳式轉換器輸出電流(Hor: 10μs⁄div) 76
圖8-31 1000W⁄m^2 電池1與電池2之電流(Hor: 100μs⁄div) 77
圖8-32 600W⁄m^2 電池1與電池2之電流(Hor: 100μs⁄div) 77
圖8-33 300W⁄m^2 電池1與電池2之電流(Hor: 100μs⁄div) 78
圖8-34 1000W⁄m^2 電池1與電池3之電流(Hor: 500μs⁄div) 78
圖8-35 600W⁄m^2 電池1與電池3之電流(Hor: 500μs⁄div) 79
圖8-36 300W⁄m^2 電池1與電池3之電流(Hor: 500μs⁄div) 79
圖8-37 電池SOC與溫度比較圖 80
圖8-38 系統實體電路圖 80

表目錄
表1-1 台灣每年能源供給表 1
表2-1 太陽能電池種類 8
表2-2 太陽能電池規格表(1 kW⁄m^2 ，25℃) 14
表2-3 最大功率追蹤法之優缺點比較與應用 19
表7-1 變壓器之參數表 57

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