臺灣博碩士論文加值系統

本論文主要目的在於研製一組太陽能發電系統之電池組充、放電器。所提之充電器系統藉由太陽能板之能量做為電路輸入電源，由於太陽能板輸出功率會隨太陽日照強度不同而有所不同，因此採用DSP做為太陽能板之最大功率追蹤之控制器，同時對電池做CC-CV混合式充電控制。而放電器系統之輸入電源為鉛酸電池，為了延長電池壽命，採用DSP做定電流放電控制。此外，在控制器中也加入電池電壓的偵測，以防止電池過充及過放，來維護電池的使用壽命。
所提太陽能發電系統之電池組充電器，其電路採用交錯式昇壓轉換器搭配昇壓型緩震電路，來提高系統的轉換效率。為了簡化所提之充電器電路，將兩組昇壓型緩震電路使用開關整合技術合併成一組緩震電路。採用本文所提緩震電路架構，可使開關在導通轉態時達到零電壓切換特性，也可在截止轉態時達到零電壓轉態的特性，並且可應用於N組的交錯式昇壓轉換器，來提昇轉換器的轉換效率。而放電器採用交錯式耦合電感的操作方法，來提升轉換器的昇壓比。最後，經由實驗結果驗證電路之可行。

The main objective of this thesis to design and implement a battery charger and discharger for photovoltaic (PV) power system. In the proposed charger, since output power of PV arrays depends on the insolation variation of sun, the controller with DSP is adopted to implement maximum power point tracking (MPPT) of PV arrays and CC-CV hybrid charge of battery. The proposed discharger, also uses the DSP controller to achieve battery discharge with constant current (CC) method. Moreover, the DSP one is used to detect battery voltage for avoiding undercharge and overcharge of battery to expand its life cycle.
The proposed charger system adopts interleaved boots converter associated with boost type snubber to increase conversion efficiency. In order to simplify circuit structure of the proposed one, two boost type snubbers can use switch integration technique to merge them. The proposed converter can be operated with zero-voltage switching at turn on and with zero-voltage transition at turn off. Moreover, the proposed snubber can be used in N sets of interleaved boost converters to increase conversion efficiency. The discharger adopts an interleaved boost converter with coupling-inductor circuit to achieve high step-up voltage ratio. Finally, from experimental results it can be found that, the proposed charger can achieve MPPT and CC-CV charge feature and the proposed discharger can implement constant current(CC) discharge for verifying the feasibility of the proposed PV power system.

目 錄
指導教授推薦書 i
口試委員會審定書 ii
授權書 iii
誌謝 iv
中文摘要 v
英文摘要 vi
目錄 viii
圖目錄 xi
表目錄 xvii
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究目的 3
1.3 論文大綱 4
第二章 太陽能電池發電原理與特性 5
2.1 發電原理 5
2.2 分類與特性比較 6
2.3 太陽能電池的應用 11
2.3.1 串聯應用 14
2.3.2 並聯應用 16
2.4 最大功率追蹤原理與控制方法 17
第三章 二次電池特性與應用 27
3.1 各類電池之特性 27
3.2 充電控制與方法 30
3.2.1 定電壓(C.V.)充電 31
3.2.2 定電流(C.C.)充電 32
3.2.3 定電流.定電壓(C.C..C.V.)充電 33
3.2.4 脈衝式充電 34
3.2.5 反射式充電 35
3.3 放電控制與方法 36
3.4 電池應用 38
3.4.1 串聯應用 39
3.4.2 並聯應用 41
第四章 充放電器電路設計與分析 42
4.1 充放電器系統電路架構 42
4.2 充電器電路系統 44
4.2.1 電路推演 44
4.2.2 動作原理 50
4.2.3 元件分析與設計 56
4.2.4 充電模式選用與控制 60
A 控制電路規劃 60
B 充電控制 65
C 最大功率追蹤器電路規劃與設計 70
4.3 放電器電路系統 73
4.3.1 電路推演 73
4.3.2 動作原理 78
4.3.3 元件分析與設計 87
4.3.4 控制電路規劃 91
4.3.5 定電流(C.C.)放電之軟體規劃 97
第五章 實驗結果 100
5.1 充放電器電路系統規格 100
5.2 實驗結果 105
5.2.1 充電器電路實驗結果 105
5.2.2 放電器電路實驗結果 117
第六章 結論與未來研究方向 124
6.1 結論 124
6.2 未來研究方向 124
參考文獻 125
圖 目 錄
圖 1-1 全球能源使用趨勢圖 2
圖 2-1 太陽能電池發電原理架構圖 6
圖 2-2 單晶矽太陽能電池 8
圖 2-3 多晶矽太陽能電池 9
圖 2-4 非晶矽太陽能電池 10
圖 2-5 太陽能板等效電路 11
圖 2-6 不同日照強度下的V.I及P.V特性曲線 12
圖 2-7 不同溫度下的V.I及P.V特性曲線 13
圖 2-8 太陽能電池串並聯之等效電路圖 14
圖 2-9 電壓回授法之最大功率追蹤電路方塊圖 18
圖 2-10 太陽能電池P-V特性曲線 19
圖 2-11 功率回授法之最大功率追蹤電路方塊圖 19
圖 2-12 擾動與觀察法之最大功率追蹤電路方塊圖 21
圖 2-13 擾動與觀察法的控制流程圖 21
圖 2-14 增量電導法之最大功率追蹤電路方塊圖 23
圖 2-15 直線近似法之最大功率追蹤電路方塊圖 24
圖 2-16 直線近似法太陽能板的P-I特性曲線 24
圖 2-17 實際量測法之最大功率追蹤電路方塊圖 25
圖 3-1 定電壓充電之充電曲線 31
圖 3-2 定電流充電之充電曲線 32
圖 3-3 定電流充電之-ΔV控制曲線 33
圖 3-4 混合定電流/定電壓充電之電壓-電流曲線 34
圖 3-5 脈衝式充電之電壓-電流曲線 35
圖 3-6 反射式充電電流曲線 36
圖 3-7 放電時間與放電電流 38
圖 3-8 循環使用壽命曲線圖 38
圖 3-9 串聯電池組示意圖 40
圖 3-10 並聯電池組示意圖 41
圖 4-1 充電器電路架構方塊圖 44
圖 4-2 傳統昇壓轉換器電路圖 45
圖 4-3 交錯式昇壓轉換器昇壓轉換器電路圖 46
圖 4-4 具昇壓型緩震電路之昇壓轉換器電路圖 47
圖 4-5 本文所提轉換器推衍過程 49
圖 4-6 所提轉換器在半個完整切換週期之各操作模式等效電路圖 52
圖 4-7 所提交錯式昇壓轉換器各重要元件電壓電流波形示意圖 55
圖 4-8 操作在邊界條件時昇壓轉換器電感、輸出二極體及輸出電流波形示意圖 56
圖 4-9 開關元件的操作時之電壓及電流波形示意圖：(a)一完整切換週期(b)導通轉態期間 59
圖 4-10 本文所提交錯式軟切昇壓轉換器主開關驅動訊號示意圖 62
圖 4-11 本文所提交錯式軟切昇壓轉換器控制與驅動訊號示意圖 62
圖 4-12 控制與驅動電路時序圖 63
圖 4-13 (a)4071腳位圖 (b)4081腳位圖 63
圖 4-14 MIC4420腳位圖 64
圖 4-15 充電控制流程圖 68
圖 4-16 定電壓控制流程圖 69
圖 4-17 最大電壓(Vmax)充電截止曲線 70
圖 4-18 最大功率追蹤控制機制 71
圖 4-19 最大功率追蹤控制方塊圖 72
圖 4-20 擾動觀察法控制流程圖 72
圖 4-21 放電器電路架構方塊圖 73
圖 4-22 傳統昇壓轉換器電路圖 75
圖 4-23 兩級串聯式昇壓轉換器電路圖 76
圖 4-24 具變壓器之半橋轉換器電路圖 76
圖 4-25 具耦合電感之昇壓轉換器電路圖 76
圖 4-26 具主動箝制電路之昇壓轉換器電路圖 77
圖 4-27 具主動箝制電路之耦合電感型昇壓轉換器電路圖 77
圖 4-28 本文所提之交錯式軟切昇壓轉換器電路圖 78
圖 4-29 本文交錯式軟切昇壓轉換器操作模式等效電路圖 81
圖 4-30 本文交錯式軟切昇壓轉換器各重要元件時序圖 86
圖 4-31 操作於連續與不連續導通邊界之耦合電感ILm11與ILm12與輸出電流Io的波形圖 89
圖 4-32 本文所提放電器昇壓轉換器控制訊號示意圖 92
圖 4-33 本文所提放電器昇壓轉換器控制與驅動訊號電路圖 92
圖 4-34 控制IC SG3525內部方塊圖 94
圖 4-35 驅動IC IR2111內部方塊圖 95
圖 4-36 電池放電控制架構圖 97
圖 4-37 放電管理軟體設計流程圖 99
圖 5-1 交錯式昇壓轉換器運作電力級電路圖 101
圖 5-2 充電器硬體實體圖 101
圖 5-3 交錯式昇壓轉換器電路圖 103
圖 5-4 放電器硬體實體圖 104
圖 5-5 交錯式柔切昇壓轉換器驅動訊訊號實測波形 106
圖 5-6 充電器電路之昇壓轉換器於(a)50％滿載下與(b) 100％滿載下功率開關M1的VDS及IDS波形圖 109
圖 5-7 充電器電路之昇壓轉換器於(a)50％滿載下與(b) 100％滿載下，功率開關M2的VDS及IDS波形圖 110
圖 5-8 所提之轉換器與硬切式轉換器效率比較圖 111
圖 5-9 輸出負載從10 %變動到100%滿載時所量測之輸出電壓Vo及 電流Io的波形圖 112
圖 5-10 輸出負載100%滿載時所量測交錯式開關波形圖 112
圖 5-11 太陽能板最大功率追蹤實際響應圖：輸出電壓VPV、輸出電流IPV關係波形圖 113
圖 5-12 太陽能板與蓄電池的電壓電流變化情形 114
圖 5-13 太陽能板功率大時，定電流輸出的波形圖 115
圖 5-14 定電壓充電之電池電壓與電流波形圖 115
圖 5-15 過壓保護波形圖 116
圖 5-16 欠壓保護波形圖 116
圖 5-17 充電歷程圖 117
圖 5-18 放電器轉換器100％滿載下，功率開關的VDS及IDS波形圖(a)開關M11(b)開關M21(c)開關M12(d)開關M22
(e)開關M3 118
圖 5-19 VB和IB定電流波形圖 121
圖 5-20 所提之轉換器與硬切式轉換器效率比較圖 121
圖 5-21 輸出負載從10 %變動到100%滿載時所量測的輸出電壓Vo和電流Io的波形圖 122
圖 5-22 輸出負載100%滿載時所量測交錯式開關波形圖 122
圖 5-23 低電壓保護波形圖 123
表 目 錄
表 2-1 不同型態之太陽能電池分類表 10
表 2-2 NT-R5E3E太陽能板電氣規格 12
表 2-3 各種最大功率追蹤法的工作原理及優、缺點比較 26
表 3-1 電池特性比較表 30
表 3-2 GS SPV12750 規範 37
表 3-3 蓄電池種類與特性 40
表 4-1 MIC4420腳位功能 64
表 4-2 SG3525腳位配置及功能 94
表 4-3 IR2111腳位配置與功能 95
表 4-4 M3 GATE訊號動作條件表 96
表 5-1 交錯式昇壓轉換器運作電力級規格 102
表 5-2 交錯式昇壓轉換器運作電力級電路元件 102
表 5-3 交錯式昇壓轉換器規格 104
表 5-4 交錯式昇壓轉換器電路元件選用 105

參考文獻
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