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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:陳柏村
研究生(外文):Bo-Tsuen Chen
論文名稱:嵌入式太陽能最大功率追蹤充放電系統應用於電動割草機之研製
論文名稱(外文):The development of the charging and discharging system using MPPT method on PSOC system and its application on electric mower
指導教授:歐陽鋒
指導教授(外文):Feng Ou-Yang
口試委員:謝清祿林連雄
口試日期:2012-07-16
學位類別:碩士
校院名稱:國立宜蘭大學
系所名稱:生物機電工程學系碩士班
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:108
中文關鍵詞:最大功率追蹤降壓型切換式電源轉換器PWM功率控制器背負式電動割草機
外文關鍵詞:Maximum power point tracking(MPPT)Buck converterPWM power controllerPortable electric mower
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本論文主旨是在於研製以嵌入式系統(PSoC)來開發太陽能最大功率追蹤充電系統。以自行設計的降壓型切換式電源轉換器,完成太陽能電池對佇列式磷酸鋰鐵電池做最大功率追蹤充電,並加入PWM功率控制器設計,使操作者可以控制電池對電動割草機的輸出功率達到省電功能。最後將電路製成模組與背負式電動割草機結合,攜至戶外進行割草作業。
經實驗結果顯示整合了太陽能MPPT充電系統與PWM功率控制器連接於電動割草機上實際割草時,在平均日照度700 W/m2以上而無市電供應的環境下,花費5~6小時可充滿兩顆電池,之後可以割草時間約56分鐘,割草面積約為140平方公尺,已滿足台灣常見民宿與別墅除草需求。而本研究與市售的直接偶合式相比,增加了86.65%的割草時間,與增加了59.3%的割草面積。

The purpose of this thesis is to develop a MPPT solar charge system by PSOC Embedded system. A self-designed buck converter is used to charge queued batteries through solar cell.
A PWM power controller is also designed to let users to control the output power from battery to electric mower through its variable resistor in order to save more electric energy. Finally, the designed electric modules were installed on the portable electric mower for outdoor mowing experiments.
The experiments showed that we need only 5~6 hours to fully charge two batteries by our MPPT solar charge system and PWM power controller, when the average solar luminance is above 700W/m2. The operating time of our mower was about 56 minutes and the mowed area was about 140m2, which meet the general requirement for mowing in the most B&B inns and the villas in Taiwan. When compared to the original direct-coupled technique to connect batteries to the mower, our mower could work longer for more than 86.65% of time and mow larger more than 59.3% of area.
目錄
摘要 i
Abstract ii
致謝 iii
目錄 iv
圖目錄 vii
表目錄 x
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究目的 3
第二章 文獻探討 4
2-1 割草機介紹 4
2-2 太陽能割草機介紹 7
2-2 太陽能電池介紹 9
2-3 太陽能MPPT演算法 16
2-4 電池種類 22
2-5 二次電池充電方法 25
2-5-1 定電流充電法 25
2-5-2 定電壓充電法 26
2-5-3 二階段充電法 26
2-5-4 脈衝充電法 27
2-6 直流對直流轉換器 28
2-6-1 線性式電源轉換器 28
2-6-2 切換式電源轉換器 29
第三章 材料與方法 31
3-1 嵌入式太陽能最大功率追蹤充放電系統架構 31
3-2 太陽能電池 32
3-3 佇列式蓄電池 33
3-4 背負式電動割草機 34
3-5 液晶顯示器 35
3-6 嵌入式系統 36
3-6-1 嵌入式系統設計與規劃 37
3-6-2 MPPT演算法設計與分析 38
3-6-3 數位電阻SPI串列傳輸通信協定設計 42
3-6-4 佇列式電池充電與供電切換法設計 44
3-7 直流對直流轉換器 46
3-7-1 降壓型切換式電源轉換器電路設計 47
3-7-2 數位電阻控制電路設計 49
3-8 電源選擇器 51
3-9 PWM功率控制器 52
3-4 實驗方法 53
3-4-1 降壓型切換式電源功率轉換效率實驗 53
3-4-2 定電壓充電與MPPT充電用於太陽能充電時間比較實驗 54
3-4-3 直接耦合與PWM功率控制放電於割草機空轉工作時間比較實驗 55
3-4-4 整合MPPT充電與PWM功率控制放電於割草機空轉時間實驗 56
3-4-5 整合MPPT充電與PWM功率控制放電於割草機戶外割草實驗 57
3-4-6 磷酸鋰鐵電池充滿電所需電量量測實驗 58
第四章 結果與討論 59
4-1 降壓型切換式電源功率轉換效率實驗 60
4-2 定電壓充電與MPPT充電用於太陽能充電時間比較實驗 62
4-3 直接耦合與PWM功率控制放電於割草機空轉工作時間比較實驗 64
4-4 整合MPPT充電與PWM功率控制放電於割草機空轉時間實驗 66
4-5 整合MPPT充電與PWM功率控制放電於割草機戶外割草實驗 68
4-6 磷酸鋰鐵電池充滿電所需電能實驗 72
第五章 結論 73
5-1 結論 73
5-2 未來建議 74
參考文獻 75
附錄一 PSoC晶片Chip Level Design程式 78
附錄二 PSoC晶片的程式元件模塊 79
附錄三 PSoC晶片的PSOC晶片的運算程式 90
附錄四 PSoC晶片System Level Design程式 94

圖目錄
圖2-1 背負式割草機實體圖 4
圖2-2 手推式割草機實體圖 5
圖2-3 中型駕駛式割草機實體圖 5
圖2-4 大型駕駛式割草機實體圖 6
圖2-5 手推式太陽能割草機實體圖 7
圖2-6 太陽能農用機器人實體圖 7
圖2-7 太陽能割草機實體圖 8
圖2-8 太陽能電池P-N半導體結構斷面圖 9
圖2-9 光電轉換基本原理圖 10
圖2-10 太陽能電池的等效電路圖 13
圖2-11 不同溫度下之太陽能電池特性曲線圖 15
圖2-12 不同日照量下之太陽能電池特性曲線圖 15
圖2-13 電壓迴授法方塊圖 16
圖2-14 功率迴授法方塊圖 17
圖2-15 擾動觀察法方塊圖 18
圖2-16 增量電導法方塊圖 19
圖2-17 直線近似法方塊圖 19
圖2-18 實際量測法方塊圖 20
圖2-19 定電流充電曲線圖 25
圖2-20 定電壓充電曲線圖 26
圖2-21 二階段充電曲線圖 27
圖2-22 脈衝充電曲線圖 27
圖2-23 線性式電源轉換器的基本架構圖 28
圖2-24 切換式電源轉換器電路與電壓波形圖 29
圖2-25 切換式電源轉換器的基本架構圖 30
圖3-1 嵌入式太陽能最大功率追蹤充放電系統架構圖 31
圖3-2 薄膜型單晶矽太陽能板實體圖 32
圖3-3 磷酸鋰鐵池實體圖 33
圖3-4 背負電動割草機實體操作圖 34
圖3-5 LCD系統方塊圖 35
圖3-6 LCD實體圖 35
圖3-7 嵌入式系統CY8C29466內部架構圖 36
圖3-8 嵌入式系統接腳規劃圖 37
圖3-9 擾動觀察法最大功率點追蹤示意圖 38
圖3-10 後級擾動觀察法系統架構圖 39
圖3-11 所設計之MPPT系統方塊圖 40
圖3-12 太陽能MPPT充電過程功率變化示意圖 40
圖3-13 MPPT後級擾動觀察法PSoC程式流程圖 41
圖3-14 數位電阻控制流程圖 43
圖3-15 佇列式電池充放電切換流程圖 45
圖3-16 降壓型切換式電源轉換器電路圖 46
圖3-17 XL4012電路方塊圖 47
圖3-18 降壓型切換式電源轉換器電路圖 48
圖3-19 MCP41050數位電阻接腳圖 49
圖3-20 嵌入式系統與數位電阻連接圖 49
圖3-21 SPI串列傳輸通信接腳圖 50
圖3-22 電源選擇器電路圖 51
圖3-23 PWM功率控制器電路圖 52
圖3-24 降壓型切換式電源轉換效率實驗電路連接圖 53
圖3-25 定電壓與MPPT充電時間比較實驗電路連接圖 54
圖3-26 直接耦合放電實驗電路連接圖 55
圖3-27 PWM功率控制放電實驗電路連接圖 55
圖3-28 整合MPPT充電與PWM放電系統電路連接圖 56
圖3-29 太陽能背負載具設計圖 57
圖3-30 充電所需電量量測電路連接圖 58
圖4-1 太陽能MPPT充電系統模組成品圖 59
圖4-2 PWM功率控制模組成品圖 59
圖4-3 降壓型切換式轉換器電路實體圖 60
圖4-4 輕負載(20Ω)切換式降壓型轉換器工作週期圖 61
圖4-5 中負載(15Ω)切換式降壓型轉換器工作週期圖 61
圖4-6 重負載(10Ω)切換式降壓型轉換器工作週期圖 61
圖4-7 MPPT充電實驗工作圖 62
圖4-8 定電壓與MPPT太陽能充電曲線比較圖 63
圖4-9 變頻式功率控制模組實驗工作圖 64
圖4-10 直接偶合與PWM功率控制器放電曲線比較圖 65
圖4-11 整合MPPT充電與PWM功率控制器於電動割草機實驗工作圖 66
圖4-12 整合系統與直接偶合式放電曲線比較圖 67
圖4-13 戶外割草實驗裝備實體圖 68
圖4-14 太陽能MPPT充放電系統割草前草皮圖 69
圖4-15 太陽能MPPT充放電系統割草後草皮圖 69
圖4-16 直接耦合式放電割草前草皮圖 70
圖4-17 直接耦合式放電割草後草皮圖 70
圖4-18 割草時間比較圖 71
圖4-19 割草面積比較圖 71

表目錄
表2-1 人工軟(硬)管割草機一般規格表 4
表2-2 手推式割草機一般規格表 5
表2-3 中型駕駛式割草機一般規格表 6
表2-4 大型割草機規格表 6
表2-5 各種類太陽能電池效率比較表 12
表2-6 最大功率追蹤方法的優、缺點比較表 21
表2-7 線性式與交換式電源轉換器之比較表 30
表3-1 太陽能板規格表 32
表3-2 磷酸鋰鐵池規格表 33
表3-3 背負式電動割草機規格表 34
表3-4 擾動觀察法電壓擾動方向之判斷表 38
表4-1 降壓型切換式轉換器轉換效率η表 60
表4-2 定電壓充電與MPPT充電比較表 63
表4-3 直接偶合式與PWM功率控制器放電比較表 65
表4-4 整合系統與直接偶合式放電比較表 67
表4-5 市電充電記錄表 72
參考文獻
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