專利名稱：小功率混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型所述的小功率混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制裝置，涉及各能源裝置與負(fù)載的工 作電流與電壓的測量、數(shù)字電位器的可編程控制及對DC-DC的輸出電壓控制等技術(shù)與方法。
背景技術(shù)：
目前隨著石油和煤碳等礦物資源的逐漸匱乏，以及世界對環(huán)保要求的日益提高， 世界各國爭先開發(fā)清潔新能源。然而許多清潔新能源在實(shí)際應(yīng)用中，往往因?yàn)槠涔ぷ魈匦?與功率上的限制而無法滿足電子負(fù)載的的需求，尤其是當(dāng)電子負(fù)載較大時(shí)更是無法滿足需 求，因此一般都需與二次能源裝置構(gòu)成一個(gè)混合動(dòng)力供電系統(tǒng)。當(dāng)電子負(fù)載小的時(shí)候，清潔 新能源裝置除了滿足負(fù)載需求外，還可以有能力對二次能源裝置充電；而當(dāng)電子負(fù)載大的 時(shí)候，二次能源裝置可以配合清潔新能源裝置一起為負(fù)載供電。另外還有一些象燃料電池 清潔新能源裝置等在啟動(dòng)時(shí)必須借助其他能源為其系統(tǒng)的電子電力裝置供電方可，于是這 樣的新能源裝置也自然而然地構(gòu)成了一個(gè)混合動(dòng)力系統(tǒng)，這里所指的其他能源通常用的也 是二次可充放電裝置，在系統(tǒng)中也起著輔助供電的功能，缺電時(shí)可以接受主能源裝置的充 電。于是多種形式的混合動(dòng)力系統(tǒng)的最終目的都是要能滿足負(fù)載需求，同時(shí)也要保證能源 裝置都工作在健康狀態(tài)，既要避免混合動(dòng)力系統(tǒng)的的主能源裝置超載，輔助二次能源裝置 過度充放電。為此研制開發(fā)了一套以小功率電源裝置為主電源，以二次可充電的鋰電池為 輔助電源的混合動(dòng)力的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好，控制方法簡單，成本底，便于推廣。針對上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題，研究設(shè)計(jì)一種新型的小功率混合動(dòng)力系統(tǒng)的 控制裝置，從而克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題是十分必要的。
發(fā)明內(nèi)容鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題，本實(shí)用新型的目的是研究設(shè)計(jì)一種新型的小 功率混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制裝置，從而解決許多清潔新能源在實(shí)際應(yīng)用中，往往因?yàn)槠涔ぷ?特性與功率上的限制而無法滿足電子負(fù)載的需求，尤其是當(dāng)電子負(fù)載較大時(shí)更是無法滿足 需求的問題。本實(shí)用新型所述的小功率混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制裝置是由微處理器ATMEGASdUj 率主電源裝置、DC-DC轉(zhuǎn)換裝置-明緯公司的SD-25A-12、數(shù)字電位器X9C102、二次輔助電 源裝置-12V Li電池、I0, I1, I2三個(gè)電流測量傳感器INA170所組成；所述的小功率主電源 裝置的輸出端OUTPUT+經(jīng)取樣電阻Rl送到DC-DC轉(zhuǎn)換裝置的輸入端INPUT+，DC-DC轉(zhuǎn)換裝 置的輸出端OUTPUT+經(jīng)取樣電阻R2、R3后送到電子負(fù)載；所述的微處理器ATMEGA8的管腳 9、10、11分別連接到數(shù)字電位器X9C102的管腳2、1、7 ；數(shù)字電位器X9C102的管腳3連接電 源Vcc，管腳5、6分別連接到DC-DC轉(zhuǎn)換裝置的RWh和RWL ；所述的Ip I1,12三個(gè)電流測量 傳感器INA170的管腳2分別連接到電阻Rl、R2、R3的輸入端，管腳1分別連接到電阻R1、 R2、R3的輸出端，管腳5即輸出端OUT分別連接到微處理器ATMEGA8的管腳25、28、26，并分別對地接一個(gè)電阻；在取樣電阻Rl、R2的輸入端分別對地串接兩個(gè)分壓取樣電阻，分壓后 取樣Vtl與V1,分別連接到微處理器ATMEGA8的管腳24和27 ；微處理器ATMEGA8的管腳2、3 分別連接到串行通信接口 MAX232芯片的管腳9、10，而后與上位機(jī)連接；微處理器ATMEGA8 的管腳17、18、19、1分別經(jīng)一個(gè)電阻連接到調(diào)試接口 ISP的1、9、3、5管腳。本實(shí)用新型所述的小功率混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制裝置的核心微處理器，采用了ATMEL公司的AVR的8位微處理器ATMEGA8系列，它工作溫度范圍寬，電磁兼容特性好，內(nèi)有 AD轉(zhuǎn)換通道、PWM輸出及看門狗電路等，在實(shí)用中無需外擴(kuò)其他芯片，所以它比一般的8位 51單片機(jī)芯片性能更好。以AVR微控制器為核心，配合電流測量傳感器、可編程控制的數(shù)字 電位器及輸出可調(diào)的DC-DC轉(zhuǎn)換裝置等電子器件和裝置研究開發(fā)出滿足小功率混合動(dòng)力 系統(tǒng)的控制電路。系統(tǒng)使用3個(gè)電流測量傳感器，其中Itl為小功率主電源輸出電流，I1為 DC\DC轉(zhuǎn)換裝置輸出電流，I2為負(fù)載電流，而二次輔助電源裝置的充放電電流I3根據(jù)Ip I2 即可得到。同時(shí)尚需測得DC\DC轉(zhuǎn)換裝置的輸入與輸出電壓Vtl與V1,以便于功率計(jì)算。系統(tǒng)控制的基本思路是小功率主電源裝置，一般需要經(jīng)過DC-DC的升壓或穩(wěn)壓 后方可給負(fù)載供電，根據(jù)負(fù)載需要，需調(diào)節(jié)DC-DC輸出電壓來控制二次輔助電源裝置的充 放電狀態(tài)，所用DC-DC轉(zhuǎn)換裝置輸出電壓通過電位器可調(diào)節(jié)，這里采用的是數(shù)字電位器，數(shù) 字電位器方便通過微處理器來控制調(diào)節(jié)，微處理器通過控制數(shù)字電位器達(dá)到調(diào)節(jié)DC-DC轉(zhuǎn) 換裝置輸出電壓的目的，從而可以有效控制二次輔助電源裝置的充放電狀態(tài)，當(dāng)負(fù)載小的 時(shí)候，調(diào)高DC-DC轉(zhuǎn)換裝置輸出電壓，使小功率主電源裝置既給負(fù)載供電又給二次輔助電 源裝置充電。反之，調(diào)低DC-DC轉(zhuǎn)換裝置輸出電壓迫使二次輔助電源裝置輔助小功率主電 源裝置一起放電?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)的各能源裝置的能量分配控制根據(jù)采集到的系統(tǒng)的工作參 數(shù)及所研究制定的控制策略。在系統(tǒng)中用了 3個(gè)電流測量電路，一個(gè)測量主電源輸出電流I。(或DC-DC轉(zhuǎn)換裝 置輸入電流)，一個(gè)測DC-DC轉(zhuǎn)換裝置的輸出電流I1,另一個(gè)測量負(fù)載電流12，二次輔助電 源裝置工作電流I3 = I2-I10電流傳感器分別串接在DC-DC轉(zhuǎn)換裝置輸入輸出回路與負(fù)載 回路上。電壓測量采用簡單的串聯(lián)電阻分壓取樣電路(最高取樣電壓不得高于微處理器 AD通道的輸入范圍)，取樣電壓信號送入微處理器AD采樣通道，后由微處理器測得對應(yīng)的 實(shí)際電壓。系統(tǒng)所用的DC-DC轉(zhuǎn)換裝置輸出電壓可調(diào)，通過調(diào)整DC-DC轉(zhuǎn)換裝置輸出控制的 反饋量來實(shí)現(xiàn)的，具體是通過調(diào)整可調(diào)電位器來實(shí)現(xiàn)的，為便于微控制器的控制，這里的電 位器的采用美國INTERSIL公司的可編程控制的數(shù)字可控電位計(jì)芯片X9C102，它既可以作 為三端電位計(jì)使用，也可以作為兩端可變電阻器使用，其內(nèi)部由99個(gè)電阻陣列及其電子開 關(guān)、控制與存儲器單元組成，其電阻值范圍O—一1K，該芯片CS管腳為片選端，低電平有效； UP/D0WM管腳為增大/降低電阻的控制端，INC為增量控制端，低電平有效；為防止干擾，都 加有上拉電阻。該芯片的RL端與RW端與DC-DC轉(zhuǎn)換裝置連接。系統(tǒng)通信接口包括微處理器與上位機(jī)間數(shù)據(jù)通信的串行接口 RS-232及調(diào)試接口 ISP0考慮到上位機(jī)對混合動(dòng)力系統(tǒng)的監(jiān)控，專門基于MAX232芯片設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的串行 通信接口，以便于上位機(jī)與本系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信。其目的在于對系統(tǒng)的工作參數(shù)(包括小 功率主電源的輸出電流、電壓、功率，DC-DC轉(zhuǎn)換裝置的輸出電流、電壓、輸出功率、轉(zhuǎn)換效率，二次輔助電池的充放電電流及功率，負(fù)載電流及功率)監(jiān)控，以及對系統(tǒng)中一些系數(shù)的 標(biāo)定。調(diào)試接口 ISP是用于對微處理器進(jìn)行程序下載之用。這兩個(gè)接口電路均采用標(biāo)準(zhǔn)電 路，在此無需詳述。本實(shí)用新型研究開發(fā)的小功率混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制裝置在小功率電源裝置與二 次可充電的鋰電池所構(gòu)成的混合動(dòng)力供電系統(tǒng)中，實(shí)際控制的效果非常良好，完全可以通 過對混合動(dòng)力系統(tǒng)各能量單元的能量優(yōu)化分配控制以滿足電子負(fù)載的需求。由于為適應(yīng)一 些清潔新能源裝置的伏安特性起伏較大的特點(diǎn)，所以系統(tǒng)中主能源裝置輸出經(jīng)過了一個(gè)寬 范圍輸入的DC-DC轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換。同時(shí)該問題研究對混合動(dòng)力汽車及燃料電池電動(dòng)汽車的 能量分配控制也同樣有極高的借鑒作用。本實(shí)用新型主要針對清潔新能源開發(fā)利用，提出小功率混合動(dòng)力供電系統(tǒng)的概念 及其控制方法，以解決清潔新能源裝置在應(yīng)用中存在工作特性波動(dòng)較大及功率不足的問 題，這本身就是一種創(chuàng)新。本實(shí)用新型中使用INA170芯片，該芯片是一個(gè)雙向精密電流傳感器，在測量二次 電池工作時(shí)非常方便，由于二次電池存在充放電兩種情況，所以電流方向存在雙向性。該芯 片選用非常適合。清潔新能源裝置通常無法直接給負(fù)載供電，所以需要DC-DC轉(zhuǎn)換裝置，輸出可調(diào) 的DC-DC轉(zhuǎn)換裝置一般是調(diào)節(jié)反饋控制量，通常是調(diào)節(jié)一個(gè)電位器來實(shí)現(xiàn)DC-DC轉(zhuǎn)換裝置 輸出電壓的變化，本實(shí)用新型使用X9C102芯片，該芯片是數(shù)字程控電位器，用它取代DC-DC 轉(zhuǎn)換裝置的通用電位器，因?yàn)橐话汶娢黄魍ǔＨ斯ふ{(diào)節(jié)二無法受微處理器的控制，而數(shù)字 程控電位器便于由微處理器來控制，而且調(diào)節(jié)速度與精度都很高。在小功率供電系統(tǒng)中采用混合動(dòng)力供電模式的好處在于一方面解決未來清潔新 能源裝置因?yàn)槠涔ぷ魈匦赃€比較脆弱，其伏安特性隨負(fù)載變化起伏較大，采用二次電源裝 置配合使用，可以彌補(bǔ)清潔新能源裝置供電特性不好的現(xiàn)象；另一方面可以解決清潔新能 源裝置的功率限制等問題，因?yàn)榍鍧嵭履茉囱b置的功率增加會伴隨系統(tǒng)體積的增加，尤其 在小功率便攜式電子負(fù)載使用中多有不便。與二次電池構(gòu)成混合動(dòng)力供電方式，可以降低 供電系統(tǒng)中主電源裝置的功率儲備，因?yàn)殡娮迂?fù)載通常配備的供電系統(tǒng)功率都要按負(fù)載最 大功率去考慮，負(fù)載不總處于最大功率狀態(tài)，所以混合動(dòng)力系統(tǒng)的二次能源裝置在負(fù)載需 要大功率供電時(shí)就可以起到輔助供電的作用；此外在系統(tǒng)主電源裝置故障時(shí)，二次能源裝 置還可以短時(shí)間應(yīng)急。

本實(shí)用新型共有兩張附圖，其中圖1是小功率混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制裝置結(jié)構(gòu)框圖；圖2是小功率混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制裝置電氣原理圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的具體實(shí)施例如附圖1結(jié)構(gòu)框圖所示，是由微處理器ATMEGA8、小功率 主電源裝置、DC-DC轉(zhuǎn)換裝置(明緯公司的SD-25A-12)、數(shù)字電位器X9C102、二次輔助電源 裝置(12V Li電池)、Ip I1, I2三個(gè)電流測量傳感器INA170所組成；附圖2所示為小功率混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制裝置電氣原理圖，所述的小功率主電源裝置的輸出端OUTPUT+經(jīng)取樣電阻Rl送到DC-DC轉(zhuǎn)換裝置的輸入端INPUT+，DC-DC轉(zhuǎn)換裝置的輸出端OUTPUT+經(jīng)取樣電 阻R2、R3后送到電子負(fù)載；所述的微處理器ATMEGA8的管腳9、10、11分別連接到數(shù)字電位 器X9C102的管腳2、1、7 ；數(shù)字電位器X9C102的管腳3連接電源Vcc，管腳5、6分別連接到 DC-DC轉(zhuǎn)換裝置的RWh和RWL ；所述的Ip I1,12三個(gè)電流測量傳感器INA170的管腳2分別 連接到電阻Rl、R2、R3的輸入端，管腳1分別連接到電阻Rl、R2、R3的輸出端，管腳5即輸 出端OUT分別連接到微處理器ATMEGA8的管腳25、28、26，并分別對地接一個(gè)電阻；在取樣 電阻Rl、R2的輸入端分別對地串接兩個(gè)分壓取樣電阻，分壓后取樣Vtl與V1,分別連接到微 處理器ATMEGA8的管腳24和27 ；微處理器ATMEGA8的管腳2、3分別連接到串行通信接口 MAX232芯片的管腳9、10，而后與上位機(jī)連接；微處理器ATMEGA8的管腳17、18、19、1分別經(jīng) 一個(gè)電阻連接到調(diào)試接口 ISP的1、9、3、5管腳。
權(quán)利要求一種小功率混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制裝置，其特征在于是由微處理器ATMEGA8、小功率主電源裝置、DC-DC轉(zhuǎn)換裝置-明緯公司的SD-25A-12、數(shù)字電位器X9C102、二次輔助電源裝置-12V Li電池、I0、I1、I2三個(gè)電流測量傳感器INA170所組成；所述的小功率主電源裝置的輸出端OUTPUT+經(jīng)取樣電阻R1送到DC-DC轉(zhuǎn)換裝置的輸入端INPUT+，DC-DC轉(zhuǎn)換裝置的輸出端OUTPUT+經(jīng)取樣電阻R2、R3后送到電子負(fù)載；所述的微處理器ATMEGA8的管腳9、10、11分別連接到數(shù)字電位器X9C102的管腳2、1、7；數(shù)字電位器X9C102的管腳3連接電源Vcc，管腳5、6分別連接到DC-DC轉(zhuǎn)換裝置的RWh和RWL；所述的I0、I1、I2三個(gè)電流測量傳感器INA170的管腳2分別連接到電阻R1、R2、R3的輸入端，管腳1分別連接到電阻R1、R2、R3的輸出端，管腳5即輸出端OUT分別連接到微處理器ATMEGA8的管腳25、28、26，并分別對地接一個(gè)電阻；在取樣電阻R1、R2的輸入端分別對地串接兩個(gè)分壓取樣電阻，分壓后取樣V0與V1，分別連接到微處理器ATMEGA8的管腳24和27；微處理器ATMEGA8的管腳2、3分別連接到串行通信接口MAX232芯片的管腳9、10，而后與上位機(jī)連接；微處理器ATMEGA8的管腳17、18、19、1分別經(jīng)一個(gè)電阻連接到調(diào)試接口ISP的1、9、3、5管腳。
專利摘要本實(shí)用新型所述的小功率混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制裝置，是由微處理器ATMEGA8、小功率主電源裝置、DC-DC轉(zhuǎn)換裝置、數(shù)字電位器X9C102、二次輔助電源裝置、I0、I1、I2三個(gè)電流測量傳感器INA170所組成。小功率主電源裝置，經(jīng)過DC-DC的升壓或穩(wěn)壓后給負(fù)載供電，根據(jù)負(fù)載需要，微處理器通過控制數(shù)字電位器達(dá)到調(diào)節(jié)DC-DC輸出電壓的目的，從而可以有效控制二次輔助電源裝置的充、放電狀態(tài)，當(dāng)負(fù)載小的時(shí)候，調(diào)高DC-DC輸出電壓，使小功率主電源裝置既給負(fù)載供電又給二次輔助電源裝置充電。反之，一方面控制小功率主電源裝置的輸出功率提高，同時(shí)調(diào)低DC-DC輸出電壓迫使二次輔助電源裝置放電給負(fù)載。
文檔編號G05B15/02GK201563059SQ20092001373
公開日2010年8月25日 申請日期2009年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月14日
發(fā)明者劉木林, 曾潔, 胡繼勝, 陳少華 申請人:大連交通大學(xué)