系統識別號 | U0002-1008201623415600 |
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DOI | 10.6846/TKU.2016.00284 |
論文名稱(中文) | 太陽能飛機太陽能與鋰電池混合供電設計與實作 |
論文名稱(英文) | Design and Implementation of a Solar and Li-ion Battery Hybrid Power System for Solar-Powered Aircraft |
第三語言論文名稱 | |
校院名稱 | 淡江大學 |
系所名稱(中文) | 航空太空工程學系碩士班 |
系所名稱(英文) | Department of Aerospace Engineering |
外國學位學校名稱 | |
外國學位學院名稱 | |
外國學位研究所名稱 | |
學年度 | 104 |
學期 | 2 |
出版年 | 105 |
研究生(中文) | 孫景緯 |
研究生(英文) | Jin-Wei Sun |
學號 | 603430074 |
學位類別 | 碩士 |
語言別 | 繁體中文 |
第二語言別 | |
口試日期 | 2016-06-14 |
論文頁數 | 91頁 |
口試委員 |
指導教授
-
蕭照焜
委員 - 馬德明 委員 - 何翊 |
關鍵字(中) |
升降壓電源轉換器 最大功率追蹤 鋰電池充電 混合供電系統 |
關鍵字(英) |
buck-boost converter maximum power point tracking Li-ion battery charging hybrid power system. |
第三語言關鍵字 | |
學科別分類 | |
中文摘要 |
本研究探討應用Zeta型升降壓電源轉換器設計太陽能飛機之太陽能/鋰電池混和供電系統。此系統使用DSPIC微控制器透過光敏電阻控制升降壓電源轉換器之輸出電壓與電流來達到鋰電池充電之控制與最大功率追蹤功能。光敏電阻之控制與最大功率追蹤之運算法則以模糊邏輯來執行。我們首先在MATLAB/SIMULINK環境上利用SIMSCAPE工具做電路模擬,成功完成模擬後,我們並設計及製作Zeta型升降壓轉換器與以DSPIC為核心之控制器。最後利用本設計成功的執行鋰電池充電與太陽能飛機之太陽能最大功率追蹤系統。 |
英文摘要 |
This thesis investigates the design of a Zeta type buck-boost converter based solar power and Li-ion battery hybrid power system for a solar-powered UAV. The output voltage and current of the power converter and the maximum power point tracking (MPPT) function are achieved through the control of a light dependent resistor (LDR) using DSPIC microcontroller. Control of LDR and MPPT function are implemented using fuzzy logic. Circuit simulation using SIMSCAPE tool on MATLAB/SIMULINK environment is established first. After that, a Zeta type buck-boost converter and a DISPIC microcontroller based control board are built. The battery-charging and MPPT functions using the self-designed system are successfully demonstrated on an experimental solar-powered UAV. |
第三語言摘要 | |
論文目次 |
目錄 目錄 i 圖目錄 iii 符號定義 vii 第一章 緒論 1 第二章 系統需求 4 第三章 升降壓電源轉換器 7 3.1 Zeta型升降壓電源轉換器 8 3.1.1 未加入ESR之升降壓轉換器動態方程式 9 3.1.2加入ESR之升降壓轉換器動態方程式 13 3.2 Zeta Converter設計 18 第四章 系統設計 21 4.1 TPS40200控制器設計 22 4.1.1 TPS40200之工作頻率 23 4.1.2 Type III compensator設計 23 第五章 LDR光敏電阻 32 5.1電壓控制電流源 32 5.2 LDR光敏電阻模型分析 33 5.3 LDR光敏電阻實際應用 37 第六章最大功率追蹤 39 6.1最大功率追蹤 39 6.2系統模擬 43 第七章 鋰電池充電模擬與實作 57 7.1定電壓控制 57 7.2定電流控制 60 第八章 系統測試驗證 62 8.1硬體介紹 63 8.2鋰電池充電 66 8.3最大功率追蹤 69 第九章 結論 73 參考文獻 74 附錄一 76 附錄二 84 圖目錄 圖1-1太陽能電源管理系統 2 圖1-2太陽能最大功率追蹤系統 3 圖2-1 太陽能電源管理系統 5 圖2-2 太陽能電池充電系統 6 圖2-3太陽能電池與鋰電池混合供電系統 6 圖3-1 Zeta型升降壓電源轉換器 8 圖3.1-1 電源轉換器功率晶體Switch ON 9 圖3.1-2 電源轉換器功率晶體Switch OFF 9 圖3.1.1-1 未加入ESR之升降壓轉換器 Switch on 9 圖3.1.1-2 未加入ESR之升降壓轉換器 Switch on 11 圖3.1.2-1加入ESR之升降壓轉換器 Switch on 13 圖3.1.2-2 加入ESR之升降壓轉換器 Switch on 16 圖3.2-1 Zeta型升降壓轉換器Bode圖 20 圖4-1 太陽能電源管理系統可程式化之升降壓電源轉換器系統方塊圖 21 圖4-2 可程式化之升降壓電源轉換器系統架構圖 22 圖4.1-1 TPS40200架構圖 23 圖4.1.2-1 Type III compensator架構圖 23 圖4.1.2-2 選定 所得到的gain及phase 28 圖4.1.2-3 Type III compensator Bode 30 圖4.1.2-4 加入補償器之Zeta型升降壓轉換器 31 圖5.1-1 VCCS架構圖 32 圖5.2-1 LDR實驗電路 33 圖5.2-2 LDR光敏電阻值與輸入電流關係圖 34 圖5.2-3 LDR光敏電阻值平均值與輸入電流關係圖 34 圖5.2-4 取natural log後之光敏電阻值與輸入電流關係圖 35 圖5.2-5 Curve fitting後之natural log座標之光敏電阻值與輸入電流關係圖 36 圖5.2-6 Curve fitting後之natural log座標之光敏電阻值與輸入電流誤差圖 36 圖5.3-1 控制電壓與輸出電壓關係圖 38 圖6.1-1 太陽能電池等效電路 40 圖6.1-2 不同照度下功率-電壓特性曲線 40 圖6.1-3 不同照度下電流-電壓 特性曲線 41 圖6.1-4 太陽能電池最大功率點之判斷條件 43 圖6.2-1最大功率追蹤之模擬系統圖 44 圖6.2-2 Zeta型升降壓轉換器與太陽能模組 44 圖6.2-3最大功率追蹤之模糊控制規則庫 45 圖6.2-4 arctan規則庫區域分析圖 45 圖6.2-5 最大功率追蹤之模糊控制論域(等間距) 47 圖6.2-6 simulink模擬之太陽能板輸出電流 48 圖6.2-7 simulink模擬之太陽能板輸出電壓 48 圖6.2-8 simulink模擬之太陽能板輸出功率 49 圖6.2-9 simulink模擬之電池電流 50 圖6.2-10 simulink模擬之電池電壓 50 圖6.2-11 simulink模擬之馬達轉速 51 圖6.2-12 最大功率追蹤之模糊控制論域(非等間距) 52 圖6.2-13 simulink模擬之太陽能板輸出電流 53 圖6.2-14 simulink模擬之太陽能板輸出電壓 53 圖6.2-15 simulink模擬之太陽能板輸出功率 54 圖6.2-16 simulink模擬之電池電流 55 圖6.2-17 simulink模擬之電池電壓 55 圖6.2-18 simulink模擬之馬達轉速 56 圖7.1-1模糊控制用於定電壓架構圖 57 圖7.1-2 buck boost converter架構圖 58 圖7.1-3 Controller架構圖 58 圖7.1-4 fuzzy 架構圖 58 圖7.1-5定電壓之模糊控制規則庫 58 圖7.1-6定電壓之模糊控制論域 59 圖7.1-7定電壓模擬結果 60 圖7.2-1模糊控制用於定電流架構圖 60 圖7.2-2 定電流之模糊控制論域 61 圖7.2-3 定電流模擬結果 61 圖8-1 Zeta型升降壓轉換器 62 圖8-2 控制板 62 圖8.1-1 控制板硬體圖 63 圖8.1-2 Zeta型升降壓電源轉換器硬體圖 65 圖8.2-1 鋰電池充電之定電流充電 67 圖8.2-2 鋰電池充電之定電壓充電 67 圖8.2-3 微控制器模組之鋰電池充電流程圖 68 圖8.3-1太陽能板曲線 69 圖8.3-2 太陽能板輸出電流 70 圖8.3-3太陽能板輸出電壓 70 圖8.3-4 太陽能板輸出功率 71 圖8.3-5 微控制器模組之最大功率追蹤流程圖 72 |
參考文獻 |
1. Cambone, S. A., Krieg, K. J., Pace, P., and Wells II, L., “Unmanned Aircraft Systems Roadmap 2005-2030”, Office of the Secretary of Defense, USA, 2005. 2. MacCready, P. B., Lissaman, P. B. S., Morgan, W. R., and Burke, J. D., “Sun-Powered Aircraft Design”, Journal of Aircraft, Vol. 20, No.6, pp.487-493, 1983. 3. Brandt, S. A, and Gilliam, F. T., “Design Analysis Methodology for Solar-Powered Aircraft”, Journal of Aircraft, Vol. 32, No.4, pp.703-709, 1995. 4. NASA Dryden Fact Sheet, “Solar Power Research and Dryden”, NASA Dryden Flight Research Center, FS-1998-10-0054 DFRC. 5. Noth, A., “Design of Solar Powered Airplane for Continuous Flight”, Ph.D. thesis, Swiss Federal Institute of Technology Zurich, 2008. 6. Shiau, J. K. ,Ma, D. M., Shie, J. R., and Chiu, C. W. “Optimal Sizing and Cruise Speed determination for a Solar Powered Airplane”, Journal of Aircraft, Vol. 47, No. 2, March-April, pp. 622-629, 2010. 7. Zhu, X., Guo, Z., and Hou, Z., “Solar-powered airplanes: A historical perspective and future challenges”, Progress in Aerospace Sciences, Vol. 71, pp.36-53, Nov. 2014. 8. Shiau, J. K., Ma, D. M., Yang, P. Y., Wang, G. F., and Gong, J. H, “Design of a Solar Power Management System for an Experimental UAV” IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol 45, No.4, pp. 1350-1360, 2009. 9. Gao, X. Z., Hou, Z. X., Guo, A. Liu, J. X., and Chen, X. Q., “Energy management strategy for solar-powered high-altitude long-endurance aircraft”, Energy Conversion and Management, Vol. 70, pp. 20-30, 2013. 10. 梁淳剛,可程式式非反向同步式升降壓直流-直流電源轉換器設計,淡江大學航空太空工程學系碩士論文,2012 11. 郭育豪,應用模糊控制於可程式之非反向同步升降壓直流電源轉器之設計,淡江大學航空太空工程系碩士班,2014 [12] 李珉毅,以升降壓電源轉換器為基礎之太陽能電池模擬系統之電路模擬及實務應用,淡江大學航空太空工程學系碩士班,2014 [13] Texas Instruments,Datasheet, “TPS40200”,2014 [14] Texas Instruments, Jeff Falin,“Designing DC/DC converters based on ZETA topology”,2010 [15] 魏煜宸,具穩壓功能之太陽最大率追蹤模糊控制器設計及混合供電系統應用,淡江大學航空太空工程學系碩士論文,2014 |
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