本論文建立太陽能無人飛行載具電力電源管理系統之測試環境並執行系統驗證。電力電源管理系統主要分為三級 : 第一級最大功率追蹤，第二級鋰電池充放電管理系統，第三級電力電源轉換系統。第一級為追蹤太陽能電池之最大功率點，以取得最佳效率提供負載端之電源使用。第二級則將第一級所取得之最大功率電力儲存於鋰電池中，並將鋰電池電力提供第三級使用。第三級則利用同步降壓型轉換器將鋰電池電壓轉為+5V與+12V以提供系統及機載電腦之所需。
我們針對第一級最大功率部分建立一實驗承載平台，以直接使用陽光進行最大功率追蹤實驗，取得飛行載具在不同俯仰角狀態下之實驗紀錄並加以分析。同時整合第二級鋰電池充放電管理系統軟硬體部分，使其完整運作。並重新設計第三級電力電源轉換系統，使轉換系統在系統電壓範圍能安全運作。

In this thesis, we developed a test bed for the solar power management system for an experimental UAV. The solar power management system consists of maximum power point tracking, battery management, and power conversion stages. The maximum power point tracking stage obtained the maximum power from the solar cells. The battery management stage stored the maximum power which obtained form first stage in Li-Ion polymer battery modules. The power conversion stage generated +5V and +12V powers for the on-board computers and other Loadings by DC-DC synchronous buck converter. 
We built a test bed to conduct maximum power point tracking experiment for the solar cells in different pitch angles, and analyzed the experiment data. We integrated the software and hardware of the battery management stage. We also redesigned the power conversion stage to make the system operate safely within the range of the system voltage.

目錄
目錄	I
圖目錄	III
表目錄	IX
第一章、序論	1
第二章、太陽能飛機電力電源管理系統概述	6
第三章、最大功率追蹤	13
3.1	太陽能電池	13
3.2	最大功率追蹤	19
第四章、鋰電池充放電管理系統	24
4.1	電力轉換器	25
4.2	充電控制器	26
4.3	鋰電池與繼電器模組	28
4.4	鋰電池充放電管理流程	33
第五章、電力電源轉換系統再設計	49
5.1	電力電源轉換系統原理	50
5.2	電力電源轉換系統參數設計	57
第六章、太陽能測試環境建立	77
6.1	太陽能測試平台硬體	77
6.2	太陽能測試平台軟體	87
第七章、太陽能電池最大功率追蹤實驗	93
第八章、結論與未來展望	113
參考文獻	120

 
圖目錄
圖 1–1 太陽能無人飛行載具Helios	3
圖 1–2 太陽能無人飛行載具SoLong	4
圖 2–1 太陽能無人飛行載具實驗機PONY	6
圖 2–2 太陽能無人飛行載具機載電腦之電源管理系統架構圖	7
圖 2–3 太陽能無人飛行載具機載電腦之電源管理系統	8
圖 2–4 電源管理系統與鋰電池模組	8
圖 2–5 太陽能電池，上：左翼，中：機身，下：右翼	10
圖 2–6 鋰聚合電池	11
圖 3–1 最大功率系統架構圖	13
圖 3–2 太陽能電池等效電路	14
圖 3–3 固定日照強度 ，溫度變化之輸出電壓與電流關係	17
圖 3–4 固定日照強度 ，溫度變化之輸出電壓與功率關係	17
圖 3–5 固定溫度 ，日照強度變化之輸出電壓與電流關係	18
圖 3–6 固定溫度 ，日照強度變化之輸出電壓與功率關係	18
圖 3–7 太陽能電池特性曲線	19
圖 3–8 增量電導法示意圖	20
圖 3–9 最大功率追蹤軟體流程圖	22
圖 3–10 中斷副程式流程圖	23
圖 4–1 鋰電池充放電管理系統	25
圖 4–2 電力轉換器電路圖	26
圖 4–3 定電流模組電路圖	27
圖 4–4 定電壓模組電路圖	27
圖 4–5 鋰電池與繼電器模組	28
圖 4–6 單一鋰電池模組	29
圖 4–7 1P繼電器電路	29
圖 4–8 2P繼電器電路	30
圖 4–9 4P繼電器電路	30
圖 4–10 單一鋰電池次模組放電	31
圖 4–11 單一鋰電池次模組充電	32
圖 4–12 鋰電池充放電流程	33
圖 4–13 微處理器初始化流程	35
圖 4–14 I/O初始化	36
圖 4–15 A/D模組初始化	37
圖 4–16 中斷功能初始化	38
圖 4–17 計時器1初始化	39
圖 4–18 控制參數設定	40
圖 4–19 選擇充/放電模式流程	41
圖 4–20 選擇充電次模組流程	42
圖 4–21 次模組變數設定流程	43
圖 4–22 中斷副程式流程	44
圖 4–23 微處理器控制電路圖	45
圖 4–24 電力轉換器電路圖	46
圖 4–25 1P繼電器電路圖	47
圖 4–26 2P繼電器電路圖	47
圖 4–27 4P繼電器電路圖	48
圖 5–1 同步降壓整流轉換器	49
圖 5–2 場效電晶體切換電路示意圖(a)導通(b)截止	50
圖 5–3 線性化後之回授控制系統	56
圖 5–4 TPS40055簡化之應用電路圖	58
圖 5–5 切換頻率 與設定電阻 	59
圖 5–6 切換頻率 與電阻 之關係	60
圖 5–7 第三類補償器基本配置圖	67
圖 5–8 +12伏特功率級頻率響應	70
圖 5–9 +12伏特補償器頻率響應	71
圖 5–10 +12伏特轉換系統頻率響應	71
圖 5–11 +5伏特功率級頻率響應	72
圖 5–12 +5伏特補償器頻率響應	73
圖 5–13 +5伏特系統頻率響應	74
圖 5–14 +12伏特電力電源轉換系統電路圖	75
圖 5–15 +5伏特電力電源轉換系統電路圖	76
圖 6–1 太陽能實驗平台	78
圖 6–2 太陽能飛機承載平台控制流程	78
圖 6–3 USB控制器	79
圖 6–4 S字型加減速機能	81
圖 6–5 控制器Pulse輸出方式	82
圖 6–6 伺服馬達TS4906	82
圖 6–7 伺服馬達驅動器SD20-400W	83
圖 6–8 減速齒輪	84
圖 6–9 極限開關	84
圖 6–10 限動器訊號示意圖	85
圖 6–11 譯碼器Encoder	85
圖 6–12 太陽能飛機承載平台角度控制程式	87
圖 6–13 S字型變化率設定	89
圖 6–14 太陽能實驗資料傳遞方塊圖	92
圖 7–1 太陽能電池最大功率試驗	93
圖 7–2 實驗(一)輸出電壓與輸入電壓	94
圖 7–3 實驗(一)輸出電流與輸入電流	94
圖 7–4 實驗(一)輸出功率與輸入功率	95
圖 7–5 實驗(一)最大功率追蹤效率	95
圖 7–6 實驗(二)輸出電壓與輸入電壓	97
圖 7–7 實驗(二)輸出電流與輸入電流	97
圖 7–8 實驗(二)輸出功率與輸入功率	98
圖 7–9 實驗(二)最大功率追蹤效率	98
圖 7–10 實驗(三)輸出電壓與輸入電壓	100
圖 7–11 實驗(三)輸出電流與輸入電流	100
圖 7–12實驗(三)輸出功率與輸入功率	101
圖 7–13 實驗(三)最大功率追蹤效率	101
圖 7–14 實驗(四)輸出電壓與輸入電壓	103
圖 7–15 實驗(四)輸出電流與輸入電流	103
圖 7–16 實驗(四)輸出功率、輸入功率與角度變化	104
圖 7–17 實驗(四)最大功率追蹤效率	104
圖 7–18 實驗(五)輸出電壓與輸入電壓	106
圖 7–19 實驗(五)輸出電流與輸入電流	106
圖 7–20 實驗(五)輸出功率、輸入功率與角度變化	107
圖 7–21 實驗(五)最大功率追蹤效率	107
圖 7–22 實驗(六)輸出電壓與輸入電壓	108
圖 7–23 實驗(六)輸出電流與輸入電流	109
圖 7–24 實驗(六)輸出功率、輸入功率與角度變化	109
圖 7–25 實驗(六)最大功率追蹤效率	110
圖 8–1 電力電源管理系統規劃	115
圖 8–2 電力電源管理系統規劃流程(一)	115
圖 8–3 電力電源管理系統規劃流程(二)	116
圖 8–4 電力電源管理系統規劃流程(三)	116
圖 8–5 鋰電池模組規劃	117
圖 8–6 鋰電池與繼電器規劃(一)	118
圖 8–7 鋰電池繼電器規劃(二)	119

 
表目錄
表 2–1 太陽能電池電氣特性(左翼)	9
表 2–2 太陽能電池電氣特性(右翼)	9
表 2–3 太陽能電池電氣特性(機身)	10
表 2–4 鋰聚合電池電氣特性(One Cell)	11
表 4–1 指示燈狀態	34
表 7–1 太陽能實驗資料	112

參考文獻
[1]張國慶，高雄市國民中小學太陽能發電系統應用之研究，屏東科技大學碩士論文，民國95年。
[2]楊茂榮，太陽能發電系統控制器之研究，大葉大學碩士論文，民國90年。 
[3]蔡明村，並聯供電系統之設計與實現，國立成功大學博士論文，民國86年。
[4]袁成明，小型光伏發電系統之研究，國立成功大學碩士論文，民國85年。
[5]美國太空總署NASA之Helios http://www.nasa.gov/centers/dryden/news/ResearchUpdate/Helios/index.html
 
[6]AC Propulsion’s Solar Electric Powered SoLong UAV http://www.acpropulsion.com/solong/ACP_SoLong_Solar_UAV_2005-06-05.pdf
[7]宮志華，太陽能無人飛行載具機載電腦電力電源管理系統設計，淡江大學航空太空工程學系碩士班，民國93年。
[8]王政峰，太陽能無人飛行載具機載電腦電力電源管理系統之實現，淡江大學航空太空工程學系碩士班，民國95年。
[9]吳財福、張健軒、陳裕愷，太陽能供電照照明系統綜論，全華書局出版，民國89 年。
[10]Hussein K. H., Muta I., Hoshino T. and Osakada M., “Maximum photovoltaic power tracking: an algorithm for rapidly changing atmospheric conditions”, Proc. IEE Generation, Transmission, and Distribution, 142 (1995)(1), pp.59-64.

[11]Singer S., and Braunstein A., “The Maximum Power Transfer form a Nonlinear Energy Source to an Arbitrary Load”, IEE Proc. Vol.134, No. 4,pp.281-287(1987)

[12]Midya P., Kerin P. T., Turnbull R. J., Reppa R., and Kimball J., “Dynamic Maximum Power Point Tracker for Photovoltaic Applications,” IEEE Power Electronics Specialists Conference, Vol.2, pp.1710-1716, 1996.

[13]Harashima F., Inaba H., Kondo S., Takashima N., ”Microprocessor Controlled SIT Inverter for Solar Energy System”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. IE-34,No.1,pp50-55,Feb 1987.

[14]Kislovski A. S. and Redl R., “Maximum-power-tracking using positive feedback”, IEEE PESC Conf. Rec., pp.1065–1068, 1994.

[15]Wolf S. and Enslin J., “Economical, PV maximum power point tracking regulator with simplistic controller”, in Proc. IEEE Power Electron. Spec. Conf., 1993, pp. 581–587.

[16]Simoes M. G., Franceschetti N. N., Friedhofer M., ”A fuzzy logic based photovoltaic peak power tracking control”, ISIE '98. IEEE International Symposium on Industrial Electronics, vol. 1, pp. 300 -305, 1998.

[17]Won C. Y., Kim D. H., Kim S. C., Kim W. S., and Kim H. S., “A new maximum power point tracker of photovoltaic arrays using fuzzy controller,” IEEE PESC Conf. Rec., pp. 396–403, 1994.

[18]Microchip, Datasheet, ”PIC18FXX2”, 2002.

[19]Microchip, Datasheet, ”PIC18F2X1X/4X1X”, 2004.

[20]Texas Instrument, Datasheet, ”Wide-Input Synchronous Back Converter TPS40054, TPS40055, TPS40057”, Rev D, June 2005.