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系統識別號 U0002-1101200714274000
中文論文名稱 太陽能電力電源管理系統測試環境建立與系統驗證
英文論文名稱 Test Bed Development and System Verification of a Solar Power Management System
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 航空太空工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Aerospace Engineering
學年度 95
學期 1
出版年 96
研究生中文姓名 楊秉穎
研究生英文姓名 Ping-Ying Yang
學號 693370289
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2006-12-28
論文頁數 122頁
口試委員 指導教授-蕭照焜
委員-葉哲勝
委員-馬德明
委員-蕭照焜
中文關鍵字 太陽能電源管理系統  電池管理  同步降壓轉換器  無人飛行載具 
英文關鍵字 Solar power management system  Battery management  Synchronous power converter  UAV 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
中文摘要 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。
英文摘要 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.
論文目次 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 參考文獻
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[20]Texas Instrument, Datasheet, ”Wide-Input Synchronous Back Converter TPS40054, TPS40055, TPS40057”, Rev D, June 2005.
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