一、方案论证

 1、整体设计方案比较与选择

由于光伏电源受太阳的光照影响，随着白昼、天气变化，供电效果不稳定。根据光伏特性，即使在光照不足（比如有云层的中午）的状态，空载仍然能达到最高电压。但是负载能力却很低。输出电压变化范围大，无法直接使用，因此我们只能把它视为高阻抗电源，不能直接供给家用电器，需用高效率的DC-DC开关电源把它调整到一般家用电器使用输出电压状态。但是光伏电源的不连续，使得家电无法正常工作，还需要在不能发电的时候使用后背电池供电。

 2、方案描述

为了正常合理使用太阳能，我们设计了一个尽可能使用光伏电源，又在光照不足甚至无光的情况下也能正常供电的双电源供电电路。在正常光伏发电中，既能给用电器供电，又能给蓄电池组充电，称为模式I,在光照不足的情况下，尽可能使用光伏电源但是还需要后备蓄电池来作为补充的情况，称为模式II。

在模式I和模式II相互切换中还要通过合理的转换电路设计，不能造成切换过程中的供电闪断。由于光伏电源和蓄电池组的电压输出均不能直接供给家用电器，还要把他们统一转换成一个稳定的电压，来确保家用电器的使用寿命。因此我们设计了一个方案。如图1所示：

图1

二、电路与程序设计

 2.1、主回路与器件选择

  2.1.1考虑到线性稳压器件(如78xx系列三端稳压器件) “热损失”。

采用DC-DC中降压常用的是Buck斩波电路,大功率时效率要比线性电源高出很多，这里采用了开关电源优选了LM2576HV-ADJ芯片作为降压电路的主芯片。该芯片支持最高60V输入，3安培电流输出，外围元件少，是本次方案中理想的选择。

  2.1.2充电电路器件选择

利用LM317设计限压恒流充电电路。其电路简单，元件少，工作稳定可靠。当然市场还有更好的专用芯片可选，限于本组库存原因只能采用这种芯片能满足本次测试要求。

  2.1.3电池的选择

相较于普通不可充电电池而言，题目要求有自带管理功能的电池，因此选择由两节并联4组串联的容量2600mAh的18650型号锂子电池串联组成。

  2.1.4逆变变回路选择

选用TL494作为升压电路的主控芯片。本次实验使用市场采购成熟的升压模块。模块特性属于非隔离升压模块（BOOST），如图2所示：

图2

  2.1.5假负载选择

于消耗功率较大，采用12只75欧姆10瓦的水泥电阻组成的电阻阵列，来满足测试中所需要的两个大功率50欧假负载电阻。电阻使用如图3所示：

图3

 2.2、主回路与程序设计

  2.2.1降压电路的设计

降压电路部分采用LM2576HVT-ADJ芯片，LM2576系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压电路，它内含固定频率振荡器(52kHz)和基准稳压器(1.23V)，并具有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。本次方案中选择经官方给出的经典电路。

  2.2.2充电电路设计

利用LM317设计限压恒流充电电路。其电路简单，元件少，工作稳定可靠。电池电压为18V，充电电流最大为165mA左右。

  2.2.3模式切换检测电路设计

  本次测试中基于大赛命题的需要。只给出简易的电压检测切换方式。，电压检测采用TL431可调式精密并联稳压器，当检测到U1输入电压低于25v时，TL431的第二脚输出为低电平，干簧管继电器吸合。线圈驱动电路中串联一只绿色的LED，用来指示当前处在模式I或者是模式II中，根据这次的设计，绿色LED点亮时。变换器处于模式I，熄灭则是模式II,D1防止TL431在继电器关断时产生的高反压损坏，C2则是防止继电器在临界点反复吸放引起振动。

  2.2.4模式切换电路设计

通过改变LM2576构成的DC-DC降压电路的设定输出电压值来让这个电路工作在两种模式。模式 1时，继电器吸合，调节W2和W3的电阻值来调整DC-DC电路输出电压为19V。这个电压可以驱动恒流充电电路为16.8V的锂电池组充电。也可以通过二极管D3直接驱动后边的逆变升压电路,使之输出30V直流。由于供给逆变器的电压超过大于电池组的电压。因此D4处于关闭状态。降压电路只能通过充电电路给电池充电。

模式II启动后，继电器放开。DC-DC降压电路的输出电压被设置成15.6V。蓄电池组输出的电压高于这个电压。D4导通，为逆变器模块供电。由于负载偏大。蓄电池组电压下降到15.6v以下。D3也会导通。通过平衡电阻R8，R9。形成双供电模式。由于DC-DC转换电路的反馈电压采集点是在B点，而不是在A点。因此当蓄电池组电压降到15.6V时。由光伏电源供电的DC-DC模块通过内部PWM调整，输出15.6V电压为其提供电流，由于DC-DC模块的等效内阻小于蓄电池组，它成为主要供电的方式，该电路的设计将最大化利用光伏电源产生的电力，蓄电池组只是在模式二启动后起到一个补充辅助作用。

  2.2.5升压电路设计

采用的是基于TL494主芯片控制的DC-DC直流10-60V 400W 15A升压变换器， 市场有成熟方案。这里不再陈述。

  2.2.6负载电路设计

由于手头器材限制，使用12只功率为10瓦的75欧姆陶瓷电阻，如图4，采用串并联的方式组成两只大功率电阻。在其中一组装有控制可开关来选择输出电流 。

图4

  2.2.7整体电路结构（如图5）

图5

当直流稳压电源（不小于60V）的输出接到降压电路时，输出电压降为指定电压（可调），当降压电路的输出电压大于电池电压，模拟光伏电池则同时给电池和负载供电，即为模式一；当降压电路的输出电压小于电池电压时，则模拟光伏电池和电池同时为负载供电，即为模式二。根据调节模拟光伏电池的电压和负载情况，可实现模式一和模式二的自动切换。

现实使用中模式切换并不分明，光源的变化和负载的变化是比较复杂的。供电的蓄电池组也会随着使用时间增加输出电压下降，因此最佳设计并不是简单直接将电压降至15.8V而是根据电池电压的检测动态设置光伏电源的降压回路中的电压输出。让光伏电源输出略高于电池组的电压，达到优先利用光伏电源的目的。

 2.3、程序设计  

在这里只为检测功率，电压电流变化状况，不参与模式计算与转化功能。通过霍尔电流传感器和电压表，对电流和电压数据的采集，从而得出电压调整率、负载调整率、变换器效率，让arduino单片机输出在oled屏幕上显示出来。

三、理论分析与计算

 3.1降压电路的分析：

使用LM2576组成的DC-DC降压转换电路。按照官方提供的芯片以及外围搭建，理论效率高于96%.，输出电压很关键。第一要满足给电池组充电，第二要满足升压模块的输入电压-输出电压-负载-最佳效率值。

 3.2 充电电路的分析：

IC1是LM317三端稳压集成块，使用7欧姆电阻构成的恒流电流，最大电流不超过1.25/7,大约170毫安。

 3.3 升压电路的分析：

主要控制的TL494芯片是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率为150KHZ。用它组成的Boos升压电路转换效率高达96%。具有过流保护，恒流功能。

四、测试方案与测试结果

首先按照题目要求的进行测试。

 4.1测试方案及测试条件

按照测试要求准备电源两块，一块48V工业电源，可调范围为40V-56V,另外一块36V，可调范围30-40V。按照要求搭载完毕

 4.2测试结果及完整性

  4.2.1按照大赛提出的测试要求

（1）Us=50V、Io=1.2A条件下，变换器工作在模式I。Uo=30V+_0.1V.Ib>=0.1A

 多次测试结果 Uo=30.0, Uo=29.9 Ib=0.16, Ib=0.16  测试结果合格通过。

（2）Io=1.2A、Us由45V增加至55V。电压调整率Su<=0.5%

多次测试结果显示 Uo=30.0，Uo=30.0。测试结果为合格通过。

（3）Us=50V，Io由1.2A减至0.6A，负载调整率Si<=0.5%。

多次测试结果显示 Uo=30.0，Uo=30.0。测试结果为合格通过。

（4）所提到的Us=50V,Io=1.2A条件下,变换器效率>90%

多次测量，输入功率Po=50.5W,输出功率只有36W和充电部分消耗的3W。综合多次调试测量平均只有79%-81%。效率均未达到要求的90%。测试结果为失败。

  4.2.2在发挥部分中

（1）Io=1.2A.电压由55V降至25V。变换器能够从模式由I切换至II.电压调整率几乎是零。但无法实现全范围最大功率点跟踪。测试结果显示部分达到要求。

（2）变换器工作在模式II。效率大于95%未通过。多次测试，仍然只有最高84%

（3）Us=35V、Io由1.2A减小至0.6A，变换器能够从模式II切换至模式I。负载调整率 Si<0.1%， 经多次拨动负载电阻箱的开关，让它在25欧姆和50欧姆。之间反复切换。输出电压为29.9-30.0之间。几乎 无变化。测试结果为合格通过。

 4.3测试结果分析

经过多次试验，转换效率均未达到要求。无奈最后单独测量购买的TL494升压模块。带上假负载25欧姆电阻和50欧姆电阻，多次测量发现器转换效率最大只有85%。远未达到广告宣传的95%。为此。所有关于效率测试全部失败。但是该转换器采用TL494主控芯片设计的升压电路输出电压很稳定。不受输入电压波动影响。也不因为负载变化而影响输出电压。

 五、结论

关于赛题中的效率部分终因变换器产品不达标，宣告失败。其他测试顺利通过。另外关于此次设计疑问主要如下：

1、在这里我们为什么要用继电器的触点而不是使用TL431的第二脚Anode直接链接W103模式转换继电器？

是因为电赛设计中的负载只有两种切换方式。使用继电器切换简单直接。采用外围元件少，还可以使用LED直接指示两种工作模式，其中LED亮起后工作与模式I。

2、为什么使用电压检测切换模式I和模式II。而不用网络使用的MPPT算法驱动转换模式？

大赛中的模拟负载只有两种方式，0.6安培和1.2安培，换算后的功率也是18W和36W两种，在36W模拟功耗时，由于串联在线路中的10欧姆电阻分压使得输入电压U1立即将电压从32V降到25V以下。效果十分明显，根本不需要计算。

3、为什么将DC-DC降压模块的输出电压设置成19V和15.6v两种规格充当模式I和模式II？

首先我们采用的逆变模块在19-20V电压输入，再有需要提供给蓄电池组充电的恒流充电电路也要求高于18V。但是过高的电压会对电池有所伤害。且转换效率提高无明显变化。而在模式II状态下。则是经测试每一个锂电池单元在1安培以上的放电中输出电压均在3.9V以下。本次设计中采用了4 X 3.9=15.6V作为模式II的输出电压选择。在实际应用中，设定电压不是一个固定值，它需要根据光伏电源端组成得DC-DC降压电路输出电压和电池组的实际输出电压相比较计算。来动态设定DC-CD模块输出电压，通过优化方案使得供电线路中优先采用光伏电源。