本课题项目来源于“南北极环境综合考察和评估”(编号:CHINAER2016-02-02)。针对极地变载冰雪过程监测站小型风光互补控制系统设计进行的应用型研究。南极中山站至昆仑站,直线距离约1200多公里,常年被几百米厚的冰雪覆盖,且有极昼、极夜现象,给实地考察带来诸多困难。冰雪过程监测站是用于对中山站和昆仑站的降雪量、被风刮走的雪量、太阳辐射以及冰盖浅层温度场的变化进行数据采集和远程传输的多功能监测站,集风速风向传感器、光照度传感器、超声波传感器于一体,在中山站和昆仑站之间共安装5套,采用蓄电池供电,由于安装环境恶劣,硬件设备无法工作,蓄电池性能变差甚至产生不可逆破坏,导致供电不足,因此需设计风光互补供电系统为其供电。本课题以极地变载冰雪过程监测站小型风光互补控制系统作为研究内容,使冰雪过程监测站在南极低温、极昼极夜特殊环境下可以持续稳定工作,而作为整个系统的储能装置—蓄电池,其在低温下性能变差,控制器的元器件在极低温度条件下无法工作,风力发电机转轴在低温下结冰无法运转,这些种种原因会影响风光互补供电系统效率,因此,供电系统加热器的设计与加热控制策略成为本课题的重中之重。首先,本文分析计算了南极的气象数据以及监测站用电量,并对风光互补供电加热装置的硬件进行了选型,使其可以在低温环境下正常工作,根据统计结果计算了光伏板、风力发电机年发电量和负载年耗电量,并进行了能量匹配计算。其次,将磷酸铁锂电池置于低温实验柜中,分别在-10℃、-20℃、-30℃温度下做了充放电实验,分析蓄电池的低温特性,根据实验数据可以得到电池容量、初始端电压与温度之间关系曲线图,电池放电容量与端电压之间关系曲线图。由实验得知:温度的降低致使电池的初始放电电压平台下降,充放电时间缩短,充放电容量下降,但在-10℃时,电池的充放电容量仍可观。再次,本文以12V75Ah磷酸铁锂电池为研究对象,提出硅胶加热片加热法,分别在-20℃、-30℃环境温度下对电池进行加热和放电实验,并对电池放电性能进行比较。加热实验分两部分:电池加热实验和电池加热放电实验。电池加热实验验证在不同低温环境下对保温箱进行加热,电池保温箱内整体温升效果;电池加热放电实验验证加热过程中消耗的电量与加热后电池释放的电量的比例。根据实验数据,制定南极风光互补供电系统电池保温箱加热策略。最后,对极地变载风光互补控制系统的控制器进行了软硬件设计,以MSP430F5438A为主控芯片,设计了该系统的风光充电支路,温度采集、电流电压采集、负载切换、卸荷电路以及控制电路,并对硬件进行了耐低温选型;软件编程包括系统主程序、蓄电池充放电程序、温度采集及PID控制程序、负载切换控制程序等。在低温实验柜中对整个系统进行了低温调试,对于PID温度控制进行相关参数调试,最终完成整个设计。