毕业设计（论文）-汽车尾气废热发电电力调节器的研制.doc

武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 目录 摘要 .I ABSTRACT .II 1 绪论.1 1.1 研究背景及意义 .1 1.2 热电应用发展现状 .1 1.3 DC/DC 变换器控制方法研究现状.2 1.4 本文主要研究内容 .4 2 系统建模与设计 .6 2.1 方案设计.6 2.2 主电路选型与分析.7 2.2.1 主电路选型.7 2.2.2 BUCK 电路分析.8 2.2.3 保护电路设计 .11 3 控制系统设计 .13 3.1 控制器设计 .13 3.1.1 显示电路.14 3.1.2 CAN 及通信电路 .15 3.1.3 驱动电路设计.15 3.1.4 传感电路设计.17 3.1.5 辅助电路设计.20 4 相关参数计算 .21 4.1 主电路参数.21 4.2 保护电路参数.24 4.3 PID 参数 .24 4.3.1 电压模式 PID 参数.26 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 4.3.2 电流模式 PID 参数.28 5 仿真分析 .29 5.1 BUCK 电路仿真.29 5.2 PID 仿真 .30 5.2.1 电压模式.30 5.2.2 电流模式.32 6 软件设计及测试 .34 6.1 软件设计 .34 6.2 软件部分测试 .35 7 总结与展望.40 参考文献 .41 附录一 .42 附录二 .45 致谢 .49 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） I 摘要 热电发电技术（又称温差发电技术）是利用热电转换材料直接将热能转换为电能的 新能源技术，具有结构简单、可靠性高、可高效利用热能发电的特征。具有梯级能量特 征的尾气废热非常适合利用热电发电技术回收利用。 半导体温差发电器是系统电能的源头，由于汽车发动机功率的变化，排气管的温度 会发生变化，从而使得发电器发出的电压发生变化，这种电能在某种意义上都是“粗电” 。 在大多数情况下，使用这些“粗电”都不能尽如人意，所以需要稳压稳流装置，使其具 有稳定的输出功率，再通过车载铅酸蓄电池蓄能，形成一套比较完整的发电及蓄电系统。 本文提出的是基于 DSC 的 DC-DC 变流器，设计中采用 DSPIC30F6014A 芯片作为系 统的控制器，采用 BUCK 降压斩波电路作为基本的拓扑电路，并用霍尔电压、电流传感 器采集电路相关参数，控制器进行 A/D 转换后进行相关的数据处理和 PID 算法，输出相 应的 PWM 波控制 BUCK 电路，实现电压和电流的连续可调。系统还可以通过 CAN 总线 进行通信和控制，可以进行电流模式和电压模式的双模式切换以及系统的软开关，同时 系统还具有自我检测和保护报警功能。 关键词：汽车动力 热能回收 DSC DC-DC 斩波 PID 全套设计加扣 3012250582 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） II Abstract Thermoelectric power generation technology (also known as thermoelectric power generation technology) to direct the heat into electricity new energy technologies is the use of a thermoelectric conversion material, has a simple structure, high reliability, efficient use of the characteristics of thermal power generation. The exhaust waste heat cascade energy feature is ideal for thermoelectric power generation technology recycling. Thermoelectric Power is the source of the electricity system, due to changes in automotive engine power, the exhaust pipe temperature will change, allowing issued by the electric voltage change, electrical energy in a sense coarse power. In most cases, the use of these coarse power are not satisfactory, so they need a steady flow regulator device, it has a stable output power, and then through the vehicle lead-acid battery energy storage to form a relatively complete set of power generation and storage system. In this paper, the DSC-based DC-DC converter design DSPIC30F6014A chip as the system controller, Buck buck chopper circuit as the basic circuit topology, and the Hall voltage, current sensors, data acquisition circuit parameters, controller A / D conversion, data processing and PID algorithm, the output of the PWM wave control BUCK circuit voltage and current continuously adjustable. The system can also communicate via the CAN bus and control of the dual-mode switching of the current mode and voltage mode soft switching system, the system also has self-detection and protection alarm function. Keywords: vehicle power heat recovery DSC DC-DC chopper 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 1 1 绪论 1.1 研究背景及意义 截至 2011 年 8 月底，我国汽车保有量已经突破 1 亿辆，汽车年消耗燃油超过 2 亿吨， 占全国燃油消耗总量的 50%以上。在汽车消耗燃油所产生的能量中，约 40%的能量以废 热形式由尾气排出。按 2011 年汽车保有量和汽车燃油消耗总量计算，约 7000 万吨燃油 产生的能量以尾气废热形式排出，折合成原油约 1.2 亿吨，相当于两个半多大庆油田的年 产量。汽车尾气废热具有沿排气管梯级分布的特征，在发动机及排气歧管附近，最高温 度超过 500，在一级消声器之前的大部分区域温度在 250以上。 热电发电技术（又称温差发电技术）是利用热电转换材料直接将热能转换为电能的 新能源技术，具有结构简单、可靠性高、可高效利用热能发电的特征。具有梯级能量特 征的尾气废热非常适合利用热电发电技术回收利用。利用赛贝克热电效应让半导体热电 材料包裹在排气管周围，可将热能转换成电能加以有效地利用。汽车发动机排出的废热 通过肋片形成发电器的热端，而冷端则用顺排管束式风冷散热器，使冷端保持相对稳定 的温度。以 2.0L 轿车为例，如果利用转换效率为 10%左右的热电发电材料，则可将尾气 废热能量的 810%直接转换为电能，可降低燃油消耗 10%以上，减少 CO2 排放约 1 吨， 这对实现我国节能减排战略目标具有重大意义。 1.2 热电应用发展现状 自从塞贝克效应 1821 年被发现以来，温差发电技术已经历了近两个世纪的发展。但 由于受热电转换效率低的制约和成本高的限制，温差发电技术长期以来主要应用在航天 和军事等尖端领域。近年来，随着高性能热电材料的出现，温差发电技术在工业和民用 产业领域的应用成为可能。世界上一些发达国家先后开展了相关研究，温差发电技术在 日本已被作为一种能源和环境的战略技术而得到了大力支持和发展，其在热电陶瓷材料 方面处于世界领先地位。美国能源部(DOE)于 2003 年 11 月 12 日公布“工业废热温差发 电用先进热电材料资助项目(主要应用对象是利用冶金炉等工业高温炉废热发电以降低能 耗)后，于 2004 年 3 月又发布了一个项目指南开展汽车发动机余热温差发电研究。同 年，美国的能源部和 NAVY 还组织了本国的十多个项级研究单位启动一个大型高效纳米 热电半导体材料的研究项目，投资达近千万美元。同时还在 Clemsom 大学投资 250 万美 元成立了美国温差电即热电半导体材料与器件研究中心。日本也在 2003 年投资了数千万 日元组织十多家单位启动了“废热温差发电大型项目。欧洲有 20 余个研究机构也联合进 行了汽车发动机余热发电方面的相关研究，并在组织“纳瓦到兆瓦热电能量转换”的大 型科研项目。其中，以德国为主的国家在 2002 年即启动了类似于美国 NAVY 的“大型温 差电半导体材料与器件的研发项目” 。可见，各发达国家对该领域的研究非常关注和重视。 相比之下，我国在此领域的研究才刚刚起步(20 世纪末期投入很少)，在技术和产品自主创 新方面尚是空白。不过近几年来在国家自然科学基金及国家“863研究计划的支持下该领 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 2 域的研究已经取得了一定的进步。探索新的材料制备途径、优化制备工艺、降低成本、 提高材料性能，以改变目前国内热电材料普遍存在的热电转换效率低、稳定性差、材料 利用率低及制造成本高的缺点是使热电材料在我国获得大规模应用的唯一出路，这迫切 需要国家项目的连续投入。 由于温差发电是将余热废热等低品位能源转换为电能的有效方式，近年来得到世界 许多国家的高度重视和大量投入，如日本利用这项技术建立了 500W 级的垃圾燃烧余热发 电示范系统，已取得了良好的实际效果。美国公司也已开发了多种热电发电系统，且均 已投入使用，如在大型货运卡车上安装 1000W 级的废热发电系统为汽车提供辅助电源等。 车用发动机余热温差发电技术近几年来发展很快，转换规模可在数百瓦至几千瓦之间。 其中，日本 Nissan 汽车公司研究中心研制的一种排气温差发电器可以回收 ll的热量， 西班牙研制的排气温差发电器可以回收 37的热量。美国 HiZ 公司在能源部资助下进 行的柴油机载重车排气余热温差发电研究在台架和道路实验中得到 T20004000W 的功 率。俄罗斯联邦科学中心物理与能源工程研究所进行的高寒区载重发动机直接发电的研 究产生了 600W 的电能。 由于我国的能源十分短缺，能源的利用率也较低，因此，节能降耗是进行可持续发 展的必由之路。目前，各种工业余热、汽车废热等都没有得到有效利用，迫切需要发展 新型能源利用技术以节约能源和提高效率。温差发电技术具有许多优点，尤其在低品位 热能利用方面具有其独特的优势和良好的应用前景。温差发电技术是一种利用半导体材 料实现热能和电能直接转换的绿色能源，使用这项技术就可利用农作物、垃圾、汽车余 热以至人体热能在住宅、农庄、汽车上建立一个小型发电系统，从而满足人们对小功率 电能的需求。美国、日本利用这项技术开辟绿色新能源已取得了良好效果，这为我国开 发利用热电技术提供了有益借鉴，对我们发展循环经济、建设节约型社会具有重大意义。 另外，由于中国的温差电元件性价比高(我国的产品价格比欧美的同类型产品便宜一半以 上，而性能却基本相当)，中国目前已成为世界上最大的温差电元件生产出口国。这一优 越条件为我国未来温差电的广泛应用打下了坚实的基础。因此，在我国政府当前大力倡 导可持续发展策略，号召建立节约型社会这一宏观背景下，我国应大力发展该技术，使 温差发电技术的应用逐步深化发展，并尽快产业化。可见，利用车用发动机余热进行温 差发电具有广泛的应用前景。 1.3 DC/DC 变换器控制方法研究现状 DC/DC 变换器按照检测信号的不同可以分为单环控制和双环控制。恒压源单环控制 主要是电压型控制；双环控制则有电流型、V2型等几种控制方式。虽然 V2型控制方法 （V Squared Control 或 V2 Control）具有良好的动态性能，适用于电压调整模块等对动态 特性要求比较高的场合，但其对输入和输出电流都没有直接控制，所以不便于电源的并 联使用，需要额外的电路来进行过流保护1。所以常用的是电压型控制和电流型控制。 （1）电压型控制 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 3 图 1-2 所示为电压型控制 buck 变换器。从图 1-2 可以看出，电压型控制方法是利用 输出电压采样作为控制环的输入信号，将该信号与基准电压 Vref进行比较，并将比较的结 果放大生成误差电压 Ve。误差电压 Ve与振荡器生成的锯齿波 Vsaw进行比较生成一脉宽 与 Ve大小成正比的方波，该方波经过锁存器和驱动电路驱动开关管导通和关断，以实现 开关变换器输出电压的调节。 早期文献中 Duty Cycle Control 都是特指的电压型控制。在电流型控制方法出现之后， 才明确提出了 Voltage Mode Control 的说法。电压型控制方法只检测输出电压一个变量， 因而只有一个控制环，所以设计和分析相对比较简单。其主要缺点是只能在输出改变时 才能检测到并反馈回来进行纠正，因此响应速度比较慢。由于电压型控制对负载电流没 有限制，因而需要额外的电路来限制输出电流。 （2）电流型控制 电流型控制（Current Mode Control）又称为 Current Injection 是 1978 年首次提出2。 电流型控制同时引入电容电压和电感电流 2 个状态变量作为控制变量，提高了系统的性 能。由图 1-3 可以看出，电流型控制方法和电压型控制方法的主要区别在于：电流型控制 方法用开关电流波形代替电压型控制方法的锯齿波作为 PWM 比较器的一个输入信号。电 流型控制方法的工作原理为：在每个周期开始时，时钟信号使锁存器复位开关管导通， 开关电流由初始值线性增大，检测电阻 RS上的电压 VS也线性增大，当 VS增大到误差电 压 Ve时，比较器翻转，使锁存器输出低电平，开关管关断。直到下一个时钟脉冲到来开 始一个新的周期。 由于电流型控制方法采用输出电流前馈控制，相对于电压型控制方法有更快的负载 和输入瞬态响应速度，减小了输出电压的纹波；且由于其自身具有限流的功能，易于实 现变换器的过流保护，因而在多个电源并联时，更便于实现均流。但电流型控制方法在 占空比大于 50%时要产生次谐波振荡，从而产生稳定性问题3。这通常可在比较器输入端 使用一个补偿斜坡来消除。 Vg（t） Q1 D1C R ig(t)i(t) V(t) + - 开关变换器 功率开关管 驱动器 d Vref + - + - 误差 放大器 比较器 锯齿波 Ve Vp Vsaw 图 1-2 电压型控制电路 以上的电流型控制由于不能精确控制电流以及抗干扰性差等缺点，提出了平均电流 型控制（Average Current Mode Control）4。为了与平均电流型控制方法区别，上文所述 的控制方法又称为峰值电流型控制（Peak Current Mode Control） 。平均电流型控制方法的 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 4 控制电路见图 1-4，检测电流经电流积分器积分后与误差电压 Ve相减，其差值与锯齿波 比较后驱动开关。平均电流型控制方法不但提高了电流的控制精度，而且抗干扰性强， 但是响应速度比峰值电流控制方法慢。 Vg（t） Q1 D1C R ig(t)i(t) V(t) + - + - - + 误差 放大器 比较器 S R Q Q s V e V ref V s R 图 1-3 电流型控制电路 + - - + s V e V ref V s R saw V s i 电流积分器 比较器 p V 图 1-4 平均电流型控制电路 （3）其他控制方法 随着控制理论的发展，一些现代的控制方法，如模糊控制、滑模变结构控制等非线 性控制方法也被尝试应用于开关电源的控制电路中。虽然这些控制方法到目前没有得到 广泛应用，但是由于其独特的控制性能，应用前景可观。 模糊控制（Fuzzy Logic Control）是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻 辑的规则推理为理论基础的一种计算机控制方法。应用于开关电源的模糊控制的硬件电 路即为普通的数字控制电路5。 滑模变结构控制（Sliding Mode Control）的基本思想是系统从任何一点出发的状态轨 线通过控制作用拉到某一指定的切换面，然后沿着此切换面滑动到平衡点。可以看出， 滑模变结构控制是一种开关反馈控制系统。 1.4 本文主要研究内容 本文主要设计一款汽车尾气废热发电电力调节器，调节器输入源为热电电池，电压 范围为 0-600V，调节器输出电压由用户通过 CAN 总线控制，电压变化范围为 48-58V， 电压纹波1%，输出功率 1000w，也可通过 CAN 总线将调节器控制在电流模式下，输出 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 5 电流由用户通过 CAN 总线控制，变化范围 0-25A，纹波电流 num=0.03,600; den=2e-6 4e-4,1; G=tf(num,den); margin(G) grid 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 28 由 Bode 图可知，幅值穿越频率为 20800rad/s,相角稳定裕 =48.9。根据稳定环路的 准则： （1）幅频曲线的穿越频率范围为开关频率的 1/51/4,因为本文所选开关频率 10K rad/s，而此时穿越频率 20800rad/s，显然穿越频率过大。 （2）系统的相位裕量至少要为 45，而此时相角稳定裕度为 48.9，满足要求。所以 下面的工作主要考虑如何减小穿越频率，从而达到系统的控制要求。本设计将用 PID 控 制方法解决这个问题。 由系统稳定准则知系统稳定时的穿越频率取值范围为（20002500）Hz 取开关频率 为 2250 Hz，根据系统的开环 Bode 图，其对应的赋值为 35.8dB 。所以 20lg wc=35.8，wc=61.7rad/s。此时如果不加别的环节，即低频段才用了 PI 调节，相当于将剪切 频率变为。wc=2200rad/s 此时在中频段加上微分环节可以增大系统的相角裕度，改善系统 的相对稳定性和动态性能，为简便计算可取 wc=2200rad/s 使之满足以-20dB/deg 的斜率穿 过剪切点 wc。 4.3.1 电压模式 PID 参数 本设计采用电压模式，考虑电容寄生电阻 ESR 的影响。 开关电路的传递函数为： ； (4-18) i 0 2 (1) 1 C V R Cs Gs sL LCs R PWM 比较器的传递函数为： (4-19) 1 p Gs KT 1 m V 锯齿波幅值。,开环传递函数： m V (4-20) vOP G d sGs Gs 2 (1)1 1 iC V R Cs sL Vm LCs R 取=2V，使占空比最大在 80%左右，实际中占空比不可能达到 1。代入数据得： Vm (4-21) 5 624 300(81) 241 V e s G d s e se s 电压开环增益为： (4-22) G s 55 -624624 (81)480 (81) 241241 Ke ske s e se se se s 由=40mV ，参考电压为 48V。根据 srPP eV 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 29 (4-23) 3 0 148 lim*100 1 sr s ese G ss 得=480，所以=1.6。PID 传递函数的基本形式 K k = (4-24) 12 s (1)(1) pid s k ww G s 2 PID K sKK s s (4-25) 4 1.6(0.01661)(0.000451)1.6 0.027280.1195 PID ss Ge s ss 图 4-5 加 PID 后 Bode 图 MATLAB 输入程序如下： G=tf(conv(1e-4 1,conv(conv(480,0.016 1),0.00045 1),2e-6 4e-4 1 0); margin(G) grid 所以=0.028，=1.6，。如图 4-5 所示为加入 PID 后校正后的 P K I K 4 0.1195 D Ke Bode 图，校正后相角裕度为 57.9deg,Wc=2420rad/s，系统稳定。对参数进行微调，最后取 =0.024，=1.8，。 P K I K 4 1 D Ke 4.3.2 电流模式 PID 参数 本设计电流模式采用平均电流模式进行设计。 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 30 开关电路的传递函数为： (4-26) i 0 2 (1) 1 C I R Cs Gs sL LCs R PWM 比较器的传递函数为： (4-27) 1 p Gs KT 1 m V 锯齿波幅值。开环传递函数： m V (4-28)