（电机与电器专业论文）能量回收系统中超级电容组均压策略的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t d u et ot h ei n c r e a s i n g l ys e v e r ee n e r g yc r i s i s ，d e v e l o p m e n to fn e we n e r g ya n d e n e r g y s a v i n gt e c h n o l o g yi sn e e d e du r g e n t l y a tt h i sv e r ym o m e n t ，t h ea p p l i c a t i o n o fs u p e r c a p a c i t o rd e f i n i t e l yp a v ean e ww a yf o rs a v i n ge n e r g y a san e we n e r g ys t o r a g ee q u i p m e n t ，s u p e r c a p a c i t o rh a st h ea d v a n t a g e so fr a p i d c h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gr a t e ，h i g he n e r g yd e n s i t y , a n dl o n gc y c l i n gl i f e i np r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s ，s e v e r a ls u p e r c a p a c i t o r sm u s tb ep u ti ns e r i e si no r d e rt og e tar e q u i r e d v o l t a g el e v e lb e c a u s eo ft h el o wv o l t a g eo fe a c hc e l l ，w h i c hi su s u a l l yb e t w e e n1 v a n d3 v t h ei n c o n s i s t e n tp a r a m e t e r so fe a c hc e l ll e a dt ot h ei m b a l a n c e dv o l t a g e a m o n g t h e c a p a c i t o rb a n k ，a n di t w i l lc a u s et h el i f ea n dt h e r e l i a b i l i t y o f s u p e r c a p a c i t o rr e d u c es h a r p l yi nal o n gt i m e s t a r t i n gw i t ht h ew o r kp r i n c i p l eo ft h es u p e r c a p a c i t o r , t h i st h e s i sa n a l y z e si t s v a r i o u sc h a r a c t e r i s t i c si nd e t a i l s ，a n dt h e n c o m p a r e sd i f f e r e n tk i n d so fp r e s e n t e x i s t i n gv o l t a g e - b a l a n c i n gs t r a t e g i e s f i n a l l y , t w ok i n d so fv o l t a g e - b a l a n c i n g s t r a t e g i e ss u i t a b l ef o re n e r g yr e c y c l i n gs y s t e ma ep r o p o s e da sb e l o w o n em e t h o di sb a s e do nt r a n s f e r r i n ge n e r g yb yf l y i n g c a p a c i t o r ad c d c c o n v e r t e ri sa d d e db e t w e e nf l y i n gc a p a c i t o ra n ds u p e r c a p a c i t o r , w h i c hc a nr e a l i z e c o n s t a n tc u r r e n tc h a r g ea n dd i s c h a r g ef o rs u p e r c a p a c i t o r , a sar e s u l t ，t h er a p i d i t yo f v o l t a g eb a l a n c ei sg u a r a n t e e d t h ec o n s t a n tc u r r e n tc o n t r o lo fd c d cc o n v e r t e ri s d i f f i c u l tb e c a u s eo ft h el o wv o l t a g eo fe a c h s u p e r c a p a c i t o r , s on e wc h i p so f s w i c h m o d ep o w e rs u p p l y , s u c ha sl t c 3 4 2 5a n dl t c 3 4 1 8a r eu s e dt os o l v et h i s p r o b l e m a tl a s t ，s i m u l a t i o n a n de x p e r i m e n ta r e p e r f o r m e d t o v e r i f y t h e e f f e c t i v e n e s so ft h i sm e t h o d t h eo t h e rm e t h o di sb a s e do nt r a n s f e r r i n ge n e r g yb ya f u l l b r i d g ei n v e r t e ra n da h i g hf r e q u e n c yt r a n s f o r m e r i ti se a s yt og e tt h ea v e r a g ev o l t a g eo ft h es e r i a lb a n ko f s u p e r c a p a c i t o r s ，w h i c hm a k e sc h a r g i n gf o r t h el o w e rv o l t a g ec a p a c i t o rm o r e c o n v e n i e n t ，a n di tr e a c h e sv o l t a g eb a l a n c ea tal o w e rc o s t f i n a l l y , s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n ta r ep e r f o r m e dt ov e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so ft h i sm e t h o d a b s t r a c t t h ea b o v et w os t r a t e g i e sa r eb o t hm e a n tt ot r a n s f e r e n e r g y f r o mo n e s u p e r c a p a c i t o rt o a n o t h e rt oa c h i e v et h ev o l t a g eb a l a n c ew i t hh i 【g he f f i c i e n c y , a n d t h e i ra p p l i c a b l es i t u a t i o n sa r ea l s og i v e ni nt h et h e s i s k e yw o r d s ：s u p e r c a p a c i t o r , d c d cc o n v e r t e r , f l y i n gc a p a c i t o r , t r a n s f o r m e r 1 1 1 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：交承闯 加c 年1 月c 1 e t 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：灵乐园 嘲年f 月q 日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 能源是人类赖以生存的物质基础和社会发展进步的动力，自本世纪5 0 年代 以来，随着工农业生产的迅速发展和交通工具数量的增加，全球人口增长和经 济增长对能源的需求日益加大，世界能源消耗速度急剧增加。我国已经探明的 常规能源剩余储量( 煤炭、石油、天然气等) 及可开采年限十分有限，能源安 全面临挑战，而且我国正处在经济社会发展的重要阶段，经济的快速发展、人 民生活水平的不断提高，对能源需求大幅度上升。 能源的浪费也进一步导致了能源紧缺。车辆制动能量至今还没有被很好地 开发利用，特别是在市区行驶的公共汽车、地铁车辆和轻轨车辆等。对于车辆 制动，目前都是利用机械式、气压式、液压式等制动装置把车辆行驶过程中的 动能通过机械摩擦的方式转化为热能而消耗掉，造成了能源的浪费。 另外，随着科技发展和信息社会的到来，各种计算机和与微型计算机有关 的电子设备、医疗设备、家用电器及移动通信设备的逐渐普及，对高性能存储 器备用电源的需求越来越迫切。这些储能装置除对能量密度有一定要求外，对 功率密度的要求越来越高，有的已经超过了当前水平电池的标准设计能力，传 统的静电电容器也因为能量密度过低不能满足要求。 在上述特殊需要的推动下，储能性能介于二次电池与传统静电电容器之间 的超级电容器( 电化学电容器) 逐渐成为了人们的研究热点。它在新型清洁能 源，室内运输车，频繁起动和制动的城市公交车和大功率的港口机械等领域展 示了独特的优越性。它是一种电容器件，但与常规电容器不同，其容量可达到 法拉级甚至数万法拉，而且能在电极端电压超过额定电压的过充电状态下不被 击穿。超级电容作为一种理想的新型能源器件，它的比功率和比能量介于常规 电容器和充电电池之间( 如表1 1 ) ，在众多的应用领域罩弥补了常规储能器件 的单方面缺陷。除此之外，它还具有内阻小、充电速度快、充放电效率高、循 环寿命长、无污染等独特的优点。 第1 章绪论 表1 1 几种储能元器件参数比较i 2 1 储能元器件静电物理电容器超级电容器 化学二次电池 能量密度w h k g 1 0 5 u 。，故电感l 的电流不断增长。二极管d 处于断丌状态。设闭 合时间f 。；t 。= d 。瓦，d 。为导通时白j 占空比，则电感电流平均值，工；o = v o l r ， 电感电流线性上升增量为： 2 1 第4 章基丁d c d c 变换器的单匕渡电容均压方法 咄= 丘1 挚= 半f 1 = 半d 1 瓦 ( 4 1 ) t ，：时段：开关管q 于f 时刻关断，二极管d 导通，电感电流通过二极 管d 续流并不断减小，r 至l j t ：时刻开关管a 再次开通，下一个开关周期开始。 设关断时间嘞= f ：一f ，- d ：瓦，d ：为断开时间占空比，电感电流增量为： 一0 2 挚= 一譬”啪一v l o o ：瓦 ( 4 2 ) 由于稳态时这两个电流变化量相等，即越。= f 越。：i ，所以： 一v - i v 。o , r s = 2 - d 2 瓦一- ( 1 一d 1 ) 五 整理得： ka 。d 1( 4 3 ) 上式表明，输出电压随占空比d 。而变化，由于d ， ( + o 3 y ) 且f b 引脚电压高于o 8 v 时才使能p m o s 同步整流。零电流放大器负责监视流至输出端的电感器电流， 并在电流低于5 0 m a 时立即关闭同步整流器，以防止产生负电流 4 3 3 外围元件选择 ( 1 ) 电感选择 l t c 3 4 2 5 采用的高频、多相操作允许使用小外形的表贴型电感器。最小电 感值与工作频率成比例并受如下条件的限制： l 三且b 鱼! 型! ：坠丝! 丝l 二鱼! 型立( 4 3 4 ) lf r i p p l e v o 叭眦、 式中，为工作频率( h z ) ，r i p p l e 为电感电流允许纹波( a ) ，( 删) 为最 小输入电压( v ) ，叮( 。御) 为最大输出电压( v ) ，纹波电流值通常设定为最大 电感电流的2 0 到4 0 。 为了获得高效率，应选择一个采用高频磁芯材料的电感器，以降低磁芯损 耗。同时电感器的e s r 尽量低，减小，2 尺损耗，提高效率。 根据上面的要求，本次设计中电感器选择了m u r a t a 公司生产的贴片电 感l q h 5 5 d n 3 r 3 m 0 3 ，电感值3 3 u h ，额定电流2 9 a ，直流电阻3 6 m q 。 ( 2 ) 输出输入电容选择 输出电压纹波由三个部分组成：电容充放电纹波，e s r 纹波和e s l ( 等效 串联电感) 纹波。 充电产生的最大纹波为： v ： 生：竖 ( 4 3 5 ) 4 c o 暇v o l f r l 式中，p 为峰值电感电流，厂为一个相位的开关频率。 由电容器e s r 所引起的纹波计算公式如下： v e s r = l e r e s r 式中为电容器等效串联电阻。 对于e s l 引起的纹波，可以通过将表贴型陶瓷电容器设在靠近盯引脚的 第4 章基于d c d c 变换器的单飞渡电容均压方法 地方，最大限度地减小e s l 。 根据要求设计中选择了m u r a t a 公司的四个4 7 u f ，一个1 5 0 u f 的陶瓷 电容。 4 3 4l t c 3 4 1 8 芯片介绍 l t c 3 4 1 8 是一款采用恒定频率、电流模式架构的高效率同步降压型d c d c 变换器。它可在2 2 5 v 至5 5 v 的输入电压范围内工作，并能在高达8 a 的输出 电流下提供一个0 8 v 至5 v 的可调输出电压。内部同步功率开关提升了效率， 减少了一个外部肖特基二极管。开关频率通过一个外部电阻器来设定，也可以 同步至一个外部时钟。 l t c 3 4 1 8 可配置成突发工作模式或强制连续工作模式。在强制连续工作模 式下可降低噪声及射频干扰，而突发工作模式则可通过减少轻负载条件下栅极 电荷漏失来提高效率。 其内部工作原理以及各个引脚功能详见该芯片的数据手册，下面介绍设计 中所用到的知识点。 ( 1 ) 工作频率：l t c 3 4 1 8 的工作频率取决于连接在心和g n d 之间的电 阻，其公式如下： ，= 品n z “3 6 ) 工作频率选择1 m h z ，则由上式可求得凡。；7 0 5 k q ，取标准值 = 6 9 8 k q 。 ( 2 ) 电感选择：由输入电压、输出电压v o 时、工作频率f 和电感纹波 电流址，可以求出电感值： l 2 ( 一f a l ( m a x ) ) ( 1 - 面v o u t ) 3 7 ， ij l ( 脚) j ( 3 ) 输出电压公式如下： v o v t f f i0 8 ( 1 + 争 ( 4 3 8 ) 其中心为连接在叮和之间的电阻，足为连接在和地之问的电阻。 从上面公式中可知流过r 的电流值恒定，因此可以选择r l 作为采样电阻实现恒 第4 章基y - d c d c 变换器的单飞渡电容均压方法 流输出。 4 4 开关元件及飞渡电容选择 4 4 1 开关元件选择 多路切换开关是整个单飞渡电容电压均衡电路的重要组成部分，它的性能 将直接影响飞渡电容的选型、电压均衡时间及均衡系统的稳定性。 为了防止均衡电路对控制电路的影响，需要选择隔离型开关，因此可选择 继电器作为开关器件。有三个种类的继电器可供选择：固态继电器、机电式继 电器及干簧管继电器。相比后两者固态继电器具有功耗低、体积小和可靠性高 的特点。 固态继电器与传统的继电器的相比有如下优点【2 9 l 【3 0 l ： ( 1 ) 寿命高，可靠性高。固态继电器没有机械零部件，由固体器件完成触 点功能。由于没有运动的零部件，因此能在高冲击、振动的环境下工作。组成 固态继电器的元器件固有特性，决定了固态继电器的寿命长，可靠性高。 ( 2 ) 灵敏度高、驱动简单、电磁兼容性好。固态继电器的输入电压范围较 宽，驱动功率低，可与大多数逻辑集成电路连接而不需加缓冲器或驱动器。 ( 3 ) 切换速度快：固态继电器采用了固体器件，切换速度可达几毫秒甚至 几微秒。 ( 4 ) 电磁干扰小。固态继电器没有输入“线圈”，没有触点燃弧和回跳， 因而减少了电磁干扰。大多数交流输出固态继电器是一个零电压开关，即零电 压导通，零电流关断，减少了电流波形的突然中断，从而减少了开关瞬态效应。 因此，在本次设计中采用固态继电器中的一种p h o t o m o s 继电器，其型号 为a q y 2 7 2 ( p a n a s o n i c ) 。其性能为：导通电阻o 1 1 欧( 最大o 1 8 欧) ，额定负 载电流2 a ( 最大6 a ) ，最大负载电压d c 6 0 v 。导通时间2 4 m s ( 最大5 m s ) ， 关断时| 日j0 2 2 m s ( 最大3 m s ) ，总功耗0 7 5 w ，光电二极管驱动电流为1 3 m a 。 其结构如图4 1 4 所示。 第4 章基丁d c c 变换器的单琶渡电容均压方法 3 【弋酉 图4 1 4p h o t o m o s 内部结构 4 4 2 飞渡电容选择 作为能量转移的中间储能元件，飞渡电容的选择至关重要。不仅影响电压 均衡效率，而且影响系统的可靠性。 飞渡电容的选取受到如下几个方面的制约： ( 1 ) 由于电压均衡精度为5 0 m v ，因此飞渡电容单次充电或放电的能量不 能使超级电容电压降低或升高超过2 5 m v ，否则系统无用功时间增加。 ( 2 ) 由于p h o t o m o s 存在导通时间和关断时间，其和约为l o m s 左右，因 此必须保证该时间在飞渡电容单次充放电时间中所占比例小至可以忽略，以减 小均压时间。但这将会导致飞渡电容容量达到法拉级别，即需要用超级电容来 做飞渡电容。 ( 3 ) 其工作电压受到d c d c 变换器的限制。 ( 4 ) 从成本上考虑，飞渡电容容量越大，价格越高；而从寿命上考虑，容 量越高，能量转移次数越少，使用时间越长。 需要进行均压的超级电容容值为8 万法拉，额定电压为1 5 v 。a q 是飞渡 电容单次充电储存的能量，则 q = 去c ，( u ；：一u ；。) ( 4 3 9 ) 其中c ，为飞渡电容容量，u ，。和u ，：是飞渡电容初始电压和终止电压。 由下式可以求出释放能量a q 时超级电容器降低的电压值u 为： a q = 寺c ( u + u ) 2 一u 2 1 z 1 ( 4 4 0 ) ；委c u ( 2 u + u ) 2 、7 3 7 第4 章基- f d c d c 变换器的单匕渡电容均压方法 其中c = 8 0 0 0 0 f ，为超级电容器容值；u 为超级电容器电压， 由于u 只有几毫伏，远远小于2 u ，因此得到如下公式： 肌三警 1 5 v 左右。 ( 4 4 1 ) 下面是利用l t c 3 4 2 5 和l t c 3 4 1 8 进行能量转移的示意图，根据芯片的特 性可以给出一个较合理的飞渡电容工作电压范围。 ( a 、超级电容放电电路 图4 1 5 能量转移示意图 ( b ) 超级电容充电电路 从l t c 3 4 2 5 的特性可知，其输入电压范围为o 9 4 5 v ，输出可调电压范围 为2 4 v 5 2 5 v ，反馈基准电压，= 1 2 2 v ，效率可达9 5 ；l t c 3 4 1 8 的输入 电压范围为2 2 5 v 一5 5 v ，反馈基准电压：= 0 8 v 。由图4 1 5 ( b ) ，考虑一定输 入裕量，可以设定u ，= 2 5 v 。对于图4 1 5 0 ) 来说，输入端电流受到p h o t o m o s 额定电流的制约，其额定电流为2 a ，可设定l t c 3 4 2 5 芯片输出电流为1 a 。 可以得出输出端最大电压u o ( 一) ： u ：u i n t i n ( m a x ) 。婴；3 v 。 o 1 因此，飞渡电容的工作电压可以选择在2 5 v 一3 v 。l t c 3 4 1 8 可以恒流输出 2 a ，即工作电流为p h o t o m o s 的额定电流，此时输入电流小于2 a ，系统稳定 工作。 由式( 4 4 1 ) 可知，飞渡电容容量c ，可表示为： c，；三：全竺：掣；百2x80000 x15au。87au ( 4 4 2 ) l ，2 了f 丌2 3 f 五r 2 竹一纠 ，；2 一，；1 。一2 5 其中a u 的单位为毫法。从第一个制约条件来看a u 2 5 n f ，取4 7 n f 。 图5 1 1i r 2 1 1 0 驱动电路原理图 p w m 芯片选择s g 3 5 2 5 。s g 3 5 2 5 脉宽调制控制器不仅具有可调整死区时 间控制功能，而且还具有可编式软起动，脉冲控制封锁保护等功能。通过调节 s g 3 5 2 5 第6 脚( r t ) 上的电流大小可以改变输出控制信号p w m 的频率；调节 第9 脚( e a o u t ) 的电压可以改变输出脉宽。这些功能可以改善变频电源动态 性能及简化控制电路设计。 振荡频率由时基电容c r 和外接电阻辟、决定，其公式如下： 1 f 。= 二- 一 ( 5 1 0 )m 2 c 7 _ ( 0 6 7 r r + 1 3 r d ) ”。 死区时间由q 和尺d 决定，改变r d 即可改变g 的放电时间常数，也就改变 了死区时间。课题中设定p w m 频率5 0 k h z ，由式( 5 1 0 ) 选择c r = 0 5 n f ， 第5 章变压器均压方法 辟= 3 0 k f 2 ，r o i o q 即可得到设定频率。 p w m 产生电路如图5 1 2 所示： 0 三 r 2 2 k r 1 2 k 图5 1 2 p w m 产生原理图 5 3 2 补偿电路设计 补偿电路的原理是利用b o o