混合動(dòng)力系統(tǒng)中的超級(jí)電容充放電變換器

高源，王凱，陳希有

(大連理工大學(xué)，遼寧大連 116024)

混合動(dòng)力系統(tǒng)中的超級(jí)電容充放電變換器

高源，王凱，陳希有

(大連理工大學(xué)，遼寧大連 116024)

超級(jí)電容器具有功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，已成為混合動(dòng)力系統(tǒng)中必不可少的儲(chǔ)能元件。將雙向Boost/Buck變換器應(yīng)用于對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)中超級(jí)電容器的充放電控制，采用直接導(dǎo)通時(shí)間控制超級(jí)電容器的恒流充放電。實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)二氧化釕為主要電解質(zhì)的超級(jí)電容器測(cè)試，驗(yàn)證了原理的可行性。

超級(jí)電容器；雙向DC/DC；恒流

隨著化石燃料的日益枯竭和環(huán)境問題的惡化，混合動(dòng)力系統(tǒng)已經(jīng)成為了新型動(dòng)力汽車[1]領(lǐng)域的重要研究方向。超級(jí)電容器是混合動(dòng)力系統(tǒng)中重要的儲(chǔ)能元件，具有功率密度高、充放電速度快和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。本文將雙向Boost/Buck變換器[2]用于控制混合動(dòng)力系統(tǒng)中超級(jí)電容器的充放電，系統(tǒng)采樣超級(jí)電容器充放電電流，采用直接導(dǎo)通時(shí)間控制變換器占空比以達(dá)到恒流充放電的目的。

1 充放電變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

超級(jí)電容器充放電變換器[3]拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)雙向Boost/ Buck電路，具有體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。電路中放電電阻與充電電源通過(guò)繼電器連接到電路中。變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 超級(jí)電容器充放電變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

變換器分為正向升壓充電狀態(tài)和反向降壓放電狀態(tài)。電路正向工作于Boost狀態(tài)時(shí)，開關(guān)管Q1工作于PWM狀態(tài)，Q2截止，超級(jí)電容器處于充電狀態(tài)。利用霍爾傳感器反饋超級(jí)電容器充電電流，PI運(yùn)算之后控制Q1占空比，以實(shí)現(xiàn)恒流充電。此時(shí)電路可等效成圖2。

當(dāng)超級(jí)電容器電壓達(dá)到設(shè)定值后，控制繼電器S1切換觸點(diǎn)，控制開關(guān)管Q2工作于PWM狀態(tài)，Q1截止，超級(jí)電容器處于放電狀態(tài)。此時(shí)采樣超級(jí)電容器放電電流，系統(tǒng)處于前饋狀態(tài)，通過(guò)PI運(yùn)算保證恒流放電。此時(shí)電路可等效成圖3。

圖2 超級(jí)電容器充電時(shí)的等效電路

圖3 超級(jí)電容器放電時(shí)的等效電路

2 系統(tǒng)小信號(hào)模型和控制方法

雙向Buck/Boost變換器分為正向升壓和反向降壓兩個(gè)工作狀態(tài)。采用狀態(tài)空間平均法分別對(duì)兩個(gè)狀態(tài)建立小信號(hào)模型[4]。

系統(tǒng)處于Boost狀態(tài)時(shí)電路動(dòng)態(tài)方程為：

圖4 狀態(tài)空間平均法電路方程仿真圖

圖5 系統(tǒng)正向和反向工作狀態(tài)時(shí)特性曲線

直接導(dǎo)通時(shí)間控制是指控制開關(guān)變換器的開關(guān)管，將其輸出電壓或輸出電流穩(wěn)定在設(shè)定值[5]。當(dāng)變換器開關(guān)頻率保持恒定時(shí)，直接導(dǎo)通時(shí)間控制即可等效為直接占空比控制。本文使用TMS320F28335控制器采樣超級(jí)電容器充放電電流，采用直接導(dǎo)通時(shí)間控制方法控制開關(guān)管的占空比。

當(dāng)系統(tǒng)正向工作處于Boost狀態(tài)時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)閉環(huán)反饋充電電流，經(jīng)過(guò)PI運(yùn)算控制開關(guān)管Q1，以實(shí)現(xiàn)恒流充電；當(dāng)系統(tǒng)反向工作處于Buck狀態(tài)時(shí)，通過(guò)繼電器切換觸點(diǎn)，將放電電阻接入電路，此時(shí)系統(tǒng)處于前饋狀態(tài)，通過(guò)采樣超級(jí)電容器放電電流，經(jīng)過(guò)PI運(yùn)算控制開關(guān)管Q2，以實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器的恒流放電。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

樣機(jī)中開關(guān)管選用SEMITRANS公司型號(hào)為SKM200-GB128D的IGBT，傳感器采用霍爾傳感器CHB-25NP，充電電源為直流穩(wěn)壓源，超級(jí)電容器的主要電解質(zhì)為二氧化釕，放電電阻選用功率為300 W，阻值10 Ω的電阻。驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率為20 kHz。

變換器正向Boost狀態(tài)下，變換器向超級(jí)電容器充電，當(dāng)充電電壓為2 V，超級(jí)電容器瞬時(shí)電壓值為8.7 V時(shí)，Q1工作于PWM模式，Q2和繼電器驅(qū)動(dòng)信號(hào)Q3為低電平。開關(guān)管Q1、Q2，繼電器切換信號(hào)Q3和超級(jí)電容器瞬時(shí)電壓值如圖6。

圖6 變換器Boost狀態(tài)驅(qū)動(dòng)信號(hào)和S-cap瞬時(shí)電壓波形

變換器反向Buck狀態(tài)下，超級(jí)電容器向電阻放電，當(dāng)超級(jí)電容器放電瞬時(shí)電壓值為2.5 V時(shí)，Q2工作于PWM模式，Q1驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平，繼電器驅(qū)動(dòng)信號(hào)Q3為高電平。開關(guān)管Q1、Q2，繼電器切換信號(hào)Q3和超級(jí)電容器瞬時(shí)電壓值如圖7。

圖7 變換器Buck狀態(tài)驅(qū)動(dòng)信號(hào)和S-cap瞬時(shí)電壓波形

設(shè)定超級(jí)電容器電壓為20 V繼電器切換到放電狀態(tài)，充電電流設(shè)為100 mA，放電電流20 mA，超級(jí)電容器充放電一次，兩端電壓波形如圖8，超級(jí)電容器充放電過(guò)程中，端電壓上升下降斜率基本恒定，說(shuō)明變換器充放電電流很穩(wěn)定。

4 結(jié)論

超級(jí)電容器是混合動(dòng)力系統(tǒng)中重要的儲(chǔ)能元件，采用雙向Boost/Buck變換器控制超級(jí)電容器充放電過(guò)程。分別建立變換器正向和反向工作狀態(tài)時(shí)的小信號(hào)模型，仿真得到變換器兩個(gè)工作狀態(tài)的開環(huán)特性都很好。采用DSP28335采樣超級(jí)電容器充放電電流，經(jīng)過(guò)PI運(yùn)算后，通過(guò)直接導(dǎo)通時(shí)間控制開關(guān)管Q1或Q2，保證超級(jí)電容器恒流充放電，當(dāng)超級(jí)電容器電壓達(dá)到設(shè)定值，可通過(guò)繼電器切換以改變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖8 超級(jí)電容器兩端電壓

[1]胡建明.適合于混合動(dòng)力汽車新型雙向DC/DC變換器研究[J].電力電子技術(shù)，2011，4(4):35-36.

[2]張國(guó)駒，唐西勝，周龍，等.基于互補(bǔ)PWM控制的Buck/Boost雙向變換器在超級(jí)電容器儲(chǔ)能中的應(yīng)用[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，3(6):15-20.

[3]楊惠，孫向東，鐘彥儒，等.基于雙向DC-DC變換器的超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)研究[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,27(4):456-459.

[4]王歸新，康勇，陳堅(jiān).基于狀態(tài)空間平均法的單相逆變器控制建模[J].電力電子技術(shù)，2004,38(5):9-12.

[5]SUNTIO T.開關(guān)變換器動(dòng)態(tài)特性：建模、分析與控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011:51-57.

Charge and discharge device of super-capacitor in hybrid system

GAO Yuan,WANG-Kai,CHEN Xi-you

Super-capacitors was the essential energy storage component in hybrid system,for its various advantages such as large power density.Bidirectional Boost/Buck converter was used to charge and discharge super-capacitor of hybrid system.The constant charge-discharge current of super-capacitors was ensured by using direct on-time algorithm.Super-capacitors with ruthenium dioxide electrolyte were tested,and the principle was verified.

super-capacitor;bidirectional DC/DC;constant charge-discharge current

TM 53

A

1002-087 X(2014)02-0312-03

2013-06-20

高源(1988—)，男，山東省人，碩士生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)。