超级电容混合动力汽车充电系统研制

【摘要】： 混合动力汽车是目前最具发展潜力的新能源汽车,而城市公交客车由于其自身的特点,更适合采用混合动力技术。混合动力汽车的关键部件之一是与之相匹配的动力储能单元,超级电容作为一种新兴的物理储能元件,它充电迅速、比功率大、循环寿命长,适于作为混合动力城市公交客车的储能单元。充电子系统作为整个混合动力系统的重要组成部分,准确、可靠、高效的对动力储能单元进行充电,是保证混合动力系统正常工作地前提。本文针对超级电容组储能单元,设计了具有自我诊断功能的高频开关充电器,实现了对超级电容组快速可靠地充电及智能监测。 超级电容的储能原理不同于常规的动力蓄电池,其充电过程的荷电状态有其自身的特点,受充电电流、等效串联阻抗和温度等因素的影响。本文在分析了上述因素对超级电容端电压和电容量的影响情况的基础上,采用了两阶段式充电方法,首先采用恒流限压充电方式,控制充电电压;恒流充电结束后转入恒压浮充方式,直到超级电容充满。实验证明采用这种方式能够保证超级电容组的有效储能量。 超级电容初始充电时其端电压很低,造成输入、输出电压相差悬殊,占空比过小的问题,而随充电时间其端电压又缓慢增加,要求充电电压也随之变化,针对上述问题,设计了级联式Buck变换器作为充电器的主电路结构,硬件实验证明了该结构的有效性。 根据设计要求,采用等效受控源法对主电路进行建模,分析了对应的传递函数,设计了充电控制器,分析了级联Buck变换器的输入和输出阻抗之间的关系,通过对充电电路进行的仿真,验证了控制器的工作特性以及级联系统的稳定性。 在对超级电容组进行充电时,需要对充电电路和储能单元进行有效地管理,根据所采用的超级电容模块自身的特点,设计了具有数据采集及处理、数据通信和安全管理等功能的管理模块,实现了对整个充电系统的智能监测、故障处理以及与主控制器间的通信。 【关键词】：超级电容混合动力系统 级联式Buck变换器 恒流充电 智能监测
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：U469.72;TM910.6
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-14
• 1.1 课题背景8
• 1.2 混合动力城市公交动力储能单元现状8-10
• 1.3 超级电容的研究应用现状10-13
• 1.3.1 超级电容的研究发展现状10-11
• 1.3.2 超级电容的应用现状11-13
• 1.4 本文主要研究内容13-14
• 第2章 超级电容的原理特性及充电方法14-21
• 2.1 引言14
• 2.2 超级电容的储能原理14-15
• 2.3 超级电容的能量存储特性15-19
• 2.3.1 超级电容的端电压特性分析15-18
• 2.3.2 超级电容的电容量特性分析18-19
• 2.4 超级电容的充电方法研究19-20
• 2.5 本章小结20-21
• 第3章 超级电容充电器功率电路的设计21-36
• 3.1 引言21
• 3.2 充电电路功率部分整体设计21-27
• 3.2.1 充电电路拓扑结构的设计21-23
• 3.2.2 全桥整流滤波电路的设计23-25
• 3.2.3 充电电路开关器件的选择25-26
• 3.2.4 输出滤波电路的设计26-27
• 3.3 充电器驱动电路的设计27-30
• 3.3.1 驱动芯片的选择与电路设计27-30
• 3.3.2 驱动隔离电源的设计30
• 3.4 充电器保护电路的设计30-33
• 3.5 充电器功率电路实验结果与分析33-35
• 3.6 本章小结35-36
• 第4章 超级电容充电器控制电路的研制36-48
• 4.1 引言36
• 4.2 充电器闭环系统环路分析36-43
• 4.2.1 充电器电路模型的建立36-38
• 4.2.2 充电控制电路的仿真分析38-43
• 4.3 充电控制电路的硬件设计43-47
• 4.3.1 采样电路的设计43-45
• 4.3.2 反馈电路的设计45-46
• 4.3.3 主控制电路的设计46-47
• 4.4 本章小结47-48
• 第5章 超级电容充电器管理模块的研制48-58
• 5.1 引言48
• 5.2 充电器管理模块各功能的实现48-56
• 5.2.1 管理模块数据采集功能的实现50-52
• 5.2.2 管理模块数据处理功能的实现52-54
• 5.2.3 管理模块安全管理功能的实现54
• 5.2.4 管理模块数据通信功能的实现54-56
• 5.3 充电器管理模块抗干扰设计56-57
• 5.4 本章小结57-58
• 结论58-59
• 参考文献59-64
• 致谢64

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