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电动客车用超级电容器组动态均衡技术研究

孔治国  
【摘要】: 能源是人类生存之本。储能技术的发展是新技术、新材料、新工艺发展的结果,与人类生活息息相关。超级电容器代表着储能技术领域的最新进展之一,商业化小容量产品已经广泛应用于民用和科技领域的各个方面,牵引型超级电容器则在空间电源、电动车辆、电磁弹射等领域具有显著的优势和良好的应用前景。如何更好的利用和保护超级电容器是储能技术应用发展的关键,这需要准确把握其外特性并建立具有明确物理意义的电气模型;同时,由于单体电压比较低,通常需要串联使用以满足负载功率和电压等级双重需要,但是各单元特性不一致会引起电容器组储能不能完全利用,从而增加储能设备成本,如何保证电容器组内各单元工作的一致以提高储能利用率是电容器应用的难点;此外,牵引型超级电容器高功率密度和长循环寿命特点在一些特殊场合可以提供一种折中和可接受的解决方案,具有广阔的应用前景,对于超级电容器的推广使用具有一定的前瞻性和推动作用。 本文将牵引型超级电容器视为“黑匣子”,利用实验的方法研究其外特性并建立特性描述模型。结合超级电容器实际应用,研究了超级电容器在恒流充放电、恒功率充放电、恒压限流充放电、恒阻放电以及循环充放电过程中的外特性,在综合分析的基础上提出了一种特性描述模型合理解释了上述实验现象。同时研究了了模型各参数与工作电压和电流的关系,在合理简化分析的基础上,利用特征工作段和特殊实验方法求取了模型参数,仿真结果验证了特性描述模型的合理性。 提出了基于有向图的建模分析均衡结构的方法。利用有向图的完备性和权的概念,分析了已有均衡电路结构,指出开关/继电器均衡技术和多输出绕组变压器均衡技术具有同构的图形表示,而高速开关电容网络均衡技术和分布式DC-DC变换器均衡技术具有相同的图形表示,但是其最长迹具有较大的权重,结构上并非最优选择。给出了理想均衡电路结构的图形表达,分析了基于分布式变换器的衍生结构的图形表示,指出从能量传递的角度来看部分结构具有理想均衡结构的图形表示,是均衡技术研究的新方向。结合超级电容器特点,提出了基于升降压变换器和?UK变换器的新型均衡结构并进行了图论分析和仿真验证。同时针对超长串联电容器组均衡技术应用中效率低的缺点,提出了合理分组和二分法分组以及合理组合均衡结构的设计方法,并进行了仿真分析。 针对串联超级电容器组内各单元特性不一致,利用动态均衡技术以实现有限储能的最大利用。首先从均衡问题的来源出发,分析了动态均衡技术的一般性问题,提出动态均衡的目的在于充分利用设备有限储能同时保证单元的安全运行。结合超级电容器的特殊性,提出了基于状态预估计方法满足超级电容器组动态均衡的动态性要求,给出了动态均衡系统硬件和软件设计方法,将均衡电路和超级电容器组视为一体,应用模糊控制技术实现动态均衡,仿真和实验结果验证了动态均衡技术可行性和设计方法的合理性。 将牵引型超级电容器作为唯一储能设备应用于电动客车,给出了城市公交发展中一种折中和可接受的解决方案。结合超级电容器组电压变化范围大和电压等级低的特点,比较研究了多种双向功率变换器,给出了利用半桥变换器和变速箱满足车辆运行需要的解决方案,设计了无源缓冲式软开关变换器,测试结果表明该变换器具有较好的效率和可靠性。针对电动客车驾驶需要,提出了利用变步长跟踪法优化车辆驾驶性能的方法。整车测试结果表明,以超级电容器作为唯一车载储能设备电动客车在频繁起停和加减速的运行工况中具有较高的效率,整车性能可以满足中短途公交线路运行需要。


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