電動(dòng)客車用超級(jí)電容器組動(dòng)態(tài)均衡技術(shù)研究.pdf

1、能源是人類生存之本。儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展是新技術(shù)、新材料、新工藝發(fā)展的結(jié)果，與人類生活息息相關(guān)。超級(jí)電容器代表著儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域的最新進(jìn)展之一，商業(yè)化小容量產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于民用和科技領(lǐng)域的各個(gè)方面，牽引型超級(jí)電容器則在空間電源、電動(dòng)車輛、電磁彈射等領(lǐng)域具有顯著的優(yōu)勢(shì)和良好的應(yīng)用前景。如何更好的利用和保護(hù)超級(jí)電容器是儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的關(guān)鍵，這需要準(zhǔn)確把握其外特性并建立具有明確物理意義的電氣模型；同時(shí)，由于單體電壓比較低，通常需要串聯(lián)使用以滿足負(fù)載

2、功率和電壓等級(jí)雙重需要，但是各單元特性不一致會(huì)引起電容器組儲(chǔ)能不能完全利用，從而增加儲(chǔ)能設(shè)備成本，如何保證電容器組內(nèi)各單元工作的一致以提高儲(chǔ)能利用率是電容器應(yīng)用的難點(diǎn)；此外，牽引型超級(jí)電容器高功率密度和長(zhǎng)循環(huán)壽命特點(diǎn)在一些特殊場(chǎng)合可以提供一種折中和可接受的解決方案，具有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)于超級(jí)電容器的推廣使用具有一定的前瞻性和推動(dòng)作用。
　　本文將牽引型超級(jí)電容器視為“黑匣子”，利用實(shí)驗(yàn)的方法研究其外特性并建立特性描述模型。結(jié)合超

3、級(jí)電容器實(shí)際應(yīng)用，研究了超級(jí)電容器在恒流充放電、恒功率充放電、恒壓限流充放電、恒阻放電以及循環(huán)充放電過(guò)程中的外特性，在綜合分析的基礎(chǔ)上提出了一種特性描述模型合理解釋了上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。同時(shí)研究了了模型各參數(shù)與工作電壓和電流的關(guān)系，在合理簡(jiǎn)化分析的基礎(chǔ)上，利用特征工作段和特殊實(shí)驗(yàn)方法求取了模型參數(shù)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了特性描述模型的合理性。
　　提出了基于有向圖的建模分析均衡結(jié)構(gòu)的方法。利用有向圖的完備性和權(quán)的概念，分析了已有均衡電路結(jié)構(gòu)，指

4、出開(kāi)關(guān)/繼電器均衡技術(shù)和多輸出繞組變壓器均衡技術(shù)具有同構(gòu)的圖形表示，而高速開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)均衡技術(shù)和分布式 DC-DC變換器均衡技術(shù)具有相同的圖形表示，但是其最長(zhǎng)跡具有較大的權(quán)重，結(jié)構(gòu)上并非最優(yōu)選擇。給出了理想均衡電路結(jié)構(gòu)的圖形表達(dá)，分析了基于分布式變換器的衍生結(jié)構(gòu)的圖形表示，指出從能量傳遞的角度來(lái)看部分結(jié)構(gòu)具有理想均衡結(jié)構(gòu)的圖形表示，是均衡技術(shù)研究的新方向。結(jié)合超級(jí)電容器特點(diǎn)，提出了基于升降壓變換器和?UK變換器的新型均衡結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了圖論

5、分析和仿真驗(yàn)證。同時(shí)針對(duì)超長(zhǎng)串聯(lián)電容器組均衡技術(shù)應(yīng)用中效率低的缺點(diǎn)，提出了合理分組和二分法分組以及合理組合均衡結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了仿真分析。
　　針對(duì)串聯(lián)超級(jí)電容器組內(nèi)各單元特性不一致，利用動(dòng)態(tài)均衡技術(shù)以實(shí)現(xiàn)有限儲(chǔ)能的最大利用。首先從均衡問(wèn)題的來(lái)源出發(fā)，分析了動(dòng)態(tài)均衡技術(shù)的一般性問(wèn)題，提出動(dòng)態(tài)均衡的目的在于充分利用設(shè)備有限儲(chǔ)能同時(shí)保證單元的安全運(yùn)行。結(jié)合超級(jí)電容器的特殊性，提出了基于狀態(tài)預(yù)估計(jì)方法滿足超級(jí)電容器組動(dòng)態(tài)均衡的動(dòng)態(tài)

6、性要求，給出了動(dòng)態(tài)均衡系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)方法，將均衡電路和超級(jí)電容器組視為一體，應(yīng)用模糊控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均衡，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)均衡技術(shù)可行性和設(shè)計(jì)方法的合理性。
　　將牽引型超級(jí)電容器作為唯一儲(chǔ)能設(shè)備應(yīng)用于電動(dòng)客車，給出了城市公交發(fā)展中一種折中和可接受的解決方案。結(jié)合超級(jí)電容器組電壓變化范圍大和電壓等級(jí)低的特點(diǎn)，比較研究了多種雙向功率變換器，給出了利用半橋變換器和變速箱滿足車輛運(yùn)行需要的解決方案，設(shè)計(jì)了無(wú)源緩沖式軟開(kāi)關(guān)變換