电动汽车动力电源组复合结构均衡的研究

摘要

超级电容器具有很高的功率密度,非常短的充放电时间,极长的循环寿命及高的可靠性的优点,使得以超级电容器为主能源的电动汽车成为电动汽车研发重要方向之一。为获得所需的输出电压,需要几十个超级电容器组或者几百个超级电容器单体单元串联,为避免超级电容器性能参数的不一致性引起的过充和过放问题,必须附加均衡系统。均衡效率、速度和结构简化是均衡系统的三个主要目标并且相互制约和影响。本文在分析分散式和集中式两种均衡方式优缺点的基础上,提出一种结合它们各自优点的复合式结构来实现长串串联超级电容器组的均衡,并对这种复合式均衡系统的拓扑形式及均衡单元分层对均衡效率、速度和结构的影响进行研究,给出了几种可能的分层方式和拓扑结构。底层均衡单元的电路形式很大程度上决定了均衡单元的数量和均衡系统的层数。在本文中,综合考虑均衡系统分层、效率和结构等指标,底层均衡单元均衡方式采用了4路输出的反激式同轴多绕组集中式均衡电路,并对这种结构的均衡电路进行了详细分析,详细说明了其同轴变压器和控制电路等的工作原理和设计过程。上层均衡电源通过对下层均衡单元当中电压偏低的单元辅助充电,使其电压达到与电压最大的均衡单元的电压相同。通过反复的投切和辅助充电,将各个均衡单元的电压调节到相同。上层均衡电源采用变压器隔离的半桥式拓扑结构,控制电路中控制芯片选用SG3525,通过对输出电压和电流的跟踪反馈实现了恒压-恒流输出。最后,本文还对设计的同轴多绕组反激均衡单元和上层均衡单元进行了实验,并获得实验波形。实验使用容量为2Ah的锂离子电池作为均衡对象模拟超级电容均衡过程。通过相同时间间隔的测量记录,获得锂离子电池的电压-时间曲线。实验结果表明,同轴多绕组反激均衡单元和上层均衡单元对储能体具有比较理想的均衡效果,验证了设计原理。所设计的电路结构简单,可靠,成本低廉,有实际应用价值。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景和意义

1.1.1 超级电容器概述

1.1.2 超级电容器组均衡系统的意义

1.2 串联电源组均衡技术研究现状

1.3 课题来源及主要研究内容

1.3.1 课题来源

1.3.2 本课题主要研究内容

第2章 复合结构均衡树状拓扑的研究

2.1 集中式与分散式均衡方式的研究

2.2 分组方式对均衡性能的影响分析

2.2.1 基于分散式结构的均衡分层

2.2.2 基于集中式结构的均衡分层

2.3 复合式结构均衡方式

2.3.1 复合式结构均衡原理和过程分析

2.3.2 复合式结构均衡实例

2.4 本章小结

第3章 反激式同轴多绕组均衡单元的设计

3.1 主电路拓扑结构的研究及分析

3.1.1 单端反激变换器工作原理

3.1.2 均衡单元工作原理分析

3.2 反激均衡单元变压器结构及缓冲电路的设计

3.2.1 变压器参数的设计选取

3.2.2 缓冲电路的设计

3.3 控制电路的设计

3.3.1 PWM驱动电路的设计

3.3.2 电压反馈电路的设计

3.4 本章小结

第4章 上层均衡器的设计

4.1 主电路拓扑结构的研究与设计

4.1.1 主电路拓扑结构的选择

4.1.2 主电路结构及其工作原理

4.1.3 磁性器件的设计

4.1.4 器件选择

4.2 控制电路设计

4.2.1 闭环控制电路

4.2.2 辅助电路

4.3 本章小结

第5章 均衡器实验研究

5.1 反激式同轴多绕组均衡单元实验系统与参数

5.2 反激式同轴多绕组均衡单元实验结果

5.3 上层均衡电源的实验参数

5.4 上层均衡电源的实验结果

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢