超级电容器化成设备的研究与设计

摘要

超级电容器是一种储能形式介于电池和电容器之间的新型储能元件，具有功率密度高，循环寿命长，便于维护等优点，近年来广泛用于通信、电子、铁路、航空以及军事等领域。随着世界范围内超级电容器产量的快速增长，研究并设计超级电容器的大规模化成设备，保证超级电容器的安全高效生产，具有很重要的意义和实用价值。
　　 本文结合国内外研究现状，针对超级电容器的化成特点以及大规模化成的需要，根据充放电模块低压大电流的特点，并考虑设备的体积和成本，设计了一套功能完善的超级电容器化成设备，它可以同时对多个超级电容器进行充放电化成，并可以将放电的电能回馈到直流母线，通过以太网通信可以实现远程管理与控制。
　　 首先，本文在介绍了超级电容器化成机理和充放电特性的基础上，分析了超级电容器的充放电方式。对适用于化成设备的双向直流变换器拓扑进行了详细对比分析，选择了单极性全桥直流变换电路作为充放电模块的主拓扑，并根据实际要求完成了主电路的参数设计。
　　 然后，根据超级电容器的充放电要求设计了系统的整体方案，以ATmega128微处理器作为控制核心设计了化成系统的硬件结构，包括信号采集电路、AD转换电路、驱动电路、通信模块等。软件方案采用模块化设计，并采用时间触发与事件触发相结合的程序结构，解决了系统实时性问题。
　　 为了实现大规模化成系统中上位机对下位机的实时控制与管理，设计了中位机，它可以完成上位机以太网通信与下位机串口通信之间的协议转换。同时，文中也对中位机的串口多机通信方式进行了设计。
　　 最后，对设计的双向直流变换器主电路进行了Multisim仿真分析，并对各个工作模式下的仿真波形进行了分析。仿真表明，本变换器运行正常，各参数指标达到设计要求，可以稳定高效的实现对超级电容器的化成。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 超级电容器的现状及面临的挑战

1．2．2 电池化成设备的研究现状及发展方向

1．3 本文研究内容与主要工作

第二章 适用于化成设备的双向直流变换器的研究

2．1 超级电容器的特性

2．1．1 电容器和电池充放电曲线的比较

2．1．2 超级电容器的充放电策略

2．2 双向直流变换器的拓扑分析

2．2．1 双向直流变换器的分类

2．2．2 电流双象限直流变换电路

2．2．3 单极性PWM四象限全桥直流变换电路

2．3 适用于化成的双向直流变换器的选择

2．3．1 拓扑选择的依据

2．3．2 本课题的拓扑

第三章 硬件电路设计

3．1 硬件系统总体设计

3．2 微处理器

3．2．1 ATmega128简介

3．2．2 MCU最小系统设计

3．3 主电路元件选型及参数设计

3．3．1 性能指标的确定

3．3．2 开关管的选择

3．3．3 扼流圈的设计

3．4 驱动电路设计

3．5 采集电路设计

3．5．1 电压采集电路

3．5．2 电流采集电路

3．5．3 温度采集电路

3．6 AD转换电路

3．7 辅助电源设计

3．8 通信电路

第四章 系统软件设计

4．1 软件开发环境

4．2 软件系统的总体框架

4．3 定时器中断模块

4．4 AD采样模块

4．5 状态控制模块

4．6 PI调节器的设计

4．7 串口通信

第五章 中位机设计

5．1 整体方案

5．1．1 设计思想及主要功缝

5．1．2 以太网TOP／IP协议

5．1．3 上位机通信协议

5．1．4 下位机通信协议

5．2 硬件设计

5．2．1 以太网控制芯片W5100

5．2．2 中位机结构

5．3 软件设计

5．3．1 主程序框架

5．3．2 外部中断模块

5．4 以太网通信的实现

5．4．1 以太网控制器的初始化

5．4．2 以太网通信流程

5．4．3 SPI传输过程

5．5 基于ATmega128的串口多机通信

第六章 仿真与实验分析

6．1 超级电容器模型的建立

6．2 电路仿真

6．2．1 Buck降压模式仿真

6．2．2 Boost升压模式仿真

6．2．3 非回馈放电仿真

6．3 以太网通信实验

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文