混合動力系統中的超級電容充放電變換器

高源，王凱，陳希有

(大連理工大學，遼寧大連 116024)

混合動力系統中的超級電容充放電變換器

高源，王凱，陳希有

(大連理工大學，遼寧大連 116024)

超級電容器具有功率密度大等優點，已成為混合動力系統中必不可少的儲能元件。將雙向Boost/Buck變換器應用于對混合動力系統中超級電容器的充放電控制，采用直接導通時間控制超級電容器的恒流充放電。實驗通過對二氧化釕為主要電解質的超級電容器測試，驗證了原理的可行性。

超級電容器；雙向DC/DC；恒流

隨著化石燃料的日益枯竭和環境問題的惡化，混合動力系統已經成為了新型動力汽車[1]領域的重要研究方向。超級電容器是混合動力系統中重要的儲能元件，具有功率密度高、充放電速度快和壽命長等特點。本文將雙向Boost/Buck變換器[2]用于控制混合動力系統中超級電容器的充放電，系統采樣超級電容器充放電電流，采用直接導通時間控制變換器占空比以達到恒流充放電的目的。

1 充放電變換器拓撲結構

超級電容器充放電變換器[3]拓撲結構是一個雙向Boost/ Buck電路，具有體積小、成本低等優點。電路中放電電阻與充電電源通過繼電器連接到電路中。變換器拓撲結構如圖1。

圖1 超級電容器充放電變換器拓撲結構

變換器分為正向升壓充電狀態和反向降壓放電狀態。電路正向工作于Boost狀態時，開關管Q1工作于PWM狀態，Q2截止，超級電容器處于充電狀態。利用霍爾傳感器反饋超級電容器充電電流，PI運算之后控制Q1占空比，以實現恒流充電。此時電路可等效成圖2。

當超級電容器電壓達到設定值后，控制繼電器S1切換觸點，控制開關管Q2工作于PWM狀態，Q1截止，超級電容器處于放電狀態。此時采樣超級電容器放電電流，系統處于前饋狀態，通過PI運算保證恒流放電。此時電路可等效成圖3。

圖2 超級電容器充電時的等效電路

圖3 超級電容器放電時的等效電路

2 系統小信號模型和控制方法

雙向Buck/Boost變換器分為正向升壓和反向降壓兩個工作狀態。采用狀態空間平均法分別對兩個狀態建立小信號模型[4]。

系統處于Boost狀態時電路動態方程為：

圖4 狀態空間平均法電路方程仿真圖

圖5 系統正向和反向工作狀態時特性曲線

直接導通時間控制是指控制開關變換器的開關管，將其輸出電壓或輸出電流穩定在設定值[5]。當變換器開關頻率保持恒定時，直接導通時間控制即可等效為直接占空比控制。本文使用TMS320F28335控制器采樣超級電容器充放電電流，采用直接導通時間控制方法控制開關管的占空比。

當系統正向工作處于Boost狀態時，此時系統閉環反饋充電電流，經過PI運算控制開關管Q1，以實現恒流充電；當系統反向工作處于Buck狀態時，通過繼電器切換觸點，將放電電阻接入電路，此時系統處于前饋狀態，通過采樣超級電容器放電電流，經過PI運算控制開關管Q2，以實現超級電容器的恒流放電。

3 實驗結果

樣機中開關管選用SEMITRANS公司型號為SKM200-GB128D的IGBT，傳感器采用霍爾傳感器CHB-25NP，充電電源為直流穩壓源，超級電容器的主要電解質為二氧化釕，放電電阻選用功率為300 W，阻值10 Ω的電阻。驅動信號頻率為20 kHz。

變換器正向Boost狀態下，變換器向超級電容器充電，當充電電壓為2 V，超級電容器瞬時電壓值為8.7 V時，Q1工作于PWM模式，Q2和繼電器驅動信號Q3為低電平。開關管Q1、Q2，繼電器切換信號Q3和超級電容器瞬時電壓值如圖6。

圖6 變換器Boost狀態驅動信號和S-cap瞬時電壓波形

變換器反向Buck狀態下，超級電容器向電阻放電，當超級電容器放電瞬時電壓值為2.5 V時，Q2工作于PWM模式，Q1驅動信號為低電平，繼電器驅動信號Q3為高電平。開關管Q1、Q2，繼電器切換信號Q3和超級電容器瞬時電壓值如圖7。

圖7 變換器Buck狀態驅動信號和S-cap瞬時電壓波形

設定超級電容器電壓為20 V繼電器切換到放電狀態，充電電流設為100 mA，放電電流20 mA，超級電容器充放電一次，兩端電壓波形如圖8，超級電容器充放電過程中，端電壓上升下降斜率基本恒定，說明變換器充放電電流很穩定。

4 結論

超級電容器是混合動力系統中重要的儲能元件，采用雙向Boost/Buck變換器控制超級電容器充放電過程。分別建立變換器正向和反向工作狀態時的小信號模型，仿真得到變換器兩個工作狀態的開環特性都很好。采用DSP28335采樣超級電容器充放電電流，經過PI運算后，通過直接導通時間控制開關管Q1或Q2，保證超級電容器恒流充放電，當超級電容器電壓達到設定值，可通過繼電器切換以改變電路拓撲結構。

圖8 超級電容器兩端電壓

[1]胡建明.適合于混合動力汽車新型雙向DC/DC變換器研究[J].電力電子技術，2011，4(4):35-36.

[2]張國駒，唐西勝，周龍，等.基于互補PWM控制的Buck/Boost雙向變換器在超級電容器儲能中的應用[J].中國電機工程學報，2011，3(6):15-20.

[3]楊惠，孫向東，鐘彥儒，等.基于雙向DC-DC變換器的超級電容器儲能系統研究[J].西安理工大學學報，2011,27(4):456-459.

[4]王歸新，康勇，陳堅.基于狀態空間平均法的單相逆變器控制建模[J].電力電子技術，2004,38(5):9-12.

[5]SUNTIO T.開關變換器動態特性：建模、分析與控制[M].北京：機械工業出版社，2011:51-57.

Charge and discharge device of super-capacitor in hybrid system

GAO Yuan,WANG-Kai,CHEN Xi-you

Super-capacitors was the essential energy storage component in hybrid system,for its various advantages such as large power density.Bidirectional Boost/Buck converter was used to charge and discharge super-capacitor of hybrid system.The constant charge-discharge current of super-capacitors was ensured by using direct on-time algorithm.Super-capacitors with ruthenium dioxide electrolyte were tested,and the principle was verified.

super-capacitor;bidirectional DC/DC;constant charge-discharge current

TM 53

A

1002-087 X(2014)02-0312-03

2013-06-20

高源(1988—)，男，山東省人，碩士生，主要研究方向為電力電子技術。