【正文】 Boost電路的建模與仿真 36 40參考文獻(xiàn) 41致謝辭 42附錄 44 汽車自誕生起已有一百多年歷史，從生產(chǎn)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益等方面來看，都取得了巨大的成就。開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的控制器具有重要的意義。電動(dòng)汽車應(yīng)運(yùn)而生，取代了傳統(tǒng)的汽油為燃料的汽車。電能作為清潔能源若大規(guī)模的應(yīng)用在汽車上，不僅可以減輕污染，也可以在一定程度上緩解能源緊張問題。本文介紹了純電動(dòng)汽車的歷史和發(fā)展?fàn)顩r，綜述了純電動(dòng)汽車研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，包括控制器、動(dòng)力型鏗電池技術(shù)、能量管理系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、整車通信網(wǎng)絡(luò)等。但傳統(tǒng)的燃油汽車效率低、污染氣體排放量大的問題仍然沒有得到妥善解決。有限的石油資源以及日益惡化的環(huán)境等問題，迫使汽車工業(yè)必須尋求更加節(jié)能的新能源汽車，以減少對(duì)石油的過度消耗和對(duì)環(huán)境的污染，保證汽車工業(yè)的長期穩(wěn)定發(fā)展。如果讓蓄電池滿足大電流和高功率要求，蓄電池的體積和質(zhì)量都要增加，這樣不但給電動(dòng)汽車增加了重量，而且整車的成本也會(huì)增加。超級(jí)電容是近年來新發(fā)展起來的一種儲(chǔ)能元件，具有比功率高和充放電壽命長等優(yōu)點(diǎn)，適合于作為短時(shí)間的功率輸出源，可以在電動(dòng)車輛起動(dòng)、加速、爬坡時(shí)大功率放電，在車輛下坡制動(dòng)時(shí)迅速吸收制動(dòng)能量。隨著新技術(shù)的鎳氫動(dòng)力電池、鋰離子動(dòng)力電池及高效電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等高新技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，純電動(dòng)汽車在經(jīng)歷了多次起伏后，又迎來了新的發(fā)展機(jī)遇，近年來再次受到各國政府、企業(yè)及高校的重視。加利福尼亞正準(zhǔn)備建造電動(dòng)汽車充電網(wǎng)絡(luò)，一旦建成，電動(dòng)汽車的使用將變得非常方便和實(shí)用。2009 年到 2012 年在東京地區(qū)累計(jì)建設(shè) 1000 個(gè)充電站。 吉林大學(xué)將鎳氫電池和超級(jí)電容組合，搭建了復(fù)合電源試驗(yàn)臺(tái)架，并對(duì)復(fù)合電源的參數(shù)匹配理論以及控制策略進(jìn)行了仿真研究。國外對(duì)于電動(dòng)汽車的研究比較早，取得了一些很好的成果，研究成果比較突出的有： 在美國，Tobias Anderson 等人對(duì)裝有鎳氫電池和超級(jí)電容復(fù)合電源的電動(dòng)車輛進(jìn)行了部件參數(shù)匹配和仿真研究，并應(yīng)用低通濾波的思想（Low Pass Filler Control）實(shí)現(xiàn)了復(fù)合電源中蓄電池和超級(jí)電容充放電電流的控制。 在日本，Chugoku 電力公司和豐田公司研發(fā)中心合作在馬自達(dá)Bongo Friend車型上安裝由閥控鉛酸蓄電池和超級(jí)電容組成的復(fù)合電源，該復(fù)合電源使用402 的松下超級(jí)電容（1600F）。（a）超級(jí)電容器組 （b）并聯(lián)型混合電動(dòng)汽車 超級(jí)電容器組由35個(gè)超級(jí)電容器單元組成,超級(jí)電容器單元的個(gè)數(shù)主要由電氣系統(tǒng)逆變器的功率所決定。表1 超級(jí)電容器組規(guī)格體積/L質(zhì)量/kg最高電壓/V216最大功率/kw28能量/wh80單元數(shù)/個(gè)80 美國Maxen公司所開發(fā)的超級(jí)電容器已在各種類型電動(dòng)車上都得到良好應(yīng)用。Alhs。單個(gè)貯能堆可以貯存或釋放150kw的電力,雙聯(lián)體達(dá)到3ookw,完全滿足了大塾汽車或卡車加速時(shí)的需求。 在我國,北京有色金屬研究總院、錦州電力電容器有限責(zé)任公司、北京科技大學(xué)、北京化工大學(xué)、北京理工大學(xué)、北京金正平公司、解放軍防化院、哈爾濱巨容公司、上海奧威公司等也在開展電動(dòng)車用超級(jí)電容器的開發(fā)研究士作,國家“十五”計(jì)劃,“863”電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)攻關(guān)中已將電動(dòng)車用超級(jí)電容器的開發(fā)列人發(fā)展計(jì)劃。 單純用超級(jí)電容器來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車,這個(gè)方法結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用、成本低,而且實(shí)現(xiàn)了車輛尾氣的零排放。 尤其在城市市區(qū)運(yùn)行的電動(dòng)公交車,其運(yùn)行線路在20km以內(nèi),運(yùn)行中頻繁起動(dòng)、制動(dòng)、加速、減速。可以建立超級(jí)電容器電動(dòng)公交車專線,在線路兩端設(shè)立充電站,每臺(tái)充電站可以同時(shí)給3一5輛超級(jí)電容器電動(dòng)公家車充電,充電時(shí)間約在15一30min。,總充電時(shí)間12~min。 (5)續(xù)駛里程短,超級(jí)電容器比能量低,導(dǎo)致超級(jí)電容電動(dòng)公交車?yán)m(xù)駛里程較短,一般為2030km。碳基材料超級(jí)電容器能量儲(chǔ)存的機(jī)理主要是靠碳表面附近形成的雙電層，因此通常稱為雙電層電容；而金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物主要靠氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的贗電容。雙電層電容器電極通常由具有高比表面積的多孔碳材料組成。相同電極面積下，贗電容可以是雙電層電容量的 10～100倍。圖1　超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)框圖 由圖（1）中可見，其多孔化電極是使用多孔性的活性碳，活性炭有極大的表面積在電解液中吸附著電荷，因而將具有極大的電容量并可以存儲(chǔ)很大的靜電能量，超級(jí)電容器的這一特性是介于傳統(tǒng)的電容器與電池之間。而對(duì)電池而言，實(shí)質(zhì)上發(fā)生了法拉第過程，即發(fā)生了穿過雙層的電子遷移，結(jié)果是發(fā)生了氧化態(tài)的變化和電活性材料化學(xué)性質(zhì)的變化。這種能量的存儲(chǔ)是間接的。 充電迅速，使用便捷。超級(jí)電容(edlc)是在高度多孔狀電極與束縛態(tài)電解質(zhì)的接觸表面所特定的雙電層來實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的，傳統(tǒng)電容通常是通過平板電極所帶相異電荷來實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能。相對(duì)成本低，超級(jí)電容器的價(jià)格比鉛酸電池高一倍，但由于超級(jí)電容器的壽命比化學(xué)電池高10～100倍，所以超級(jí)電容器電動(dòng)車的綜合運(yùn)營成本大大低于化學(xué)電池。由于隨著超級(jí)電容器放電 ，正、負(fù)極板上的電荷被外電路泄放，電解液的界面上的電荷響應(yīng)減少?！? 圖3雙電層電容原理　 圖4超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)原理圖 由于超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)及工作原理使其具有如下特點(diǎn)： 圖5　超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)框圖 ①.電容量大，超級(jí)電容器采用活性炭粉與活性炭纖維作為可極化電極，與電解液接觸的面積大大增加，根據(jù)電容量的計(jì)算公式，那么兩極板的表面積越大，則電容量越大。 ④.可以數(shù)十秒到書分鐘內(nèi)快速充電，而蓄電池再如此短的時(shí)間內(nèi)充滿電將是極危險(xiǎn)的或幾乎不可能。 ⑧.可以任意并聯(lián)使用來增加電容量，如采取均壓后，還可以串聯(lián)使用[6]。(7)等效串聯(lián)電阻　　測試條件：規(guī)定的恒定電流（如1 000F以上的超級(jí)電容器規(guī)定的充電電流為100A，200F以下的為3A）和規(guī)定的頻率（DC和大容量的100Hz或小容量的KHz）下的等效串聯(lián)電阻。其原因是：一般電容器的電荷是導(dǎo)體中的以電子導(dǎo)電方式建立或泄放，而超級(jí)電容器的電荷的建立或泄放是以介質(zhì)中的離子或介質(zhì)電離極化實(shí)現(xiàn)，響應(yīng)速度相對(duì)慢；大容量電容器在制造時(shí)均采用卷繞工藝，寄生電感相對(duì)無感電容器大。壽命終了的標(biāo)準(zhǔn)為：電容量低于額定容量20%。由于超級(jí)電容器的（ESR）較大，因此在同樣紋波電流條件下發(fā)熱量比一般電容器大。 晶閘管又叫可控硅，由四層半導(dǎo)體材料組成的，有三個(gè)PN結(jié)，對(duì)外有三個(gè)電極：第一層P型半導(dǎo)體引出的電極叫陽極A，第三層P型半導(dǎo)體引出的電極叫控制極G，第四層N型半導(dǎo)體引出的電極叫陰極K。為了減小以致消除這種損耗，功率場效應(yīng)管宜采用零電壓開通方式(ZVS)。IGBT最大的不足在于集電極存在電流拖尾現(xiàn)象，使得它的關(guān)斷時(shí)間很長。因而體積大大縮小，相當(dāng)于常規(guī)變壓器的20%；效率高，通常為97%~99%；工作頻率高，從50kHz到 2MHz；低漏感、低電磁干擾等。傳統(tǒng)的常采用電壓型控制，電壓型控制只對(duì)輸出電壓采樣，并作為反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，以穩(wěn)定輸出電壓。 所謂硬開關(guān)技術(shù)，是指開關(guān)管上的電壓(或電流)不為零時(shí)，強(qiáng)迫開關(guān)管開啟(或關(guān)斷)，這時(shí)開關(guān)管電壓下降(或上升)和電流下降(或上升)有一個(gè)交疊過程，從而導(dǎo)致管子在開關(guān)過程中產(chǎn)生開關(guān)損耗，而且這種開關(guān)損耗與開關(guān)頻率成正比?！　≤涢_關(guān)方式可劃分為ZVS工作方式和ZCS工作方式。直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)一般可分為：全諧振型變換器、準(zhǔn)諧振變換器和多諧振變換器、零開關(guān)PWM變換器、零轉(zhuǎn)換PWM變換器。它的基本原理是通過對(duì)電力電子器件的通斷控制，將直流電壓斷續(xù)地加到負(fù)載上，通過改變占空比D來改變輸出電壓的平均值。隔離型包括正激、反激、推挽、半橋、全橋型變換器。直到開關(guān)管開通，電感L中的電流增加。半橋電路相對(duì)于單端正激電路而言，開關(guān)管電壓應(yīng)力減小為輸入電壓Ui，變壓器磁芯利用率提高了一倍?？傊珮螂娐繁容^適用于高壓輸入的大功率場合[9]。無論對(duì)哪種器件哪些電路進(jìn)行仿真，包括絕緣柵雙極晶體管、脈寬調(diào)制電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)/模轉(zhuǎn)換等，都可以得到精確的仿真結(jié)果，另外還可以自己編輯元器件。 Matlab是國際上流行的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真軟件，基于Matlab平臺(tái)的Simulink是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真領(lǐng)域中最為著名的仿真集成環(huán)境之一，它在通信與衛(wèi)星系統(tǒng)、航天航空系統(tǒng)、生物系統(tǒng)、船舶系統(tǒng)、汽車系統(tǒng)、金融系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。 從上面的介紹中可以看出，對(duì)DC/DC變換器建模有不同的方法。采用大電流充電時(shí)，由于超級(jí)電容串聯(lián)等效電阻Res的存在， 會(huì)使超級(jí)圖42超級(jí)電容等效電路電容的充電效率一定程度的降低，因此需要考慮充電電流對(duì)超級(jí)電容的工作效率的影響，通常很小，一般只有幾Ω。它與工作電流和工作溫度有關(guān)，即 （9）具體函數(shù)可以通過交流恒流充電法測得： （10）其中 ——交流充電時(shí)的壓降，——交流充電電流。4．3超級(jí)電容的數(shù)學(xué)模型超級(jí)電容容量C： （14）超級(jí)電容儲(chǔ)存電量Q： （15）超級(jí)電容充放電功率P： （16）超級(jí)電容工作電壓U： （17）超級(jí)電容電池荷電狀態(tài)SOC： （18）超級(jí)電容輸出能量E： （19）超級(jí)電容等效內(nèi)阻R0 ： （20）超級(jí)電容效率： （21）充電效率： （22）放電效率： （23） 模型與仿真 模型 根據(jù)上面的數(shù)學(xué)模型，以某超級(jí)電容實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立超級(jí)電容的MATLAB ／ Simulink 模型。模型輸出的電壓值、SOC 值和電流值變化曲線如圖4圖44和圖45所示[12]。充電時(shí)情況剛好相反，充電時(shí)隨著SOC 值上升電壓升高，電流逐漸減小，其具體變化如圖44所示，超級(jí)電容的電流變化近似呈線性關(guān)系[13]。圖47 時(shí)的輸出電壓波形圖48 時(shí)的輸出電壓波形圖49 時(shí)的輸出電壓波形圖410 時(shí)的紋波電壓波形 圖411 時(shí)的紋波電壓波形圖412 時(shí)的紋波電壓波形 由圖4449可以看出，電池的輸出電壓得到了提高，在4ms后達(dá)到穩(wěn)定，維持在375V左右，達(dá)到了將85~120V的輸入電壓升壓為375V的輸出電壓的預(yù)期目標(biāo)。純電動(dòng)汽車系統(tǒng)以其高效潔凈無污染、功率密度大等特點(diǎn)，越來越受到人們的青睞，有著廣闊的發(fā)展前景。這也意味著充電樁建設(shè)將放開，即國家電網(wǎng)公司明確支持社會(huì)資本參與慢充、快充等各類電動(dòng)汽車充換電設(shè)施市場。參考文獻(xiàn). 電子電力學(xué)[D]. 高等教育出版社, 2003 ,687，陳偉，葉輝萍，等. 加裝超級(jí)電容純電動(dòng)汽車的性能分析［J］． 機(jī)械工程學(xué)報(bào)， 2005， 41( 12) : 8286．，孫逢春，張承寧，等. 純電動(dòng)大客車超級(jí)電容器參數(shù)匹配與實(shí)驗(yàn)［J］． 電源技術(shù)， 2004， 28( 8) : 483486， 507． P，BHATTI T S. 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