【正文】 友好。由于性 能的穩(wěn)定、價(jià)格的低廉、易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，并且超級電容器制備材料和制造工藝的不斷進(jìn)步， 眾多 企業(yè) 對超級電容器 的 研究 ，這 些都 促 使 了超級電容器在 很多行業(yè) 的 大量 應(yīng)用。 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 5 2 超級儲能系統(tǒng)的基本理論 2． 1 概述 本論文是在基于 Boost 變換器的基礎(chǔ)上對自供電超級電容器的電路設(shè)計(jì)，本論文的設(shè)計(jì)總體思路如圖 21 所示。近些年來由于微能源具有很多優(yōu)點(diǎn)例如體積小、質(zhì)量輕，所以成為當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的迫切需要。由發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)我們知道，在固定磁體產(chǎn)生的磁場中，由于通過附在振動(dòng) 質(zhì)量塊下面的線圈中的磁通量會發(fā)生變化，由法拉第感應(yīng)定律的知識我們可知，它一 定會產(chǎn)生電勢差。 在 20 世紀(jì)末隨著 關(guān)于電磁式振動(dòng)發(fā)電機(jī) 第一篇的 發(fā)表，各國 便紛紛投入 對電磁式振動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的研究。通常靜電式振動(dòng)發(fā)電機(jī)應(yīng)用在 非常小的系統(tǒng)。這種發(fā)電機(jī)有很多的特點(diǎn)例如不需要外加電源，結(jié)構(gòu)緊湊，與 NEMS 兼容等。未來電源電路的設(shè)計(jì)需要具有安全性能好、重量輕、用電少等特點(diǎn)，而電荷泵電路也因?yàn)榫哂羞@些 優(yōu)點(diǎn)在中低功率電池電路中受到 人們的好評。在實(shí)際生活中我們通常會用電容來存儲電能或者電荷，并且電容會按一定的時(shí)間和速度發(fā)電。在倍壓型電路中電壓的變化是通過兩個(gè)階段實(shí)現(xiàn)的，在第一個(gè)階段中 S1和 S2處于關(guān)閉狀態(tài)，而 S3和 S4打開 ，可以看出電容處于充電狀態(tài)，充電到一定值，此值就是輸入的電壓。由圖 23(a)可知在倍壓電路的第一個(gè)階段中，電路會給電容 C1充電， C1充電電流的初始值是由 C1兩端電壓的初始值、開關(guān)電阻等決定的。 圖 (a)電荷泵電路 圖 (b)相關(guān)波形 圖 23 倍壓電荷泵電路及其工作波形 圖 24描述了電荷泵電壓反轉(zhuǎn)變換器的基本工作原理，由圖可以看出它是由開關(guān)、反相器、電容和振蕩器組成的。當(dāng)四個(gè)開關(guān) S S S3和 S4在振蕩器的控制下 以較高的頻率開斷和閉合時(shí)，輸出的電壓為負(fù)值。 通過 對電荷泵兩種電路的分析，可以看出電荷泵電路的優(yōu)點(diǎn)，但是電荷泵電路也具 有 以下 缺點(diǎn) ： （ 1）它的輸入與輸出的電壓比是有限的。 電荷泵電路的 應(yīng)用 意義和價(jià)值 在現(xiàn)代人類的日常生活中 ，人們越來越追求便捷化，因此便攜式的產(chǎn)品受到人們的親睞，這種發(fā)展趨勢對電源又有了新的要求。 因此研究人士發(fā)明了一種切實(shí)可行的電路即電荷泵電路，電荷泵電路具有低噪聲、低成本和高效率的優(yōu)點(diǎn)。并且當(dāng)前世界很多國家進(jìn)一步展開了對電荷泵電路的研究，力求減小電荷泵的噪聲、降低功率損耗、增加輸出功率。在圖 26(a)中 在導(dǎo)通時(shí)間結(jié)束以后， VT會處于斷開狀態(tài)，而此時(shí)的電感會釋放能量，并且它會與輸入的電壓共同作用來使 VD導(dǎo)通，同時(shí)電阻 R中有電流流過，進(jìn)而對電容充電。 在這個(gè)階段中因?yàn)檩斎腚妷杭釉诹?L上，所以電感電流會線性增加。 當(dāng) t=t2時(shí)， offtttt ???? 122 ，此時(shí)的 Li 從 maxLI 最大值減小到 minLI 最小值， Li 的減小量表示為： ? ?TL UUtL UUi ioof fioL ??????? ? 1 () 在 t2時(shí)， VT又一次導(dǎo)通，電路進(jìn)行下一個(gè)開關(guān)周期。因?yàn)樵谝粋€(gè)周期中電容存在兩個(gè)過程，即充電和放電過程，所以電容 C的電流平均值為 0。 電路中 iI 與 oI 的關(guān)系表示為： ? ? io II ??? 1 () 用 oU? 表示 輸出電壓的脈動(dòng)，可以表示為： 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 12 oonoo ICfTICCQU ?????? 1 () 由式子 ，可以采取增大電容 C和增加 f的方法來減小輸出電壓的紋波。一般來說，小型能源收獲產(chǎn)品商業(yè)化的問題是它的成本、便于使用和污染。根據(jù)能量的儲存形式，能量儲存系統(tǒng)可以分為電磁存儲、機(jī)械存儲、化學(xué)存儲、生物存儲和熱能存儲。 獨(dú)立的超級電容器自儲能充電電路包括一個(gè)自啟動(dòng)、自供電電路和一個(gè)前饋控制的 boost 變換器。比較器 U1 的輸出電壓是個(gè)方波，這個(gè)方波為 M1 提供柵極觸發(fā)信號。 Vs 是 V1 所產(chǎn)生的鋸齒波的最大值， ? ?TRLK ?? 32 ，流過超級電容器 C1 的最大脈動(dòng)電流 為 ： ? ? 1 211 R RRDDVsLTT o nLV inIp ????????? （ ） 因此最大的脈沖電流發(fā)生在 D=，最大脈沖電流 為： 1 a x R RRVsLTIp ????? （ ） 通過以上公式得，對于給定的 R1 和 R2，最大的輸出電壓是在 ?D ，同 時(shí)最大的脈沖電流是在 D=。 在仿真結(jié)果中如果改變 R1和 R2的數(shù)值， M1的驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比會發(fā)生變化，而且輸出的電壓也會變化。 在R1=， R2= Ip=；當(dāng) R1=， R2=20K時(shí)最大脈沖電流Ip=；當(dāng) R1=， R2=22K時(shí)最大脈沖電流 Ip=；當(dāng) R1=， R2=30K時(shí)最大脈沖電流 Ip=； R1=， R2=46K時(shí) Ip=,經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)可以知道當(dāng) R1不變時(shí)，隨著 R2的增大流過電容器 C1的最大脈沖電流是增大的。因?yàn)橐陨?Boost變換電路的驅(qū)動(dòng)是直接用仿真軟件中的電源提供的，所以要設(shè)計(jì)出為 Boost變換器提供電能的電路，以實(shí)現(xiàn)自供電。 此鋸齒波產(chǎn)生電路重點(diǎn)應(yīng)用到了晶振片，晶振是利用 一種晶體，并且這種晶體可以使 電能與機(jī)械能 相互轉(zhuǎn)化，進(jìn)而在共振的情 況下工作。 圖 37 基于 Boost變 換器的自啟動(dòng)超級電容器電路仿真 圖 37 中的 R3 和 C3 構(gòu)成了自啟動(dòng)電路， D D C C R4 和 D4 構(gòu)成了自供電電路，同時(shí) C3 既是自啟動(dòng)電路的一部分又是二級儲能器件。電壓 Vo 表示如下： ? ? ee tt VoCC CVCVotVo ?? ?? ???????? ??? ???? )0(123 2)0(3)0( （ ） V 表示為： ? ? ee tt VCC CVCVotV ?? ?? ???????? ??? ???? )0(123 2)0(3)0( （ ） 以上式子中 Vo(0)是 Vo在每個(gè)周期開始時(shí)的起始電壓，同理 V(0)是 V 在每個(gè)周期開始時(shí)的起始電壓。 圖 38 基于 Boost變換器的自啟動(dòng)自供電超級電容器電路仿真波形 由圖 39我們可以進(jìn)一步理解此設(shè)計(jì)電路的工作過程，圖 39以 M1的驅(qū)動(dòng)電壓為基準(zhǔn)，綠色代表驅(qū)動(dòng) M1的電壓，藍(lán)色代表電壓 V，紅色代表 Vo，淺藍(lán)色代表電壓 Vo1，如圖所示的波形可以看出在 M1導(dǎo)通時(shí)，電容 C2兩端電壓升高，當(dāng) M1關(guān)斷時(shí)電壓 Vo1和 Vo升高，正如圖 39所示。 T/ms T/ms U/V I/A 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 21 圖 311 R1= 時(shí)的電壓 Vo1 波形 圖 312 R1=22K 時(shí)的電壓 Vo1 波形 圖 313 R1=46K 時(shí) 的電壓 Vo1 波形 當(dāng) R1 不變， R2變化時(shí)，即 R1=46K， R2 分別為 5K、 20K 和 50K 時(shí) ，由圖 31315 和 316 的 Vo1 波形 在暫態(tài)情況下 可以看出隨著電阻的增大，電壓 Vo1 反而減小，T/s T/s T/s U/V U/V U/V 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 22 因此電壓 Vo1 的數(shù)值受電阻 R2的影響。另外在一定范圍內(nèi)隨著 R1 的增大電壓 Vo 有降低的趨勢。而且溫度會造成電壓與電流的變化。 仿真時(shí)是將最終的儲能電路的各個(gè)部分進(jìn)行仿真，然后再對整個(gè)儲能電路進(jìn)行仿真。 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 26 參 考 文 獻(xiàn) 1 張國駒 ， 唐西勝 ， 周龍 ，齊智平 ． 基于互補(bǔ) PWM 控制的 Buck/Boost 雙向變換器在超級電容器儲能中的應(yīng)用 [J]． 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào) ， 20xx， 31(06)： 1521 2 劉建濤 ， 張建成 ． 一種超級電容器 — 蓄電池混合儲能系統(tǒng)控制方法 [J]． 力學(xué)與工程， 20xx， 27(01):14 3 楊惠 ， 孫向東 ， 鐘彥儒 ， 陶柳英 ， 張鵬程 ． 基于雙向 DCDC 變換器的超級電容器儲能系統(tǒng)研究 [J]． 西安理工大學(xué)學(xué)報(bào) ， 20xx， 27(04):456460 4 丁德彬，楊依忠，張章，解光軍． 基于電荷泵的低壓啟動(dòng)高效率 Boost DC/DC變換器設(shè)計(jì) [J]． 電子器件， 20xx， 36(02):220225 5 陽峰 ． 基于雙管 BuckBoost 變換器的電容器充電電源研究 [D]． 華中科技大學(xué) ． 20xx 6 朱 遠(yuǎn)樂 ． 基于超級電容的儲能系統(tǒng)研究 [D]． 西南交通大學(xué) ． 20xx 7 趙玉葉 ． 超級電容器直流儲能系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì) [D]． 燕山大學(xué) ． 20xx 8 王云玲 ． 基于超級電容器儲能的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器研究 [D] 華中科技大學(xué) ． 20xx 9 蔡國營 ， 王亞軍 ， 謝晶 ， 黃曉賢 ， 陳忠 ， 陳金燦 ． 超級電容器儲能特性研究[J]． 電源世界， 20xx(01):3339 10 陳宇 ． 獨(dú)立光伏系統(tǒng)中超級電容器儲能研究 [J]． 電網(wǎng)與清潔能源， 20xx，27(08):7483 11 劉小軍，盧永周． 超級電容器綜述 [J]。 v13， n4， 20xx: p507515 26 Manoj， E， Isa， Dino， Arelhi， Roselina Fuel cell based traction drive with supercapacitor power boost control． International Conference on Electrical Systems for Aircraft， Railway and Ship Propulsion， ESARS 20xx 30 Camara， Mamadou Ba239。V57 ， n2， 20xx:p587597 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 28 致 謝 在畢業(yè) 論文設(shè)計(jì)期間和 本論文的工作研究 過程中，曹淑瑛老師給予了我們 莫大的支持 與幫助 ，在 本 課題的研究 階段 專門 為我 講解了 LTSPICE 及 MULTISIM 的應(yīng)用，又一次給 了我珍 貴的學(xué)習(xí) 機(jī)會，使我增進(jìn)對 本專業(yè) 知識的進(jìn)一步了解。