【正文】 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(shuō)明書(shū) 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(guò)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(zhuān)門(mén) 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(huì)，使我增進(jìn)對(duì) 本專(zhuān)業(yè) 知識(shí)的進(jìn)一步了解。 v13， n4， 20xx: p507515 26 Manoj， E， Isa， Dino， Arelhi， Roselina 仿真時(shí)是將最終的儲(chǔ)能電路的各個(gè)部分進(jìn)行仿真，然后再對(duì)整個(gè)儲(chǔ)能電路進(jìn)行仿真。另外在一定范圍內(nèi)隨著 R1 的增大電壓 Vo 有降低的趨勢(shì)。 圖 38 基于 Boost變換器的自啟動(dòng)自供電超級(jí)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(guò)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。 圖 37 基于 Boost變 換器的自啟動(dòng)超級(jí)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(jí)儲(chǔ)能器件。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。 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(huì)發(fā)生變化，而且輸出的電壓也會(huì)變化。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(hào)。根據(jù)能量的儲(chǔ)存形式，能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)可以分為電磁存儲(chǔ)、機(jī)械存儲(chǔ)、化學(xué)存儲(chǔ)、生物存儲(chǔ)和熱能存儲(chǔ)。 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(shuō)明書(shū) 12 oonoo ICfTICCQU ?????? 1 () 由式子 ，可以采取增大電容 C和增加 f的方法來(lái)減小輸出電壓的紋波。 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(kāi)關(guān)周期。在圖 26(a)中 在導(dǎo)通時(shí)間結(jié)束以后， VT會(huì)處于斷開(kāi)狀態(tài)，而此時(shí)的電感會(huì)釋放能量，并且它會(huì)與輸入的電壓共同作用來(lái)使 VD導(dǎo)通，同時(shí)電阻 R中有電流流過(guò)，進(jìn)而對(duì)電容充電。 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)。 通過(guò) 對(duì)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。 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(kāi)關(guān)、反相器、電容和振蕩器組成的。在倍壓型電路中電壓的變化是通過(guò)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(kāi) ，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。未來(lái)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(píng)。通常靜電式振動(dòng)發(fā)電機(jī)應(yīng)用在 非常小的系統(tǒng)。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(chǎng)中，由于通過(guò)附在振動(dòng) 質(zhì)量塊下面的線(xiàn)圈中的磁通量會(huì)發(fā)生變化，由法拉第感應(yīng)定律的知識(shí)我們可知，它一 定會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差。 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(shuō)明書(shū) 5 2 超級(jí)儲(chǔ)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(duì)自供電超級(jí)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。超級(jí)電容器作為 現(xiàn)代 一種新型儲(chǔ)能元件，具有 很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)例 如功率密度大、充放電效率高，而且無(wú)污染，環(huán)境友好。而在 20世紀(jì) 90年代中期開(kāi)始，全橋移相 ZVS軟開(kāi)關(guān)技術(shù)大部分應(yīng)用在中 、大功率場(chǎng)合。尤其是近些年來(lái)，隨著人們生活和工作的需要，出現(xiàn)的許多的電子設(shè)備需要電池供電。近 些年來(lái)，因?yàn)?超級(jí)電容器 獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn) 以及良好的發(fā)展前景，國(guó)內(nèi)的一些 研究機(jī)構(gòu)和公司 也開(kāi)始積極涉足 對(duì)超級(jí)電容器的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用 。 美國(guó)科學(xué)家 Becker 在 1957 年發(fā)表了首 篇關(guān)于超級(jí)電容器的論文以后，一些國(guó)家便 陸續(xù) 開(kāi)始 對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行 了 深入 的 研究 。 論文 首先 通過(guò)對(duì) Boost 變換器 原理、電荷泵原理 的分析和研究， 然后 利用 LTspice 仿真軟件 先對(duì) Boost 變換器仿真 ， 和 Multisim 對(duì)鋸齒波電路仿真 ， 然后再對(duì)整個(gè)儲(chǔ)能電路進(jìn)行仿真。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書(shū)寫(xiě)，不準(zhǔn)用徒手畫(huà) 3）畢業(yè)論文須用 A4 單面打印，論文 50 頁(yè)以上的雙面打印 4）圖表應(yīng)繪制于無(wú)格子的頁(yè)面上 5）軟件工程類(lèi)課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔 1）設(shè)計(jì)（論文） 2）附件：按照任務(wù)書(shū)、開(kāi)題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂 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(shuō)明書(shū) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中文摘要 基于 Boost 變換器的自供電超級(jí)電容器的電路設(shè)計(jì) 摘要： 近些 年來(lái)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展， 電能已經(jīng)成為人類(lèi)生活中最重要的能源， 并 且 各國(guó)越來(lái)越重視對(duì)可再生能源的研究特別是對(duì)電能的研究。 LTspice simulation 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(shuō)明書(shū) 目 次 1 引言 ................................................................ 1 超級(jí)儲(chǔ)能電容器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況 ...................................... 1 DC/DC 變換技術(shù)的發(fā)展概況 ........................................... 2 本課題研究的意義和內(nèi)容 .............................................. 3 2 超級(jí) 儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本理論 .............................................. 5 概述 ............................................................... 5 微型振動(dòng)發(fā)電機(jī)簡(jiǎn)介 ................................................. 5 電荷泵電路的基本原理 ............................................... 6 Boost 變換器的基本理論 ............................................. 10 3 超級(jí)儲(chǔ)能 系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 電路仿真 ......................................... 14 Boost 變換器仿真電路 ..................................... 14 鋸齒波的 電路 仿真 ................................... 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 石家莊高達(dá)科技開(kāi)發(fā)公司在 20xx 年研制出了首次通過(guò)技術(shù)鑒定的國(guó)產(chǎn)超級(jí)電容器。 從表中我國(guó)生產(chǎn)超級(jí)電容器的技術(shù) 和國(guó)外的生產(chǎn)技術(shù)相比，我國(guó)的生產(chǎn)技術(shù)的確有不足。而在當(dāng)前我們的實(shí)際生活中應(yīng)用最多的是有源箝位 ZVS軟開(kāi)關(guān)技術(shù)和全橋移向 ZVS軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，因?yàn)橛性大槲?ZVS軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以提高 DC/DC變換器的功率密度。因此人類(lèi)展開(kāi)了對(duì)新能源開(kāi)發(fā)和研究 。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，超級(jí)電容器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面 。微型發(fā)電機(jī)是微能源的一種，微型振動(dòng)式發(fā)電 機(jī)是利用各種效應(yīng)如壓電、電磁、靜電等效應(yīng)，從而利用拾振裝置將由振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。在 1998 年美國(guó)研究人員成功研制出組合振動(dòng)式發(fā)電機(jī)，由 Motorola 公司在 20xx年發(fā)明出一種手搖電磁發(fā)電機(jī)， 這種發(fā)電機(jī)與當(dāng)時(shí)發(fā)電機(jī)的不同之處在于它具有 供行動(dòng)電話(huà)充電 的特點(diǎn) 。但是它也有很多缺點(diǎn)如壓電材料比較脆弱且容易疲勞。 如圖 22所示， 它詳細(xì)介紹了電荷泵的工作過(guò)程， 由圖我們可以知道，當(dāng)電路有電流通過(guò)時(shí)，因?yàn)殡娙萦屑纳?yīng)，所以它會(huì)限制峰值充電電流。當(dāng) C1充完電后，流過(guò) C1的電流會(huì)減小，而在這段時(shí)間中，電容 HOLDC 通過(guò)放電向負(fù)載提供電流。 從圖 24中可以看出 電荷泵電壓反轉(zhuǎn)器電路不具有穩(wěn)壓的功能，也就是說(shuō)當(dāng) 負(fù)載河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 9 上有電流通過(guò)時(shí)，輸出的電壓也會(huì)有變化。為了迎合這種變化，很多公司對(duì)電源管理提出了很 多的改進(jìn)方案，而且這些解決方案各具特色。 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(shuō)明書(shū) 10 Boost變換器的基本理論 Boost變換器也叫作升壓變換器，升壓變化器的作用是將輸出的電壓升高，即輸出的電壓數(shù)值總比輸入的電壓數(shù)值大。 當(dāng) t=t1時(shí)， ontttt ???? 011 ， Li 從 minLI 最小值增加到 maxLI 最大值 ， Li 的增加量可以表示為： TLUtLUi ioniL ???? ? () 在 t1～ t2時(shí)段內(nèi)，如圖 26(b)所示，在 t=t1時(shí)， VT關(guān)斷， VD導(dǎo)通，在這一過(guò)程中L釋放上一階段所儲(chǔ)存的能量。輸出電流的平均值 oI 也是流過(guò) VD的電流平均值 VDI 。此論文在一定程度上可以解決 此問(wèn)題。本論文中設(shè)計(jì)的自啟動(dòng)電路是一個(gè)無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)系統(tǒng)不使用時(shí)它可以使自供電電路關(guān)斷。 Boost變換器充電器設(shè)計(jì)參數(shù)的合理選擇應(yīng)該是在輸入電壓 Vin在 ?D 時(shí)選取 。圖 35是R1=,R2=46K的脈沖電流。一般晶振可以為電路提供所需的頻率。時(shí)間常數(shù) ? ? ? ?3232 CCCCR ????? ，這里的 R 是二極管 D3 的內(nèi)阻。 圖 314 R2=5K 時(shí)的電壓 Vo1 波形 圖 315 R2=20K 時(shí)的電壓