《[工学]混合动力电源控制软件设计最终版》由会员分享，可在线阅读，更多相关《[工学]混合动力电源控制软件设计最终版（60页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、摘 要摘 要超级电容器与蓄电池混合使用，可以充分发挥蓄电池比能量大和超级电容器比功率大、循环寿命长的优点，大大提升混合电源的性能。本文以混合电源为研究对象,在介绍了其组成部分基本原理和混合电源的结构，以及荷电状态的估算方法的基础上，分析了对一种混合电源的改进结构的控制实现方案。文中着重研究了该方案的控制思想和策略，并对控制软件进行了不同工作模式模式的黑盒验证测试和对ZCT-PWM Boost变换器驱动方波的控制仿真测试。关键词：混合电源，超级电容，DC/DC转换器，控制策略25ABSTRACTGood performance can be attained through ultra-capa
2、citor/battery hybrid system, which makes the best of the characteristics of high energy density of battery and high power density and long cycle life of ultra-capacitor. This thesis studies the hybrid electric Power. Based on the introducing of components working principle and hybrid powers structur
3、e and state of charge, the control implementation of improved structure is put forward. The strategy of energy management is mainly researched. Black-box testing is made for control software, and the way of controlling drive square wave for ZCT-PWM Boost converter is simulated. Keywords：Hybrid Power
4、 Supplies, Ultra-capacitors, DC/DC Power Converter, Control Strategy目录目录摘 要IABSTRACTII目录III第一章 引言11.1 发展混合动力电源的背景11.2 混合动力电源的应用21.2.1混合动力电源的民用概况21.2.2混合动力电源的军事应用21.3 本论文的主要意义及内容31.3.1 混合动力电源控制研究的意义31.3.2 本文的主要研究内容和工作3第二章 电源特性42.1 蓄电池的特性研究42.1.1 蓄电池的充放电特性52.1.2 蓄电池的充放电效率特性62.1.3 蓄电池的容量特性62.1.4 蓄电池的温度
5、特性62.2 超级电容的储电原理和充放电特性62.2.1 超级电容的储电原理72.2.2 超级电容的充放电特性82.2.3 超级电容的充放电效率特性92.2.4 超级电容的温度特性102.2.5 超级电容的循环寿命102.3 蓄电池和超级电容性能对比112.4 本章小结12第三章 混合动力电源系统结构133.1 混合电源模型分析133.2 混合电源的基本结构143.2.1直接并联143.2.2通过电感器并联153.2.3通过功率变换器并联153.2.4通过功率变换器并联的改进163.3 混合电源的工作原理173.4本章小结17第四章 DC/DC功率变换器184.1 DC/DC变换器国内外研究状
6、况184.2 斩波原理194.3 DC/DC变换器的原理和特性204.4 DC/DC变换器的控制原理224.4.1 脉宽调制（PWM）形式的工作原理224.4.2 PWM加相位控制的工作原理224.5 ZCT-PWM Boost变换器234.6 本章小结23第五章 荷电状态SOC的估算245.1 荷电状态245.1.1 荷电状态的概念245.1.2 计算荷电状态的意义245.2 电池荷电状态的估算255.2.1电池荷电状态SOC的特性255.2.2影响电池荷电状态SOC的主要因素265.2.3电池荷电状态SOC的估算方法275.3 复合电源荷电状态SOC的估算275.4 本章小结28第六章 混
7、合动力电源控制系统方案296.1 总体结构296.2 主要指标306.2.1 功能指标306.2.2 技术指标306.3 各模块硬件结构316.3.1 电池检测模块316.3.2 超级电容检测模块326.3.3 DC/DC控制模块326.3.4 温度检测模块336.3.5 休眠节能336.4 工作模式346.5 控制策略366.5.1 参数说明376.5.2 功率分配策略376.5.3 电池给超级电源充电策略386.5.4 制动能量回收策略386.6 软件流程386.7 本章小结39第七章 测试407.1 Matlab/simulink介绍407.2 混合电源控制软件黑盒测试417.3 DC/
8、DC驱动方波控制仿真测试44第八章 结束语48参考文献49外文资料原文50外文资料译文53第一章 引言第一章 引言1.1 发展混合动力电源的背景本世纪以来，能源问题和环境问题成为了人们广泛关注的焦点。传统燃料能源的日益枯竭和燃料能源产生的衍生物对环境造成的巨大破坏使得各国政府大大力发展新能源和清洁能源。电力作为可再生能源和绿色能源就是解决问题的重要途径之一。电力来源很广泛，但是限制电力作为主要能源的最大限制在于电力存储。蓄电池是目前主要的储存电力的器件。蓄电池的能量密度比较大，漏电流小，端电压变化稳定，但其功率密度低，循环使用寿命短，对充放电过程敏感。不宜用于大功率脉冲放电。近年来超级电容的快
9、速发展让人们看到了解决蓄电池难题的方法。超级电容具有蓄电池所不具备的所有优势，比如:功率密度高，超长的循环使用寿命，可进行大功率快速充放电并且对超级电容寿命的影响很小。但超级电容又缺乏蓄电池所具备的优势,超级电容在能量密度、漏电流、端电压保持等方面不如蓄电池。由于蓄电池和超级电容在性能上有互补性，采用蓄电池和超级电容混合电源可以综合两者的优点。超级电容器通过一定的方式与蓄电池混合使用，可以使储能装置具有很好的负载适应能力，能够提高供电的可靠性，能够缩小储能装置的体积，减轻重量，可以改善储能装置的经济性能。与超级电容器混合使用，可以减小蓄电池的输出电流峰值，降低内部损耗、延长放电时间，还可以优化
10、蓄电池的充放电过程，延缓失效进程。将超级电容器作为功率缓冲器，与蓄电池并联使用，应用于在电动汽车或混合电动汽车，以对蓄电池在汽车加速、减速时所需的输出、输入瞬时大功率进行滤波，这样，可以减小电机对蓄电池的峰值功率需求，以减小蓄电池的安装容量，延长使用寿命。目前，功率具有脉动性的负载日益增多，如移动数字设备、电动汽车、定向能武器等，其典型特征是峰值功率很高，但平均功率较低。比如，一辆轻型客车，在行驶过程中的平均功率约为10kW，但当客车快速加速时，所需的峰值功率约为60kW是平均功率的6倍，持续时间一般为几秒钟。驱动脉动负载时，要求电源具有较高的功率输出能力。可充电蓄电池由于技术成熟、性能可靠，
11、被广泛使用。但正如本文绪论所指出的，蓄电池具有功率密度小的缺点。由于在能量的存储和释放过程中要发生电化学反应，并受到参与反应的离子扩散速度的影响，蓄电池的大功率输出和输入能力不足。如果采用蓄电池作为脉动负载的主电源或备用电源，需要配置很大的容量，才能满足负载的峰值功率需求，造成了较大的容量浪费，并导致蓄电池组过于庞大笨重。以上述的轻型客车为例，如果只采用蓄电池作为电源，则所配置的蓄电池组需要具有60kW的峰值功率输出能力，大幅度地增加了客车的成本。单靠蓄电池或者超级电容都能以满足负载需要，在电池技术没有突破性发展的时期，混合电源联合供电是解决问题的出路之一（文献16）。采用混合动力电源系统具有
12、以下优点：1实现能量和功率要求的分离,电池设计可以集中于对比能量要求的考虑，而不必过多的考虑比功率问题。2超级电容的负载均衡作用，电池的放电电流得到减少从而使电池的可利用能量，使用寿命得到显著提高，生产成本降低。3充分利用了两种能源的优点,比如,蓄电池的技术成熟，成本低廉，燃料电池高比能量，超级电容巨大的比功率和瞬间充/放电能力，不受限制的使用寿命。4由于超级电容可以迅速高效的吸收制动等情况产生的再生动能，节约了能量。1.2 混合动力电源的应用1.2.1混合动力电源的民用概况混合动力车和纯电动车：与传统燃料汽车相比，混合电源作为辅助动力源的混合动力汽车可以减少化学燃料使用，降低尾气排放，并且能
13、够实现一定的能量回收利用。而采用混合电源的纯电动车与只有蓄电池供电的纯电动车相比，在续航能力，电池体积，整体性能等方面具有优势。这也是混合电源应用最为广泛的领域，在国内外都已经有成型的产品问世(文献91112)。独立机器人：在没有外界功能的条件下，机器人电源的性能决定了机器人的应用功能。以混合电源供电的机器人因为在比能量和比功率上的优点，在地质探测、环境监测、高危作业都领域都有广泛的应用。电子产品：在手机、数码相机等流行的电子产品中，充分发挥混合电源的优势可以使产品具有更好的电源性能和整体优势，在竞争激烈的市场竞争中抢占先机。此外，混合电源还可以应用到儿童玩具、电梯、不间断电源（UPS）等方面
14、。1.2.2混合动力电源的军事应用进入信息化战争时代，各国“杀手锏”武器和信息战装备的重点是发展远程打击、精确制导、预警防空、反潜反舰、电子对抗和侦察、定位、指挥、通信及夜视装备等。显然，作为重要的支撑技术，军用电能源在推进上述武器装备发展中的需求和作用也越来越大。新型军事武器装备对能源需求的趋势，已经从过去的能量型转化至功率型，即迫切需求轻型大功率甚至超大功率的可移动电源。与此同时，军用卫星发展异常迅速，卫星大功率化则要求电源具有高的输出比功率、高比能量和长寿命的特性；新一代电动鱼雷是用于打击大型水面舰艇及航母的重要作战武器，则要求发展新一代电动鱼雷迫切要求功率达到400-500kw，比能量
15、仍高达150Wh/kg以上的新型动力电能源；此外，小型化、多元化导弹弹头、数字化士兵装备、中小型无人飞机，大功率激光武器和平流层定点气球平台等的发展迫切需要新型电能源。它们对电能源的基本要求是有高比功率和高比能量、宽广的工作温度（特别在低温-40下尚可高电流输出）、更加小型化、使用寿命长、能快速启动等。在军事应用中，将超级电容器和高比能量电池联合组成混合电源使用，这不仅可以提供武器装备所需的高功率甚至超高功率，而且可以提供武器装备所需的高能量。1.3 本论文的主要意义及内容1.3.1 混合动力电源控制研究的意义在国内，虽然对超级电容的研究和生产已经有了很大的发展，但蓄电池超级电容组成的混合电源的设计及控制远落后国际水平。由于混合电源发展时间短，我国与其他先进国家的差距只有五年左右，我们应该抓好这个契机，大力发展混合动力电源。混合电源的控制是协调两种供能源联合工作的过程。控制是否有效决定了混合电源正常工作特性优点的好坏。混合电源控制管理系统，以电池与超级电容的荷电状态为依据，根据“削峰
