電動客車用超級電容器組動態(tài)均衡技術研究.pdf

1、能源是人類生存之本。儲能技術的發(fā)展是新技術、新材料、新工藝發(fā)展的結果，與人類生活息息相關。超級電容器代表著儲能技術領域的最新進展之一，商業(yè)化小容量產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應用于民用和科技領域的各個方面，牽引型超級電容器則在空間電源、電動車輛、電磁彈射等領域具有顯著的優(yōu)勢和良好的應用前景。如何更好的利用和保護超級電容器是儲能技術應用發(fā)展的關鍵，這需要準確把握其外特性并建立具有明確物理意義的電氣模型；同時，由于單體電壓比較低，通常需要串聯(lián)使用以滿足負載

2、功率和電壓等級雙重需要，但是各單元特性不一致會引起電容器組儲能不能完全利用，從而增加儲能設備成本，如何保證電容器組內(nèi)各單元工作的一致以提高儲能利用率是電容器應用的難點；此外，牽引型超級電容器高功率密度和長循環(huán)壽命特點在一些特殊場合可以提供一種折中和可接受的解決方案，具有廣闊的應用前景，對于超級電容器的推廣使用具有一定的前瞻性和推動作用。
　　本文將牽引型超級電容器視為“黑匣子”，利用實驗的方法研究其外特性并建立特性描述模型。結合超

3、級電容器實際應用，研究了超級電容器在恒流充放電、恒功率充放電、恒壓限流充放電、恒阻放電以及循環(huán)充放電過程中的外特性，在綜合分析的基礎上提出了一種特性描述模型合理解釋了上述實驗現(xiàn)象。同時研究了了模型各參數(shù)與工作電壓和電流的關系，在合理簡化分析的基礎上，利用特征工作段和特殊實驗方法求取了模型參數(shù)，仿真結果驗證了特性描述模型的合理性。
　　提出了基于有向圖的建模分析均衡結構的方法。利用有向圖的完備性和權的概念，分析了已有均衡電路結構，指

4、出開關/繼電器均衡技術和多輸出繞組變壓器均衡技術具有同構的圖形表示，而高速開關電容網(wǎng)絡均衡技術和分布式 DC-DC變換器均衡技術具有相同的圖形表示，但是其最長跡具有較大的權重，結構上并非最優(yōu)選擇。給出了理想均衡電路結構的圖形表達，分析了基于分布式變換器的衍生結構的圖形表示，指出從能量傳遞的角度來看部分結構具有理想均衡結構的圖形表示，是均衡技術研究的新方向。結合超級電容器特點，提出了基于升降壓變換器和?UK變換器的新型均衡結構并進行了圖論

5、分析和仿真驗證。同時針對超長串聯(lián)電容器組均衡技術應用中效率低的缺點，提出了合理分組和二分法分組以及合理組合均衡結構的設計方法，并進行了仿真分析。
　　針對串聯(lián)超級電容器組內(nèi)各單元特性不一致，利用動態(tài)均衡技術以實現(xiàn)有限儲能的最大利用。首先從均衡問題的來源出發(fā)，分析了動態(tài)均衡技術的一般性問題，提出動態(tài)均衡的目的在于充分利用設備有限儲能同時保證單元的安全運行。結合超級電容器的特殊性，提出了基于狀態(tài)預估計方法滿足超級電容器組動態(tài)均衡的動態(tài)

6、性要求，給出了動態(tài)均衡系統(tǒng)硬件和軟件設計方法，將均衡電路和超級電容器組視為一體，應用模糊控制技術實現(xiàn)動態(tài)均衡，仿真和實驗結果驗證了動態(tài)均衡技術可行性和設計方法的合理性。
　　將牽引型超級電容器作為唯一儲能設備應用于電動客車，給出了城市公交發(fā)展中一種折中和可接受的解決方案。結合超級電容器組電壓變化范圍大和電壓等級低的特點，比較研究了多種雙向功率變換器，給出了利用半橋變換器和變速箱滿足車輛運行需要的解決方案，設計了無源緩沖式軟開關變換