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1、摘要随着社会的发展和人类的进步，能源和环境问题越来越受到人们的重视。电动汽车应运而生，取代了传统的汽油为燃料的汽车。电能作为清洁能源若大规模的应用在汽车上，不仅可以减轻污染，也可以在一定程度上缓解能源紧张问题。 纯电动汽车是新能源汽车的一种，具有良好的发展前景。控制器作为纯电动汽车研究的关键技术之一，受到了新能源汽车行业的广泛重视。开发出具有自主知识产权的控制器具有重要的意义。本文介绍了纯电动汽车的历史和发展状况，综述了纯电动汽车研发的关键技术，包括控制器、动力型铿电池技术、能量管理系统、电机驱动技术、整车通信网络等。 控制器是纯电动汽车研发的关键技术之一，关系到车辆性能的优劣。本文对控制器的
2、发展状况和工作原理进行了研究，并对控制器进行功能分析。关键词: 电动汽车组成 关键技术 控制器 电路分析 ABSTRACTPure electric vehicle is a new energy vehicle, with good prospects for development. Vehicle controller as One of the key technologies of pure electric vehicle research has been widely emphasized by the new energy automobile industry. Devel
3、opThe vehicle controller with independentintellectual property rights has important significance. The energy management strategy can be effective and reliableTo effectively use the energy of the power battery pack, improve the pure electric vehicle continued mileage. In the domestic and internationa
4、l vehicleBased on the research of the controller, the research on the effective control of braking energy feedback and the vehicle controller is studied.目录1.绪论11.1 选题背景11.2 纯电动汽车发展历程简介21.3 电动汽车电源系统研究现状32.超级电容器的原理及结构92.2 超级电容器结构92.2 工作原理及超级电容器储能系统132.3 超级电容器的主要特点142.4 超级电容器的参数特性163.DC/DC 转换器的工作原理及特性2
5、03.1 元器件及选择213.2 基本的直流变换器234.电动汽车中的超级电容的建模和仿真274.1仿真软件的简介274.2 超级电容的等效电路294.3 超级电容的数学模型324.4 超级电容的simulink 模型与仿真334.5 Boost电路的建模与仿真365.结束语40参考文献41致谢辞42附录441.绪论1.1选题背景 汽车自诞生起已有一百多年历史，从生产、技术、经济效益等方面来看，都取得了巨大的成就。但传统的燃油汽车效率低、污染气体排放量大的问题仍然没有得到妥善解决。据估算，目前汽车所消耗的石油约占到全球石油年产量的一半以上。与此同时，内燃机燃烧所产生的有毒、有害气体也对大气环境
6、造成了破坏。我国车辆众多，一些大中型城市道路拥挤，大气污染严重。有限的石油资源以及日益恶化的环境等问题，迫使汽车工业必须寻求更加节能的新能源汽车，以减少对石油的过度消耗和对环境的污染，保证汽车工业的长期稳定发展。 纯电动汽车是新能源汽车中的一个重要发展方向。电动汽车是无排放交通工具，它将使空气污染大为减少，且使能源的利用多元化和高效化，达到能源可靠、和无污染地利用。动力蓄电池是现阶段电动车辆能量源的主要选择，但蓄电池存在功率密度偏低，大电流放电会损伤电池内部结构，缩短电池的使用寿命等问题。如果让蓄电池满足大电流和高功率要求，蓄电池的体积和质量都要增加，这样不但给电动汽车增加了重量，而且整车的成
7、本也会增加。但车载电源技术一直是制约电动汽车发展和普及的瓶颈，成为电动汽车研究的一个重要课题。电池技术得不到突破性进展，电动汽车很难与燃油汽车竞争。 当今，用超级电容和蓄电池组合成复合电源是一种车载电源的新方案。超级电容是近年来新发展起来的一种储能元件，具有比功率高和充放电寿命长等优点，适合于作为短时间的功率输出源，可以在电动车辆起动、加速、爬坡时大功率放电，在车辆下坡制动时迅速吸收制动能量。同时也保护了蓄电池不受大电流的冲击而损坏1。1.2纯电动汽车发展历程简介 世界上第一辆纯电动汽车（Electrical Vehicle，简称 EV）问世于 1883 年，比内燃机汽车的诞生还要早，距今已有
8、一百多年的历史。但因早期电池的比能量、比功率及可靠性等方面问题较多，纯电动汽车的性能远不及内燃机汽车，电动汽车始终没有市场化。随着新技术的镍氢动力电池、锂离子动力电池及高效电力驱动系统等高新技术的发展应用，纯电动汽车在经历了多次起伏后，又迎来了新的发展机遇，近年来再次受到各国政府、企业及高校的重视。尤其是在美国、欧洲、日本等发达国家。 美国政府对电动汽车研究方面一直是大力支持，投入了大量的人力和财力。特斯拉（Tesla）公司和凤凰汽车（Phoenix Motorcars）公司分别推出了高性能的纯电动跑车和纯电动运动货车。加利福尼亚正准备建造电动汽车充电网络，一旦建成，电动汽车的使用将变得非常方
9、便和实用。解决了续航的问题，电动汽车不失为一种新的可靠的交通工具。出于对资源缺乏和环境问题的担忧，日本是目前纯电动汽车发展速度最快的国家之一。三菱公司的“i-MiEV”、日产汽车公司的“Leaf”纯电动汽车等先后研制成功并投放市场。2009 年到 2012 年在东京地区累计建设 1000 个充电站。在我国，近几年国家也开始大力支持电动汽车的研发，纯电动城市客车越来越普及，纯电动轿车也开始出现在马路上，我国的纯电动汽车产业正在进入高速发展的新阶段2。1.3电动汽车电源系统研究现状 国内的研究大多集中在燃料电池加超级电容上，不过蓄电池加超级电容方向也取得了不错的成果。在 2003 年，北京理工大学
10、和北方尼奥普兰客车合作研制的“BFC6110-EV”型纯电动旅游客车，率先通过整车型式认证试验；该车采用锂电池和超级电容的复合电源的组合方式，主要技术指标达到预定要求。 吉林大学将镍氢电池和超级电容组合，搭建了复合电源试验台架，并对复合电源的参数匹配理论以及控制策略进行了仿真研究。掌握了大量实验数据，为复合电源的开发奠定了基础。目前，吉林大学已完成复合电源仿真软件的编写和开发阶段的工作。 2010世博会上出现了一批新颖的电动汽车，锂电池加超级电容的复合电源系统为动力，超级电容和锂电池相结合，可以行驶200公里以上。国外对于电动汽车的研究比较早，取得了一些很好的成果，研究成果比较突出的有： 在美
11、国，Tobias Anderson 等人对装有镍氢电池和超级电容复合电源的电动车辆进行了部件参数匹配和仿真研究，并应用低通滤波的思想（Low Pass Filler Control）实现了复合电源中蓄电池和超级电容充放电电流的控制。在加拿大，Gregory Wight 等人对装载超级电容的电动车辆进行了低温环境和不同行驶工况下的实车道路试验。测试结果表明，超级电容的加入帮助蓄电池减轻工作负荷，同时超级电容快速回收制动能量的特性，使整车燃油经济性得到提高。 在意大利，菲亚特汽车公司应用铅酸蓄电池和超级电容组合驱动旗下Cinquecento Elctra 车型，性能测试结果显示，在完整 ECE 行
12、驶循环下该车型节能 14%，在市区和郊区行驶工况下分别节能 40%和 20%。 在日本，Chugoku 电力公司和丰田公司研发中心合作在马自达Bongo Friend车型上安装由阀控铅酸蓄电池和超级电容组成的复合电源，该复合电源使用402 的松下超级电容（1600F2.3V）。测试结果显示，用超级电容作为负载均衡装置使阀控铅酸电池可更好地运用于电动车辆电动车辆3。1.3.1复合电源电动汽车 由于超级电容的特性，在电动汽车的应用中通常都是以超级电容组的形式出现。图(b)所示为韩国的一款以超级电容器为辅助能源的并联型混合电动汽车,它所采用的电机是无刷直流电机,车空载质量为1200kg,其中,超级电
13、容器组质量为60kg,如图(a)所示。（a）超级电容器组 （b）并联型混合电动汽车 超级电容器组由35个超级电容器单元组成,超级电容器单元的个数主要由电气系统逆变器的功率所决定。其中,每个单元最高电压2.3v,最低电压1.25V,静态容量2700F,内阻lm几,则超级电容器组的电压范围为45一75v,总静态容量2700/35=77F,内阻为35mn,超级电容器组的总能量为250kJ,工作温度为一3085。超级电容器组可在电动汽车起动、加速时提供强大的动力,并能及时回收制动时反馈的能量。 图（a）所示的超级电容器组是由80个超级电容器单元和1个冷却系统组成的,其中超级电容器的功率密度和能量密度分
14、别达到了1400w/kg和3.gwh/kg,工作温度为一3065,超级电容器组的规格见表1。表1 超级电容器组规格体积/L36.8质量/kg34.3最高电压/V216最大功率/kw28能量/wh80单元数/个80 美国Maxen公司所开发的超级电容器已在各种类型电动车上都得到良好应用。本田公司在其开发出的第三代和第四代燃料电池电动车FCXv3和FCXV4中分别使用了自行开发研制的超级电容器来取代二次电池,减少了汽车的质量和体积,使系统效率增加,同时可在制动时回收能量,测试结果表明,使用超级电容器时燃料效率和加速性能均得到明显提高,起动时间由原来的10min缩短到105。此外,法国sAFT公司、
15、澳大利亚caPxx公司、韩国NES白公司等也都在加紧电动车用超级电容器的开发应用。 由Maxwell Technologies公司生产的Powe:Cache超级电容器,已由通用汽车公司Allison Transmission Division组成并联混合电源系统和串联电源系统用在卡车和轿车上。Alhs。n期望Maxwell超级电容有6年以上的使用寿命。跟相应的蓄电池组比起来,超级电容器贮能装置质量只有前者的1/3,体积只有前者的一半。ISE Research一Thunder Volt公司也将Power Cache超级电容器用于其新开发的重型混合电力推进系统Thundor P、ko该系统是由协叶
16、Maxwen的Pc2500超级电容器装到一个用风扇冷却的铝套内。单个贮能堆可以贮存或释放150kw的电力,双联体达到3ookw,完全满足了大塾汽车或卡车加速时的需求。第一个Thunder堆交给了拉斯维加斯的内华达大学做混合型动力车试验。将蓄电池与超级电容器组合起来,它们的优点可以互补,成为一个极佳的贮能系统。Maxwell公司和Exide公司正联合开发这一组合系统,用于卡车低温起动、中型和重型卡车、陆上和地下的军用车,它在大电流以及高低温条件下工作,都会有很长的寿命4。 在我国,北京有色金属研究总院、锦州电力电容器有限责任公司、北京科技大学、北京化工大学、北京理工大学、北京金正平公司、解放军防
17、化院、哈尔滨巨容公司、上海奥威公司等也在开展电动车用超级电容器的开发研究士作,国家“十五”计划,“863”电动汽车重大专项攻关中已将电动车用超级电容器的开发列人发展计划。 超级电容器的市场正在形成中,而且潜力较大,表2为2004年不同种类的汽车对超级电容器的需求情况。表2 2004年超级电容器机动车市场需求车类型车产量/辆超级电容器需求量/个价值/美元（）占有率/%重型卡车和大客车2770005250000157.405叉车11000004400000132.001平板车360000287500087.500轿车2000036000012.001.5中型客车1000030000010.001其
18、他300012000024.002总数177000013305000422.903.2 从表2中看出,超级电容器在机动车市场的占有率还非常低,有的市场还未启动,例如火车站、一飞机场、高尔夫球场等载人拉货的平板车,所以整个超级电容器市场处于成长阶段,潜力很大,据有关权威部门报道,在未来5年里,超级电容器的市场销售额将会达到20亿美元。 超级电容器是一种快速储能元件,随着对混合动力电动汽车和超级电容器的进一步研究和开发,在下一个研发循环中,超级电容器和其他储能源联合使用,是满足电动汽车性能和成本要求的一种出路。1.3.2以超级电容器为唯一能源的电动汽车研发情况 单纯用超级电容器来驱动电动汽车,这个
19、方法结构简单、实用、成本低,而且实现了车辆尾气的零排放。根据超级电容器的特点,以超级电容器为唯一能源的电动汽车适合用在短距离、线路固定的区域。例如火车站和飞机场的牵引车上;煤矿的采煤车、运输车上；学校和幼儿园的送餐车上；公园的游览车上；城市的电动自行车、电动公交车上。 尤其在城市市区运行的电动公交车,其运行线路在20km以内,运行中频繁起动、制动、加速、减速。运用超级电容器为能源的电动汽车,一次充电续驶里程可达20km,充电时间12min,在此领域将会有广阔的应用前景;而且超级电容器的低温特性优于蓄电池,尤其在气候寒冷地区是一个好的选择。电动公交车在终点停留时间长,通常停留时间约在1530mi
20、n。可以建立超级电容器电动公交车专线,在线路两端设立充电站,每台充电站可以同时给3一5辆超级电容器电动公家车充电,充电时间约在15一30min。 由黑龙江省科委组织,哈尔滨工业大学和巨龙集团研制的超级电容电动公交客车,可容纳50名乘客,最高速度20km/h;采用直流变励磁控制的电机系统,额定功率60kw,峰值功率90kw;电容组中电容数600个,最大工作电压320v,最小工作电压160V,;电容总质量1.8T,总充电时间12min。1.3.3以超级电容器为唯一能源的电动汽车的特点及存在的问题 以超级电容器为唯一能源的电动公交客车有其独特的性能: (1)充电时间短,超级电容车一次充电时一间只需要
21、12一15min; (2)循环使用寿命长,其充电循环次数可达50万次: (3)适用温度范围宽,可以在低温条件下使用,温度范围为一4050,超级电容车尤其适合在我国北方寒冷地区使用; (4)能量回收效率高,在需要频繁制动的城市交通条件下,其能量回收率可达70%; (5)续驶里程短,超级电容器比能量低,导致超级电容电动公交车续驶里程较短,一般为20-30km。 超级电容器电动公交车续驶里程短,跑不远,但充电速度快,可以弥补续驶里程短的缺陷。补救的方法是在城市交通线路的两端建立充电站5。2.超级电容器的原理及结构2.2超级电容器结构根据电化学电容器储存电能的机理的不同，可以将它分为双电层电容器，(E
22、DLC）和赝电容器（Pesudo capaeitor）。碳基材料超级电容器能量储存的机理主要是靠碳表面附近形成的双电层，因此通常称为双电层电容；而金属氧化物和导电聚合物主要靠氧化还原反应产生的赝电容。双电层电容器的基本原理是利用电极和电解质之间形成的界面双电层来存储能量的一种新型电子元件。当电极和电解液接触时，由于库仑力、分子间力或者原子间力的作用，使固液界面出现稳定的、符号相反的两层电荷，称为界面双电层。双电层电容的大小与电极电位和表面积的大小有关。双电层电容器电极通常由具有高比表面积的多孔碳材料组成。碳材料具有优良的导热和导电性能，其密度低，抗化学腐蚀性能好，热膨胀系数小，可以通过不同方法
23、制得粉末、颗粒、块状、纤维、布、毡等多种形态。赝电容是在电极表面或者体相的二维或准二维空间上，电活性物资进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附脱附或氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。由于赝电容不仅发生在表面，而且可以深入内部，因而可获得比双电层电容更高的电容量和能量密度。相同电极面积下，赝电容可以是双电层电容量的 10100倍。目前赝电容电极材料主要为一些金属氧化物和导电聚合物。 图一为超级电容器的模型，超级电容器中，多孔化电极采用活性炭粉和活性炭纤维，电解液采用有机电解质，如丙烯碳酸脂（propylene carbonate）或高氯酸四乙氨（tetraetry lanmmonium
24、 perchlorate）。工作时，在可极化电极和电解质溶液之间界面上形成的双电层中聚集的电容量c由下式确定： 其中是电解质的介电常数，是由电极界面到离子中心的距离，s是电极界面的表面面积。图1超级电容器结构框图 由图（1）中可见，其多孔化电极是使用多孔性的活性碳，活性炭有极大的表面积在电解液中吸附着电荷，因而将具有极大的电容量并可以存储很大的静电能量，超级电容器的这一特性是介于传统的电容器与电池之间。尽管这能量密度是5%或是更少，但是这能量的储存方式，也可以应用在传统电池不足之处与短时高峰值电流之中。与传统电容器、电池的区别：电化学电容器和电池的运行机理从原理上就不同。对于双电层型超级电容器
25、，电荷存储是非法拉第过程，即理想的没有发生通过电极界面的电子迁移，电荷和能量的存储是静电性的。而对电池而言，实质上发生了法拉第过程，即发生了穿过双层的电子迁移，结果是发生了氧化态的变化和电活性材料化学性质的变化。总的来说，电荷存储过程有如下重要的区别： 对于非法拉第过程，电荷的聚集靠静电方式完成，正电荷和负电荷居于两个分开的界面上。中间为真空或分子绝缘体，如双层、电解电容中的云母膜、空气层或氧化物膜。对于法拉第过程，电荷的存储靠电子迁移完成，电活性材料发生了化学变化或氧化态变化，这些变化遵守法拉第定律并与电极电势有关在某种情况下就能产生准电容。这种能量的存储是间接的。图2超级电容器与传统电容器
26、区别 在对比能量和功率两个性能参数上超级电容器位于电池和传统电容之间，循环寿命和充放电效率都远远高于电池。由于使用寿命长通常都超过了使用其设备的寿命，所以，超级电容器终身无需维护，加之使用完后，对环境要求宽松，无污染，因而又称其为绿色能源。超级电容器车用贮电装置的优点是超级电容器是绿色能源不会污染环境，普通化学电池对环境有2次污染。 充电迅速，使用便捷。超级电容可以在数十秒到数分钟内快速充电，而蓄电池在如此短的时间内充满电将是极危险的或是几乎不可能的。电池、超级电容和传统电容都能储存电能，但是它们储存电能的原理不同。电池是电能和化学能的能量转换装置，通常称为化学电源；而超级电容(edlc)和传
27、统电容是物理电源，它们储存电能是靠静电引力作用来实现的。超级电容(edlc)是在高度多孔状电极与束缚态电解质的接触表面所特定的双电层来实现储能的，传统电容通常是通过平板电极所带相异电荷来实现储能。因此，超级电容储存的能量是同规格普通铝电容的2000倍，是铅酸电池比功率的10倍。功率密度高（1OOOIO000WKg）；化学电池功率密度低（300WKg）。超级电容器彻底免维护，工作温度范围宽(一40+70)，容量变化小；铅酸电池电动车在一0时，续驶里程减少90，而超级电容器只减少10。相对成本低，超级电容器的价格比铅酸电池高一倍，但由于超级电容器的寿命比化学电池高10100倍，所以超级电容器电动车
28、的综合运营成本大大低于化学电池。2.2工作原理及超级电容器储能系统 超级电容器是利用双电层原理的电容器，原理示意图如图3。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），如电容器两端电压超
29、过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。由于随着超级电容器放电 ，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷响应减少。由此可以看出：超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。超级电容器储能系统的原理框图如图4所示。 图3双电层电容原理 图4超级电容器储能系统原理图2.3超级电容器的主要特点 由于超级电容器的结构及工作原理使其具有如下特点： 图5超级电容器结构框图 .电容量大，超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极，与电解液接触的面积大大增加，根据电容量的计算公式，那么两极板的表面积越大，则电容量越
30、大。因此，一般双电层电容器容量很容易超过1F，它的出现使普通电容器的容量范围骤然跃升了3至4个数量级，目前单体超级电容器的最大电容量可达5000F。 .充放电寿命很长，可达500 000次，或90 000小时，而蓄电池的充放电寿命很难超过1 000次。 .可以提供很高的放电电流（如2700F的超级电容器额定放电电流不低于950A，放电峰值电流可达1680A，一般蓄电池通常不能有如此高的放电电流一些高放电电流的蓄电池在如此高的放电电流下的使用寿命将大大缩短。 .可以数十秒到书分钟内快速充电，而蓄电池再如此短的时间内充满电将是极危险的或几乎不可能。.可以在很宽的度范围内正常工作（-40至70）而蓄
31、电池很难在高特别是低环境下工作。.超级电容器用的材料是安全的和无毒的，而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池均具有毒性。 .等效串联电阻ESR相对常规电容器大（10F/2.5V的ESR为110m）。 .可以任意并联使用来增加电容量，如采取均压后，还可以串联使用6。2.4超级电容器的参数特性(1)额定容量 单位：法拉（F），测试条件：规定的恒定电流（如1000F以上的超级电容器规定的充电电流为100A，200F以下的为3A）充电到额定电压后保持23分钟，在规定的恒定电流放电条件下放电到端电压为零所需的时间与电流的乘积再除以额定电压值，即： 由于等效串联电阻（ESR）比普通电容器大，因而充放电时ESR产生的电压
32、降不可忽略，如: 2.7V/5 000F超级电容器的ESR为：0.4m，在100A电流放电时的ESR电压降为40mV占额定电压的1.5%，在950A电流放电时的ESR电压降为380mV占额定电压的14%，表明在额定电流下放电量将为额定容量减小88.5%，这一特性将在图7中看到。(2)额定电压可以使用的最高安全端电压（如2.3V、2.5V、2.7V以及不久将来的3V），除此之外还有承受浪涌电压电压（可以短时承受的端电压，通常为额定电压的105%），实际上超级电容器的击穿电压远高于额定电压（约为额定电压的1.53倍左右，与普通电容器的额定电压/击穿电压比值差不多）。图7 2.7v/2700F超级电
33、容器入电特性曲线图8超级电容器阻抗频率特性(3)额定电流5秒内放电到额定电压一半的电流，除此之外还有最大电流（脉冲峰值电流）(4)最大存储能量在额定电压是放电到零所释放的能量，以焦耳（J）或瓦时（Wh）为单位(5)能量密度最大存储能量除以超级电容器的重量或体积（Wh/kg或Wh/l）(6)功率密度在匹配的负载下，超级电容器产生电/热效应各半时的放电功率，用kW/kg或kW/l表示。(7)等效串联电阻测试条件：规定的恒定电流（如1 000F以上的超级电容器规定的充电电流为100A，200F以下的为3A）和规定的频率（DC和大容量的100Hz或小容量的KHz）下的等效串联电阻。通常交流ESR比直流
34、ESR小，随温度上升而减小。超级电容器等效串联电阻较大的原因是：为充分增加电极面积，电极为多孔化活性炭，由于多孔化活性炭电阻率明显大于金属，从而使超级电容器的ESR较其它电容器的大。(8) 阻抗频率特性 超级电容器的阻抗频率特性如图7，相对较大的是ESR造成平坦底部的原因，超级电容器的频率特性是电容器中频率特性最差的。其原因是：一般电容器的电荷是导体中的以电子导电方式建立或泄放，而超级电容器的电荷的建立或泄放是以介质中的离子或介质电离极化实现，响应速度相对慢；大容量电容器在制造时均采用卷绕工艺，寄生电感相对无感电容器大。(9)工作与存储温度通常为-40到+60或70，存储温度还可以高一些。(1
35、0)漏电流一般为10A/F(11)寿命在25环境温度下的寿命通常在90 000小时，在60的环境温度下为4 000小时，与铝电解电容器的温度寿命关系相似。寿命随环境温度缩短的原因是电解液的蒸发损失随温度上升。寿命终了的标准为：电容量低于额定容量20%，ESR增大到额定值的1.5倍。(12)循环寿命20秒充电到额定电压，恒压充电10秒，10秒放电到额定电压的一半，间歇时间：10秒为一个循环。一般可达500000次。寿命终了的标准为：电容量低于额定容量20%，ESR增大到额定值的1.5倍。图9额定温度下纹波电流与寿命的关系图10不同环境温度下纹波电流与寿命的关系(13)发热 超级电容器通过纹波电流
36、（充、放电）时，回发热，其发热量将随着纹波电流的增加而增加。超级电容器发热的原因是纹波电流流过超级电容器的等效串联电阻（ESR）产生的功率（能量）损耗转变为热能。由于超级电容器的（ESR）较大，因此在同样纹波电流条件下发热量比一般电容器大。使用时应注意7。3.DC/DC 转换器的工作原理及特性 复合电源系统中，DC/DC 变换器是复合电源系统能量管理的关键部件。由于超级电容和蓄电池充放电特性不同，超级电容的工作电压变化较大，需要DC/DC 变换器与蓄电池连接，保证蓄电池和超级电容能够在电压不同的情况下，可以有效的进行能量流动，从而最大限度的发挥复合电源的优势。3.1元器件及选择3.1.1半导体
37、及电力器件的选择 晶闸管又叫可控硅，由四层半导体材料组成的，有三个PN结，对外有三个电极：第一层P型半导体引出的电极叫阳极A，第三层P型半导体引出的电极叫控制极G，第四层N型半导体引出的电极叫阴极K。它和二极管一样是一种单方向导电的器件，关键是多了一个控制极G，这就使它具有与二极管完全不同的工作特性。功率场效应管(MOSFET)由于单极性多子导电，有高的开关速度，但同时也有较大的寄生电容。它关断时，在外电压作用下其寄生电容充满电，如果在它开通之前不将这部分电荷放掉，则将消耗于器件内部，这就是容性开通损耗。为了减小以致消除这种损耗，功率场效应管宜采用零电压开通方式(ZVS)。在低输入电压时，MO
38、S管中的导通损耗快速增加的一个很重要的原因就是导通设备的电阻特性，使得导通损耗正比于输入电流的平方。而IGBT呈现的近乎是一个恒压降，而且它的导通损耗是线性地正比于输入电流的。这使得在大电流场合时常用IGBT来代替MOS管。IGBT最大的不足在于集电极存在电流拖尾现象，使得它的关断时间很长。这增加了开关的关断损耗，也限制了最大开关频率。为了使得整体的效率比较高，因此IGBT最好在ZCS状态下关断。 变压器是电力电子产品或开关电源中重要的、必不可少的部件，平面变压器是近几年才面世的一种全新产品，其突出优点是能量密度高。因而体积大大缩小，相当于常规变压器的20%；效率高，通常为97%99%；工作频
39、率高，从50kHz到 2MHz；低漏感、低电磁干扰等。3.1.2控制方法 非谐振型DC-DC变换器的控制方式可以分为：脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)、PWM和PFM混合调制三类。其中常用的传统控制方式是恒频脉冲宽度调制。 PWM型DC-DC变换器通常需要对被控输出变量采用闭环控制，以使变换器对输入电压变化或输出负载电流变化能及时调节，并具有期望的动态响应。传统的常采用电压型控制，电压型控制只对输出电压采样，并作为反馈信号实现闭环控制，以稳定输出电压。但仅采用采样输出电压的办法，其响应速度慢，稳定性差，需要额外的电路来控制输出电流，甚至在大信号扰动时会产生振荡，从而损坏功率器件8
40、。 电流型控制方法正是针对电压型控制的缺点发展起来的。它增加了电流反馈环，电感电流不再是一个独立变量，从而使开关变换器成为一个一阶无条件的稳定系统，它只有单个极点和相位滞后，因而很容易不受约束地得到大的开环增益和完善的小信号、大信号特性。3.1.3软开关技术 所谓硬开关技术，是指开关管上的电压(或电流)不为零时，强迫开关管开启(或关断)，这时开关管电压下降(或上升)和电流下降(或上升)有一个交叠过程，从而导致管子在开关过程中产生开关损耗，而且这种开关损耗与开关频率成正比。集成化、小型化和高频化的发展迎来了软开关技术开关管在开启或关断的过程中，其电压或电流为零，从而使开关过程中管子的损耗接近于零
41、。软开关技术的实质是在硬开关上增加电感与电容构成谐振电路。在开关换流时，利用电感与电流的谐振迫使开关上的电流或电压下降为零。软开关方式可划分为ZVS工作方式和ZCS工作方式。ZVS工作方式是指利用谐振现象及有关器件的箝位作用，在变换器中开关管电压在开启或关断过程中维持为零。ZCS工作方式是指利用谐振现象及有关器件的限流作用，在变换器中开关管电流在开启或关断过程中维持为零。前者又称为零电压开启，后者称为零电流关断。直流开关电源的软开关技术一般可分为：全谐振型变换器、准谐振变换器和多谐振变换器、零开关PWM变换器、零转换PWM变换器。3.2 基本的直流变换器 把直流电压降低为另一数值的直流电压，最
42、简单的办法是串联一个电阻，这样不涉及变频的问题，显得很简单，但是效率低。用一个半导体功率器件作为开关，使带有滤波器的负载线路与直流电压一会接通，一会断开，则负载上也得到另一个直流电压，这就是DC/DC变换器的基本手段，类似于“斩波”作用。所以，DC/DC变换器，亦称为直流斩波器，将一种幅值的直流电压变换成另一幅值固定或大小可调的直流电压的过程称为直流-直流电压变换。它的基本原理是通过对电力电子器件的通断控制，将直流电压断续地加到负载上，通过改变占空比D来改变输出电压的平均值。DC/DC可分成PWM式、谐振式和它们的结合式。每一种方式中从输入与输出之间是否有变压器分为隔离与无隔离两类。非隔离型中
43、有六种拓扑:Buck降压、Boost升压、Buck-Boost升降压、Cuk、Sepie和Zeta变换器。隔离型包括正激、反激、推挽、半桥、全桥型变换器。下面就两类中分别介绍几种基本的变换器8】。3.2.1 非隔离型变换器 1.Buck降压变换器 图3-1中，Buck为降压变换器。当开关管S开通时，Ui通过S与L向电容C和负载R充电；当开关管关断时，电感L续流，逐渐降低，电容的电流将由正逐渐降为零，并变为负向，向负载充电。直到开关管开通，电感L中的电流增加。图3- 1 Buck变换器拓扑 2.Boost升压变换器图2-2中，Boost为升压变换器。当开关管开通时，Ui通过L与S向电容C向R充电
44、，电感L中的电流增加；当开关管关断时，Ui与L同时向负载R与电容C充电，电感L与D中的电流由最大值减小，如果减到零值，则为电流断续工作方式，减到某一正值后上升，则为电流连续工作方式。图3- 2 Boost变换器拓扑3.2.2 隔离型变换器 1.半桥电路 如图2-3，半桥电路可以做为单相逆变器或直流变换器主电路拓扑。半桥电路相对于单端正激电路而言，开关管电压应力减小为输入电压Ui，变压器磁芯利用率提高了一倍。但是，半桥电路的缺点是：Cl，C2电容电压不对称可能引起变压器偏磁。图3- 3半桥电路 2.全桥电路图2-4，全桥电路的优点:(a) 主功率管电压应力较小，为输入电压； (b)相同的功率等级
45、流过功率管的电流是半桥电路的一半； (c)变压器磁芯利用率高。缺点:(a) 开关管的压降或驱动脉冲的不对称，会引起变压器铁心的偏磁；(b)相当于两个功率管串联使用，导通损耗大；(c)存在功率管直通问题。总之，全桥电路比较适用于高压输入的大功率场合9。图3- 4全桥电路4.电动汽车中的超级电容的建模和仿真4.1仿真软件的简介 电力电子技术领域中，用于电路分析和仿真的软件有Pspice、Multisim Matlab/Simulink、EWB、Protel、ORCAD、proteus等，下面就常用的Pspice、Multisim Matlab/Simulink这三种仿真软件进行介绍。 4.1.1
46、Pspice建模Pspice是一种功能强大的模拟电路和数字电路混合仿真软件。它可以进行各种各样的电路仿真、激励建立、温度与噪声分析、波形输出、数据输出，并在同一个窗口内同时显示模拟与数字的仿真结果。无论对哪种器件哪些电路进行仿真，包括绝缘栅双极晶体管、脉宽调制电路、模/数转换、数/模转换等，都可以得到精确的仿真结果，另外还可以自己编辑元器件。4.1.2 Multisim建模 Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。Multisim可以实现计算机仿真设计与虚拟实验，与传统的电子电路设计与试验方法相比，具有如下特点：设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便；设计和实验用的元器件与测试仪器仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验；可方便地对电路参数测试和分析；实验不消耗实际的电器件，实验所需的电器件的种类和数量不受限制，实验成本低，实验速度快，效率高；设计和实验成功的电路可以直接在产品中使用。 4.1.3.Matlab/Simulink建模 Matlab是国际上流
