Yüksek Güçlü Süper Kapasitör için Akıllı Şarj Cihazı Tasarımı
Deng Ying, Wang Linfeng, Jiang Meng
(Mühendislik ve Teknoloji Okulu, Southwest Üniversitesi, Chongqing 400716)
Yüksek güçlü süperkapasitörlerin şarj özelliklerini ve gereksinimlerini hedefleyen, üç fazlı AC girişli yüksek güçlü bir akıllı şarj cihazı, yüksek frekanslı anahtarlamalı güç kaynağı teknolojisi kullanılarak tasarlanmıştır. Tam köprü dönüştürücü, ana devrenin ana topolojisi olarak kullanılır, IGBT'ye özel sürücü çipi tarafından tahrik edilir ve ön ve arka köprü kolları yumuşak anahtarlama teknolojisi ile kontrol edilir.Aynı zamanda düşük gerilim, aşırı akım, aşırı ısınma, kısa devre, aşırı gerilim, eşit koruma devrelerinin olmaması ve CAN tasarlanır. Şarj sistemi arızası kendi kendine teşhis işlevi, şarj işlemi ve pil durumu parametre saklama, yükleme ekranı, geçmiş veri sorgusu ve diğer işlevler ile iletişim arayüzü, akıllı şarj ve otomatik yönetimi gerçekleştirir; deneyler, şarj cihazının şarj kararlılığını ve doğruluğunu farklı çalışma modlarında test etti Farklı çıkış güçleri altında şarj verimliliği, şarj cihazının kararlı ve güvenilir olduğunu ve şarj verimliliğinin yüksek olduğunu gösterir, bu da şarj ekipmanı için süper kapasitörlerin gereksinimlerini karşılar.
Süper kapasitör; yüksek güç; akıllı şarj
TN60
Belge tanımlama kodu: Bir
10.16157 / j.issn.0258-7998.2016.12.033
Çince alıntı biçimi: Deng Ying, Wang Linfeng, Jiang Meng. Yüksek güçlü süper kapasitör akıllı şarj cihazının tasarımı. Elektronik teknoloji uygulaması, 2016, 42 (12): 126-129.
İngilizce alıntı biçimi: Deng Ying, Wang Linfeng, Jiang Meng. Yüksek güçlü süperkapasitörler için akıllı şarj cihazı tasarımı Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2016, 42 (12): 126-129.
0 Önsöz
Süperkapasitörler, yüksek güç yoğunluğu ve birçok şarj ve deşarj döngüsüne sahip, bakım gerektirmeyen yeşil enerji depolama bileşenleridir.Kısa sürede yüksek akımla şarj edilip deşarj edilebilirler.Son yıllarda kademeli olarak elektrikli araçlarda, şehir içi raylı sistemlerde ve diğer alanlarda kullanılmaktadır. Süper kapasitörlerin uygulaması üzerine şarj etme ve boşaltma özellikleri, şarj verimliliği, şarj sistemleri vb. Dahil olmak üzere birçok araştırma yapılmasına rağmen, yüksek güçlü uygulamalarda kullanılan süper kapasitör şarj cihazlarına adanmış hala birkaç literatür vardır. Yüksek güçlü anahtarlamalı güç kaynağı çalışırken, yüksek frekanslı ve yüksek akım anahtarlama durumu, yalnızca güç şebekesini kirletmekle kalmayıp aynı zamanda kontrol devresinin kararlı çalışmasını da etkileyen ciddi elektromanyetik parazitlere neden olacaktır; ve yüksek güç çıkışı olduğunda, anahtarlama kaybı ciddidir ve güç azalır. Verimlilik düşer.
Bu makale, giriş güç kaynağı olarak üç fazlı alternatif akım kullanan, anahtarlamalı güç kaynağına dayalı bir yüksek güçlü süper kapasitörlü akıllı şarj cihazı tasarlar, şarj cihazının maksimum çıkış gücü 20 kW'dır ve maksimum şarj akımı 200 A'dır. Enerji depolama bileşenleri olarak süper kapasitörler kullanmak için uygundur. Kampüs elektrikli araçlar, şehir turu tur araçları ve diğer şarjlar.
1 Şarj cihazı donanım yapısı ve çalışma prensibi
1.1 Şarj cihazının donanım yapısı
Süper kapasitör şarj cihazının donanım yapısı Şekil 1'de gösterilmiştir. Sistem bir ana devre ve bir kontrol devresinden oluşmaktadır. Ana devre esas olarak bir yardımcı güç kaynağı modülü, bir röle kontrol modülü ve bir ana şarj güç kaynağı modülünden oluşur. Şarj cihazının kontrol devresi temelde tam bir makine kontrol modülü, bir sistem koruma kontrol modülü, bir sürücü kontrol modülü, bir veri toplama modülü, bir insan-bilgisayar etkileşimi kontrol modülü ve bir CAN iletişim modülünden oluşur. Tüm makinenin kontrol modülü, şarj sisteminin kontrol merkezidir, kontrolör olarak CAN arayüzlü PIC18F458'i benimser ve her bir modülün çalışmasını kontrol ederek ve kontrol ederek şarj bilgisi toplama, şarj durumu izleme ve arıza tespiti işlevlerini tamamlar.
1.2 Şarj cihazının çalışma prensibi
Şarj cihazı açıldıktan sonra, yardımcı güç modülü, şarj cihazını bekleme durumuna getirmek için çalışır. Sistemin kendi kendine kontrolü normal olduktan sonra, önce süper kapasitörün pil durumunu CAN iletişimi aracılığıyla şarj etmeden önce okuyun ve ardından sabit akım şarjı, sabit akımdan sabit voltaj şarjına ve sabit güç şarjına kadar pil kapasitesi, çevresel durum vb. Göre makul şarj modunu belirleyin. Ardından röle kontrol modülü çalışır ve ana şarj güç kaynağı modülü, sürücü kontrol modülünün sürücüsü altındaki süper kapasitörünü şarj eder. Veri toplama modülü, şarj ederken voltaj, akım, sıcaklık vb. Toplar ve bunu geri besleme kontrolü için kullanır. Aynı zamanda arıza tespit edilir ve arıza kendi kendine teşhis işlevi gerçekleştirilir.Aşırı gerilim, aşırı gerilim, aşırı akım, kısa devre, aşırı ısınma, faz arızalarının olmaması durumunda, şarj cihazı, şarj akımını azaltmak için sürüş darbe sinyalini ayarlar veya gücü kesmek için doğrudan röleyi kontrol eder. İnsan-bilgisayar etkileşim modülü, şarj modu, şarj akımı, şarj voltajı, arızanın nedeni, şarj süresi vb. Dahil olmak üzere şarj durumunu gösterir. Şarj cihazı, şarj bitene kadar pil durumunu döngüsel olarak okur.
2 Ana şarj güç kaynağı ve sürücü kontrol tasarımı
2.1 Ana şarj güç modülü
Ana şarj güç modülü yapısı Şekil 2'de gösterilmektedir. 380 V üç fazlı AC güç girildikten sonra, EMI filtreleme, üç fazlı köprü doğrultma ve LC filtreleme yoluyla ve ardından IGBT inverter devresi, yüksek frekans transformatörü, doğrultucu devresi ve filtre devresinden oluşan tam bir köprü dönüştürücü aracılığıyla daha yumuşak bir DC voltajı elde edilir. , Ve son olarak süper kapasitör çıkışı.
2.2 Tam köprü dönüştürücü ve sürücü kontrolü
Tam köprü dönüştürücü ve sürücü devresi Şekil 3'te gösterilmektedir. Elektromanyetik paraziti azaltmak için bir yandan giriş tarafına EMI filtreleme, diğer yandan sıfır akım ve sıfır gerilim (ZVZCS) çalışması elde etmek için konvertörün ikincil tarafına pasif bir kıskaç devresi eklenmiştir. Aynı zamanda, bu basit pasif kenetleme yardımcı devresini kullanmak, doğrultucu diyotun tepe voltajını baskılayabilir, bu nedenle bir tampon devresi eklemeye gerek kalmaz. Sürücü kontrol modülü, aşırı akım ve düşük voltaj koruma işlevlerine sahip IGBT'ye özel sürücü çipi IR2233'ü kullanır ve sınırlı bipolar kontrolü benimser.Kontrolör, önde gelen köprü kolunu kontrol etmek için PWM çıkarır ve sabit bir darbe genişliği ve yarım döngü tamamlayıcı sürücü sinyal kontrolü çıkarır Sarkan köprü kolu. Öncü köprü kolu, paralel kapasitörler ve diyotlar aracılığıyla sıfır voltaj anahtarlaması sağlar ve gecikmeli köprü kolu, transformatör birincil kaçak endüktansı, kelepçeleme kapasitörleri ve diyotlar aracılığıyla sıfır akım anahtarlaması sağlar.
3 Koruma devresi tasarımı
3.1 Faz koruma tasarımının olmaması
Faz koruma devresinin olmaması Şekil 4'te gösterilmektedir. Bir doğrultucu diyot, bir fotosel ve bir AND geçit çipinden oluşur.Normal şartlar altında, AND geçidi çıkışı her zaman yüksektir.Bir fazda bir sorun olduğunda, AND geçidi aşağı çekilecek ve kontrolörde faz algılama pini bulunmayacaktır. RE1 faz arızasını teşhis ettikten sonra röleyi kesecek ve insan-bilgisayar etkileşim modülü faz arızasını ve alarmı gösterecektir.
3.2 Aşırı akım koruma tasarımı
Aşırı akım korumasının, her ikisi de akımı algılayarak korunan, IGBT aşırı akım koruması ve şarj cihazı çıkışı aşırı akım koruması dahil olmak üzere çift koruma işlevi vardır. IGBT sürücüsü IC IR2233'ün kendi IGBT aşırı akım koruma işlevi vardır.Şekil 3'te gösterildiği gibi, ITRIP pini aşırı akım sinyal giriş terminalidir ve pin, hata çıkış terminalidir.ITRIP pini aşırı akım sinyalini algıladığında, IR2233 sürücü çıkışını kapatır , Kontrolör, pim üzerinden bir aşırı akım arızasının oluştuğuna karar verir.
Şarj cihazı, şarj cihazının çıkış akımını toplamak için bir Hall akım sensörü kullanır Çıkış akımının maksimum şarj akımının% 5'inden (210 A) fazla olduğu tespit edildiğinde, çıkışta bir aşırı akım arızası oluştuğunu gösterir. Denetleyici aşırı akım hatasını teşhis ettikten sonra, aşırı akım hatasını insan-bilgisayar etkileşim modülü aracılığıyla görüntüler ve ardından şarj akımını azaltmak için IGBT sürücü kontrol sinyalini ayarlar.
3.3 Kısa devre koruma tasarımı
Şarj cihazının çıkış tarafındaki kısa devre koruma devresi, sıfır geçişli bir karşılaştırıcı ve bir AND geçit çipinden oluşan Şekil 5'te gösterilmektedir ve AND geçit çıkış terminali röle kontrol pimine bağlanmıştır. Normal çalışma sırasında, AND geçidi yüksek bir seviye çıkarır ve röle devreye bağlanır; Kısa devre hatası oluştuğunda, AND geçidi hemen düşük bir seviye çıkarır ve röle hemen çalışmayı durdurur. Röle çalışmadığında, denetleyici RA5'in yüksek olduğunu algılarsa, insan-bilgisayar etkileşim modülü bir kısa devre hatası görüntüler.
3.4 Düşük gerilim ve aşırı gerilim koruma tasarımı
Şarj cihazının giriş tarafındaki voltaj algılama devresi, şarj cihazının giriş tarafındaki voltajı toplamak için bir optokuplör kullanılarak Şekil 6'da gösterilmektedir.Giriş voltajının 486 V ila 590 V normal aralığı aştığı tespit edilirse, kontrolör IGBT'yi çalıştırmayı durdurur ve insan-bilgisayar etkileşim modülü bir alarm verir. Düşük gerilim veya aşırı gerilim hatasını gösterir.
3.5 Aşırı ısınmaya karşı koruma tasarımı
Aşırı ısınma koruması, IGBT aşırı ısınma koruması ve süper kapasitör aşırı ısınma korumasını içerir. Veri toplama modülü, sıcaklık alanını sıcaklık sensörü aracılığıyla toplar ve tüm makinenin kontrol modülü ile CAN aracılığıyla iletişim kurar.Kontrolör, IGBT'nin veya süper kapasitörün aşırı ısındığını tespit ederse, şarj akımını azaltır ve insan-bilgisayar etkileşim modülü bir aşırı ısınma hatası görüntüler.
4 Kontrol sistemi yazılım tasarımı
4.1 Kontrol sistemi ana program tasarımı
Süper kapasitör şarj cihazının ana program akış şeması Şekil 7'de gösterilmektedir. Sistem açıldıktan sonra, ilk olarak başlatma ve sistemin kendi kendine kontrolünü gerçekleştirir.Hatanın olmadığını tespit ettikten sonra, CAN alt yordamı, hata öz tanı alt yordamı, şarj alt yordamı ve ekran alt yordamı dahil olmak üzere ilgili alt yordamlar sırayla çağrılır. Sistem, pil durumunu şarj etmeden önce ve sonra algılayacak ve saklayacaktır; bu, kullanıcıların geçmiş verileri sorgulaması için uygundur.
4.2 Arıza kendi kendine teşhis alt programı
Şarj cihazı arızasının kendi kendine teşhis alt yordamı Şekil 8'de gösterilmektedir. Şarj cihazının kendi kendine arıza teşhisi işlevi vardır.Bir arıza meydana geldiğinde, sistem otomatik olarak yanıt verir ve insan-bilgisayar etkileşim modülü arızanın nedenini görüntüler ve bir alarm verir.
5 deney
5.1 Şarj cihazı kararlılık testi
Şarj cihazının kararlılığını doğrulamak için deney, şarj cihazının sabit akım çıkışı, sabit voltaj çıkışı ve sabit güç çıkışının kararlılık doğruluğunu test etti. Süper kapasitör yüksek akımla şarj edildiğinden, şarj süresi kısadır ve enerji tüketimi yüksektir, bu nedenle bu deney yük olarak bir direnç kutusu kullanır ve şarj cihazının 30 dakika boyunca kararlı doğruluğunu ölçmek için yüksek hassasiyetli bir voltmetre ve ampermetre kullanır. Deney, şarj cihazı 180 A sabit akım çalışmasına ayarlandığında gerçek çıkış akımını, 80 V sabit voltaj çalışmasında gerçek çıkış voltajını ve 10 kW sabit güç çalışmasında gerçek çıkış gücünü ölçmüş ve kaydetmiştir. Sabit akım doğruluğu, Voltaj regülasyon doğruluğu ve sabit güç doğruluğu Şekil 9'da gösterilmektedir. Şarj cihazının sabit akım çıkışı, sabit voltaj çıkışı veya sabit güç çıkışı olduğunda, şarj cihazının kararlılık doğruluğunun% 0,45 civarında dalgalandığı şekilden görülebilmektedir.
5.2 Şarj cihazı şarj verimliliği testi
Şarj cihazının verimliliğini doğrulamak için, şarj cihazının farklı çıkış güçlerinde çalışma verimini ölçmek için üç fazlı bir güç ölçer kullanılmıştır Şarj cihazının verimlilik eğrisi Şekil 10'da gösterilmiştir. Şarj cihazının çıkış gücü 5 kW olduğunda şarj veriminin en yüksek, şarj verimliliğinin% 92,4 ve şarj cihazının minimum şarj veriminin% 90,4 olduğu şekilden görülmektedir.
6. Sonuç
Yüksek güçlü uygulamalarda kullanılan süper kapasitörlerin şarj gereksinimlerini karşılamak için, kendi kendine arıza teşhis işlevine sahip bir ZVZCS yüksek güçlü süper kapasitör şarj cihazı tasarlanmıştır, maksimum çıkış gücü 20 kW'a ulaşabilir ve maksimum şarj akımı 200 A'ya ulaşabilir. Deneyler, şarj cihazının stabilite doğruluğunu ve şarj verimliliğini test etmiştir.Sonuçlar, şarj cihazının sabit akım çıkışında, sabit voltaj çıkışında veya sabit güç çıkışındayken şarj cihazının stabilite doğruluğunun% 0,5'den az olduğunu göstermektedir, bu da şarj cihazının kararlı olduğunu ve elektromanyetik girişimden etkilendiğini göstermektedir. Küçük; maksimum çıkış gücü aralığında çalışırken şarj verimliliğinin% 90'ı aşması, şarj cihazının düşük anahtarlama kaybına ve yüksek şarj verimliliğine sahip olduğunu gösterir. Şarj cihazı, ekipmanı şarj etmek için süper kapasitörlerin gereksinimlerini karşılar.
Referanslar
Xu Aiguo, Xie Shaojun, Yao Yuan, vb. Süper kapasitörlere dayalı şehir içi raylı ulaşım aracı rejeneratif frenleme enerjisi soğurma sistemi Journal of Electrotechnical Technology, 2010, 25 (3): 117-123.
Cao Binggang, Cao Jianbo, Li Junwei, ve diğerleri.Elektrikli araçlarda süper kapasitörlerin uygulaması üzerine araştırma.Xi'an Jiaotong Üniversitesi Dergisi, 2008, 42 (11): 1317-1322.
Li Hong.Yüksek frekanslı anahtarlama güç kaynaklarının geliştirilmesinin analizi Elektrik Uygulaması, 2011 (4): 50-54.
Lu Li, Zou Yunping, Chen Wei Alçak Gerilim ve Yüksek Akım DC Anahtarlamalı Güç Kaynağının EMC Tasarımı Araştırması İletişim Güç Teknolojisi, 2007, 24 (3): 37-39.
Meng Yanjing, Zhang Shangzhou, Chen Jingwen ve diğerleri Şarj yöntemlerinin süper kapasitörlerin enerji verimliliği üzerindeki etkisi. Elektronik Cihazlar, 2014, 37 (1): 13-16.
Wang Xianquan, Zheng Zhonghua.Süper kapasitörlerin şarj ve deşarj karakteristikleri üzerine araştırma Gemi Elektrik Teknolojisi, 2011, 31 (4): 55-56.
Zhang Tiecheng, Wang Hongjia, Zhang Xueguang ve diğerleri.Pasif kelepçe devreleri kullanan yeni bir sıfır voltajlı sıfır akım anahtarlama dönüştürücü türü.Çin Elektrik Mühendisliği Bildirileri, 2006, 26 (17): 72-76.
Cheng Shu, Chen Tefang, Yu Mingyang Yeni bir aktif ikincil kenetli tam köprü sıfır gerilim sıfır akım yumuşak anahtarlamalı PWM dönüştürücü türü.Çin Elektrik Mühendisliği Bildirileri, 2008, 28 (12): 44-49.
Zhou Zhimin, Ji Aihua, vb. IGBT sürücü ve koruma devresi tasarımı ve uygulama devre örnekleri Pekin: Makine Endüstrisi Presi, 2011.
