張 莉，袁金壘，張昊然

(大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧大連116023)

超級電容恒功率測試系統(tǒng)中斜坡補(bǔ)償控制策略

張 莉，袁金壘，張昊然

(大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧大連116023)

主要是針對雙管正激電路在超級電容恒功率充放電過程中隨著占空比增大帶來的系統(tǒng)誤差變大及不能滿足伏秒平衡條件等問題對驅(qū)動電路進(jìn)行改進(jìn)，通過在采樣電壓Vs處加入斜坡補(bǔ)償達(dá)到拓寬系統(tǒng)工作區(qū)域，改善隨占空比過大系統(tǒng)誤差不收斂的問題，通過引入斜坡補(bǔ)償環(huán)節(jié)該系統(tǒng)在占空比D＞50%時仍能很好地實(shí)現(xiàn)恒功率充放電的控制目標(biāo)。

恒功率；雙管正激電路；占空比；斜坡補(bǔ)償

超級電容具有比功率高，可大電流充放電，循環(huán)壽命長等特點(diǎn)，已經(jīng)在混合動力汽車、風(fēng)電儲能、航空航天等各個領(lǐng)域有了初步應(yīng)用，但是目前對超級電容的充放電性能研究還有待進(jìn)一步深入[1-3]。

目前，超級電容的充放電測試主要分為恒流-恒壓測試、恒功率測試兩種，而相對于恒流-恒壓控制策略來說，恒功率實(shí)現(xiàn)起來相對簡單，而且充放電效率更高[4]。

在超級電容的恒功率控制策略中，主電路拓?fù)洳捎秒p管正激電路，但此電路的主要問題在于當(dāng)D＞50%時，系統(tǒng)誤差會變大，且不滿足伏秒平衡條件[5]，針對上述問題，本文基于雙管正激電路設(shè)計(jì)了一種帶斜坡補(bǔ)償?shù)暮愎β食浞烹娍刂齐娐?。通過引入斜坡補(bǔ)償電路實(shí)現(xiàn)了在D＞50%的條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)誤差收斂且滿足伏秒平衡條件。最后通過對系統(tǒng)進(jìn)行整機(jī)調(diào)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)恒功率充放電的控制目標(biāo)。

1 恒功率充放電控制原理

超級電容恒功率充放電測試系統(tǒng)的主電路為雙管正激電路，如圖1所示。在充電時PWM波驅(qū)動一對IGBT同時導(dǎo)通，此時通過變壓器對二次側(cè)的超級電容進(jìn)行充電，在充電過程中，隨著電感電流的減小，為保持功率恒定，需通過調(diào)節(jié)使輸出電壓增大，由式(1)可知，在變壓器匝數(shù)比和輸入電壓不變的條件下增大占空比即可增加輸出電壓，從而保持功率恒定。

圖1 雙管正激電路主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

由于D＞50%時，系統(tǒng)誤差是不收斂的，而且不滿足伏秒平衡條件。所以需要引入斜坡補(bǔ)償環(huán)節(jié)對恒功率充放電系統(tǒng)進(jìn)行改善。同理，在放電時，調(diào)節(jié)機(jī)制同充電類似，由于剛開始電感電流較小，故需要較大占空比才能滿足系統(tǒng)恒功率所需要的輸出電壓，當(dāng)D＞50%時同樣也需要加入補(bǔ)償環(huán)節(jié)。

2 斜坡補(bǔ)償控制策略分析

(1)當(dāng)D＞50%時，不滿足伏秒平衡條件

在超級電容放電過程中，隨著放電電流持續(xù)減小，為使P保持恒定，需要不斷增加占空比D從而使輸出電壓增加，當(dāng)D＞50%時，由伏秒平衡條件可知，變壓器上的正負(fù)伏秒平衡條件為：，即D＜50%。因此，雙管正激電路只能工作在D＜50%的區(qū)域時才滿足伏秒平衡條件。

(2)當(dāng)D＞50%時，系統(tǒng)誤差不收斂

如圖2和圖3所示，分別為D＜50%和D＞50%時擾動誤差隨周期變化的坡形圖，如圖2和圖3所示，系統(tǒng)誤差在D＜50%時是收斂的，在D＞50%是發(fā)散的。

圖2 占空比D＜50%時系統(tǒng)誤差波形圖

圖3 占空比D＞50%時系統(tǒng)誤差波形圖

分別在D＜50%和D＞50%的情況下對系統(tǒng)進(jìn)行收斂性分析。其中△為系統(tǒng)擾動電流，△為一個周期后系統(tǒng)的擾動誤差(△為個周期后系統(tǒng)的擾動誤差)，和分別為電感電流的上升斜率和下降斜率。對于第一個周期內(nèi)進(jìn)行分析，在如圖2標(biāo)記處所示，由三角形相似可知：

對第二個周期進(jìn)行分析：同理可得

將式(3)代入式(4)可得：

……

在n個周期以后，得到：

由式(6)和式(7)可知，系統(tǒng)誤差在D＜50%時是收斂的，在D＞50%時是發(fā)散的，這與圖2和圖3所示的系統(tǒng)誤差坡形變化規(guī)律是一致的。

由式(7)、式(8)、式(10)可知，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定的條件為：

對系統(tǒng)分析時，考慮最惡劣狀態(tài)下的斜坡補(bǔ)償，即對占空比D=1時進(jìn)行討論：當(dāng)D=1時，=0，則式(12)簡化為：

3 斜坡補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

在恒功率充放電系統(tǒng)中，由于主電路拓?fù)錇殡p管正激電路，為了拓寬系統(tǒng)工作區(qū)域，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和減小系統(tǒng)誤差，必須進(jìn)行斜坡補(bǔ)償。斜坡補(bǔ)償方式常用的可以分為以下兩種：誤差電壓信號Ve處的斜坡補(bǔ)償和采樣電壓信號Vs處的斜坡補(bǔ)償。在Vs處的斜坡補(bǔ)償電路中，射極跟隨器的加入減小了晶振端的輸出阻抗，使得補(bǔ)償效果比較好，所以采用該補(bǔ)償方式，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)中斜坡補(bǔ)償部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

其中控制芯片采用UC3846，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中圖4中的信號采樣環(huán)節(jié)連接UC3846的電流采樣3、4端口，斜坡補(bǔ)償環(huán)節(jié)是在采樣電壓Vs處的斜坡補(bǔ)償，即連接UC3846的端口5。

在UC3846的控制下，芯片中的誤差放大器對參考電壓Vref和部分輸出電壓Vo的差值進(jìn)行放大，從而得到誤差電壓信號Ve，并輸入PWM比較器的反相輸入端；電流采樣放大器通過3、4端口通過采樣電阻R3，將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號Vs，并和斜坡補(bǔ)償環(huán)節(jié)產(chǎn)生的補(bǔ)償信號疊加后輸入PWM比較器的正相輸入端，通過比較產(chǎn)生PWM驅(qū)動信號，并經(jīng)過RS鎖存器鎖存，再將此信號送給PWM驅(qū)動模塊，從而產(chǎn)生工作區(qū)域較寬的PWM信號驅(qū)動IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷。

4 帶斜坡補(bǔ)償?shù)暮愎β蕼y試系統(tǒng)

系統(tǒng)分為主電路、控制電路、采樣電路、供電模塊斜坡補(bǔ)償電路、IGBT模塊及驅(qū)動電路、超級電容器組(100 V，9 F)和上位機(jī)虛擬測試平臺，系統(tǒng)實(shí)物如圖5所示。其中，上位機(jī)是采用LabVIEW設(shè)計(jì)的超級電容恒功率充放電系統(tǒng)虛擬測試平臺，通過NI-PCI6221將采集到的電壓和電感電流信號傳送給上位機(jī)測試平臺，上位機(jī)平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

圖5 CPSC系統(tǒng)實(shí)物圖

對超級電容器組進(jìn)行恒功率充放電測試，首先采用大功率充電機(jī)充電，當(dāng)充電達(dá)到設(shè)定值85 V時，系統(tǒng)切換至放電回路對負(fù)載進(jìn)行恒功率放電，將充放電過程中采集到的電壓電流數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)測試平臺進(jìn)行處理和顯示。如圖6所示為系統(tǒng)未加入斜坡補(bǔ)償時電壓和電流波形圖，圖7為系統(tǒng)加入斜坡補(bǔ)償后電壓和電流波形圖。

通過圖6、圖7對比可知，當(dāng)D＞50%時，未加入斜坡補(bǔ)償時，系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩，在加入斜波補(bǔ)償后，斜坡補(bǔ)償電路很好地達(dá)到了抑制次諧波震蕩問題，系統(tǒng)誤差在加入斜坡補(bǔ)償后趨于收斂，很好地解決了隨占空比過大帶來的系統(tǒng)誤差不收斂等問題，實(shí)現(xiàn)了恒功率充放電的控制目標(biāo)。

圖6 未加入補(bǔ)償前電壓、電流波形圖

圖7 加入補(bǔ)償后電壓、電流波形圖

5 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本測試系統(tǒng)對恒功率充放電電路中占空比D過大帶來的系統(tǒng)誤差不收斂、不滿足伏秒平衡條件等問題均有了很好的解決。通過引入斜波補(bǔ)償電路，在D＞50%時，恒功率充放電測試系統(tǒng)也能很好地實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，這對超級電容的電氣性能測試有著重要的作用。

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Research on slope compensation control strategy of super-capacitors constant power test system

Abstrct:It was aimed at the problems of increasing systemic error and not meeting the volt-second balance condition along with the extension of duty cycle in dual switch forward converter during constant power charging-discharging of super capacitor(CPSC).In order to improve the driving circuit,the slope compensation signals were added to the sampling voltage Vs to broaden the system work area, and the problem of system error misconvergence was improved with the extension duty cycle.By introducing the slope compensation, the control of constant power charge/discharge process could be realized,and the duty cycle was more than 0.5.

constant power；dual switch forward converter；duty cycle；slope compensation

TM53

A

1002-087X(2016)12-2446-03

2016-05-07

張莉(1964—)，女，遼寧省人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槌夒娙輧δ芗半娔艽鎯碗娔茏儞Q。