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1、毕业设计说明书(论文) 题 目： 基于Boost变换器的自供电 超级电容器的电路设计 河北工业大学城市学院2014届本科毕业设计说明书毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集
2、、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：
3、日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论
4、）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工
5、程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订毕业设计（论文）中文摘要基于Boost变换器的自供电超级电容器的电路设计摘要：近些年来经济的发展，电能已经成为人类生活中最重要的能源，并且各国越来越重视对可再生能源的研究特别是对电能的研究。超级电容器是一种新型储能元件，具有功率密度大、体积小而且无污染，环境友好的显著优点。论文主要研究基于Boost变换器的自供电超级电容器的电路设计，重点研究所设计仿真电路的储能特性。论文首先通过对Boost变换器原理、电荷泵原理的分析和研究，然后利用LTspice仿真软件先对Bo
6、ost变换器仿真，和Multisim对锯齿波电路仿真，然后再对整个储能电路进行仿真。在仿真基础上分析比较在电阻等参数值不同情况下所设计仿真电路的电压、电流等性能，并且并为以后的研究奠定了基础。关键词： Boost变换器 超级电容器 储能 LTspice 仿真毕业设计（论文）外文摘要Title The Circuit Design of Self Powerd Super Capacitor Based On Boost Converter AbstractWith the development of the society, electricity has already become th
7、e most important energy in human life that makes most countries pay much attention to the research of renewable energy. Super capacitor is a new energy storage component.It has a lot of outstanding advantages,such as high power density,small size,pollution free and environment friendly.This paper fo
8、cuses on the circuit design of self powerd super capacitor which is based on the boost converter.We should pay close attention to the research of the properties of the circuit.First of all,I have a research in the principle of the boost converter and the charger pump.Secondly,we simulate the boost c
9、onverter which is used the simulation software LTspice, and at the same time we simulate the sawtooth though Multisim.Through the analysis and research,we finally achieve the goal,the model of the storage circuit,which is established and the simulation model is written .Based on the simulation,we ca
10、n have the result,such as the voltage and the current. Thus the comparisons in output voltage and current are presented under different conditions establishing the theoretical basis of the application .Keywords： Boost converter; Super capacitor ; Storage energy ; LTspice simulation目 次1 引言11.1超级储能电容器
11、的国内外发展情况11.2 DC/DC变换技术的发展概况21.3本课题研究的意义和内容32 超级储能系统的基本理论52.1 概述52.2 微型振动发电机简介52.3 电荷泵电路的基本原理62.4 Boost变换器的基本理论103 超级储能系统的设计电路仿真143.1前馈控制的Boost变换器仿真电路143.2锯齿波的电路仿真173.3基于Boost变换器的储能电路仿真18结论25参 考 文 献26致 谢281 引言1.1 超级储能电容器的国内外发展情况1.1.1 超级储能电容器的国外发展情况超级电容器是一种电化学元件，根据工作原理的不同我们通常可以将它分为两种不同的类型，即双电层电容器和法拉第准
12、电容器。超级电容器早先是一种建立在界面双电层理论基础上的电容器，这种理论是由德国物理学家亥姆霍兹提出的。美国科学家Becker在1957年发表了首篇关于超级电容器的论文以后，一些国家便陆续开始对超级电容器进行了深入的研究。日本是在超级电容器的产业化进程中起步最早的国家，而日本NEC公司在1983年第一个将超级电容器推向了市场。随后美国、日本、俄罗斯、德国等国也纷纷投入大量人力物力和财力对超级电容器进行了研究，这些国家在超级电容器的应用以及制作工艺上都取得了很好的成绩。美国俄亥俄州代顿市的美国纳米技术仪器公司在2011年1月研制出一种石墨烯超级电容器，这种电容器在电极上做了改进使用了石墨烯，并且
13、打破了世界记录，此电容器充放电时间非常短，只需短短几分钟，甚至几秒钟，而且这是有史以来用碳纳米材料制造的双电层电容器的最高值。1.1.2 超级储能电容器的国内发展情况我国超级电容器的研究比较晚，20世纪80年代我国开始对超级电容器展开研究，法拉级别的超级电容器首先是由中国电子科技集团第四十九研究所研制出，主要用于电力电子电路，这为以后对超级电容器的研究奠定了基础。石家庄高达科技开发公司在2000年研制出了首次通过技术鉴定的国产超级电容器。当前超级电容器在各个领域都有应用，如在电动车、风力发电、电梯节能等领域都有广泛的涉及。哈尔滨工业大学在2006年自主研发出了一种带超级电容的汽车，并且在上海应
14、用，从此开通了我国首条超级电容器公交商业示范线，带来了巨大的社会和经济效益。近些年来，因为超级电容器独特的优点以及良好的发展前景，国内的一些研究机构和公司也开始积极涉足对超级电容器的开发与应用。2008年北京奥运会和残奥会期间应用超级电容器，将“当当车”重新投入使用，它吸引了世界众多游客，令游客叹为观止。尤其在上海世博会期间，生产的电池加超级电容纯电动车、超级电容公交车在世博园的使用大大节省了乘客的等待时间。这是由于置于车顶的超级电容器在90秒内就能充满，因为时间短所以在充电期间乘客上下车不受到影响。下表1-1为国内外超级电容器基本参数的对比，超级电容器性能的主要参数是电容量、额定工作电压、漏
15、电流、等效串联阻抗，其中ESR(equivalent series resistance)表示等效串联阻抗。从表中我国生产超级电容器的技术和国外的生产技术相比，我国的生产技术的确有不足。 表1-1国内外超级电容器的参数对比电容量/电压ESR(m)ESR.C(m.F)额定电流/峰值电流(A)漏电流(mA)体积(m3)NESS600F/2.7V1700F/V3500F/2.7V080.650.4548011051575145/500371/1048700/1718 5 9 1490x60x28165x60x28165x60x52富辰100F/2.5V600F/2.7V3500F/2.7V 9 0.
16、6/0.7 0.25 900 360/420 875 22/64 150/570 781/2305 200 2 890x25x4690x60x28165x60x52集星600F/2.7V1800F/2.7V2400F/2.7V 1.8 1.2 1.15 1080 2160 2760 130/389 339/769 424/890 10 10 12165x60x52165x60x52165x60x571.2 DC/DC变换技术的发展概况DC/DC变换器是一种将直流电压变为直流电压的变换器，只是转换的直流电压是恒定的或是可以调节的。1970年以后，由于电力电子技术的迅猛发展，市场上出现了各种各样的
17、可控制的电力电子全控型器件。尤其是近些年来，随着人们生活和工作的需要，出现的许多的电子设备需要电池供电。这就需要我们对DC/DC变换器的性能，例如输入/输出电压、纹波电压、输出功率有更高的要求。由于电力电子技术的发展促使着DC/DC变换技术的发展，晶体管的发展更加促进了DC/DC变换技术的发展，例如功率场效应晶体管和绝缘门极双极型晶体管的出现使DC/DC变换技术更加纯熟。另外变换器的转换效率、体积、可靠性等指标也是工程师在DC/DC变换器发展过程中想要提高的指标。20世纪八十年代末，为了缩小DC/DC变换器的体积，研究人员提高了开关器件的工作频率，但这也使其转换效率随之降低、增大了电磁干扰、增
18、加了发热。而在当前我们的实际生活中应用最多的是有源箝位ZVS软开关技术和全桥移向ZVS软开关技术，因为有源箝位ZVS软开关技术可以提高DC/DC变换器的功率密度。工作频率和功率密度虽然增加了，但是它的转换效率却降到了低于百分之九十。由于这些不足使得研究人士不得不进行改进，因此在21世纪初人们发明了第三代箝位技术，这种转换技术明显提高了转换效率。而在20世纪90年代中期开始，全桥移相ZVS软开关技术大部分应用在中、大功率场合。这种技术的好处在于它使得开关器件的开关速度在不高的条件下DC/DC的转换效率得到了提高。但是这种技术也存在着不足例如损失了占空比、成本高等。目前DC/DC转换器包括Boos
19、t变换器、Buck变换器和Boost/Buck变换器，而本论文主要用到的是Boost变换器。1.3 本课题研究的意义和内容随着社会的发展，人类的进步，尤其进入21世纪，环境污染日益严重，环境问题和能源问题越来越成为各国关注的焦点。因此人类展开了对新能源开发和研究。目前在世界范围内经常使用的储能器件有蓄电池、超导磁体、飞轮和超级电容器等。而在生产生活中用的蓄电池储能虽然已经广泛应用于分布式发电系统、UPS电源等方面，但蓄电池本身有缺点如循环寿命短、功率密度低。超级电容器作为现代一种新型储能元件，具有很多独特的优点例如功率密度大、充放电效率高，而且无污染，环境友好。因此对超级电容器的研究引起很多科
20、研机构重视，使得超级电容器在很多方面迅速被应用。超级电容器的使用寿命长、对环境无污染等独特的特点使超级电容器储能技术领域得到了广泛的应用。因为工作机理的不同可以把超级电容器分为双电层电容器和法拉第准电容两种类型。由于性能的稳定、价格的低廉、易于实现工业化生产，并且超级电容器制备材料和制造工艺的不断进步，众多企业对超级电容器的研究，这些都促使了超级电容器在很多行业的大量应用。随着计算机技术、电力电子技术、微电子技术的发展和应用，超级电容器已经广泛应用于国民经济的各个方面。本文的研究内容主要包括以下几点：（1）本文通过对分析构建一个宏观的思路，并且对Boost变换器电路、电荷泵电路等原理的分析和研
21、究，利用其原理及模型搭建储能电路的模型；（2）利用LTSPICE等软件对电路进行仿真，通过仿真电路得到电压、电流的波形、不同负载情况下电压、电流、功率、效率的变化曲线。（3）通过改变参数比较不同参数下电压、电流等变化进而进一步分析比较，以期对储能电路进行改进。2 超级储能系统的基本理论21 概述本论文是在基于Boost变换器的基础上对自供电超级电容器的电路设计，本论文的设计总体思路如图2-1所示。 微型振动发电机DC/DCAC/DC超级电容器或负载图2-1 振动发电机能量采集电路设计总体思路由图2-1可知，本课题总体上是由四部分构成的即微型振动发电机提供电能，由于发电机提供的是交流电所以必须经
22、过整流，即AC/DC,经过整流的直流电还要经过斩波，即直流变直流，然后提供给负载或是给超级电容器充电。而在本课题中主要研究的是后两个部分，重点研究的是DC/DC，在这里DC/DC采用的是Boost变换电路。22 微型振动发电机简介在当前的生产生活中，我们应用最广泛的能源之一是机械能，而振动式发电机就是一种把机械能转化为电能的装置。近些年来由于微能源具有很多优点例如体积小、质量轻，所以成为当代科学技术发展的迫切需要。微型发电机是微能源的一种，微型振动式发电机是利用各种效应如压电、电磁、静电等效应，从而利用拾振装置将由振动产生的机械能转化为电能的装置。电磁式、静电式和压电式发电机是微型振动发电机常
23、见的三种类型。通过电场从而将机械能转化为电能的微型振动发电机是电磁式发电机。由发电机结构我们知道，在固定磁体产生的磁场中，由于通过附在振动质量块下面的线圈中的磁通量会发生变化，由法拉第感应定律的知识我们可知，它一定会产生电势差。因为这个电压数值很小，所以我们必须利用一些方法使这个电压增大到一定数值，从而可以被使用。现实中增大电压的方法常采用的是增大电磁场和增加线圈的圈数。对电磁式振动发动机的研究已经有很多年了，并且各国都有了一定的成绩。在20世纪末随着关于电磁式振动发电机第一篇的发表，各国便纷纷投入对电磁式振动发动机的研究。在1998年美国研究人员成功研制出组合振动式发电机，由Motorola
24、公司在2002年发明出一种手摇电磁发电机，这种发电机与当时发电机的不同之处在于它具有供行动电话充电的特点。静电式振动发电机的优点是它可以和IC工艺兼容，并且它可以产生实际所需要的更大的输出功率。但是它需要外部电压源或电荷源来驱动，而且有一定的机械约束。通常静电式振动发电机应用在非常小的系统。美国一所著名大学研制出以低频振动为能量来源的微型振动发电机，这种发电机优点是它的静电换能部分是基于硅的MEMS工艺加工制造的，而且能良好地与硅基微电子技术兼容。J.O. Mur-Miranda等人在2001年设计出了一种非常独特的静电式微型振动发电机，此发电机的优点是在共振频率下产生的电量在W级别，转换效率
25、也很高。压电式微型振动发电机在振动的条件下会产生变形，由它的物理的构造得知这种变形是随着质量块带动梁及压电薄膜一起振动产生的，从而使电荷在压电薄膜上产生，进而两个电极间产生电势差。这种发电机有很多的特点例如不需要外加电源，结构紧凑，与NEMS兼容等。但是它也有很多缺点如压电材料比较脆弱且容易疲劳。微型振动发电机所拥有的这些特点使各国越来越重视对这一领域的研究。2.3 电荷泵电路的基本理论2.3.1电荷泵的基本原理现代生活中随着各式各样电子产品的应用和发展，对电源管理芯片的要求越来越高。未来电源电路的设计需要具有安全性能好、重量轻、用电少等特点，而电荷泵电路也因为具有这些优点在中低功率电池电路中
26、受到人们的好评。越来越多的公司和研究机构开始对电荷泵进行研究。通常将电荷泵称为开关电容电压变换器，电容电压变换器顾名思义就是它是通过电容来存储同时传递能量。电荷泵电路在开始工作时会先储存能量，然后释放能量，释放能量过程中是采取受控的方式，以便获取需要的输出电压。在实际生活中我们通常会用电容来存储电能或者电荷，并且电容会按一定的时间和速度发电。如图2-2所示，它详细介绍了电荷泵的工作过程，由图我们可以知道，当电路有电流通过时，因为电容有寄生效应，所以它会限制峰值充电电流。但是这会造成一些负面影响，比如在这一过程中电荷的转移时间会延长，紧接着造成了电荷的累积不能瞬时完成，换句话说就是电容两端的电压
27、初始值为零。(a) (b) (c) (d)图2-2 电荷泵工作的基本原理电荷泵的基本电路有两种即倍压型和反压型，图2-3(a)描述了倍压型电路的工作原理。在倍压型电路中电压的变化是通过两个阶段实现的，在第一个阶段中S1和S2处于关闭状态，而S3和S4打开，可以看出电容处于充电状态，充电到一定值，此值就是输入的电压。 (2.1) S1和S2在第二个阶段中处于打开状态，而S3和S4闭合，而此时的输出电压变为了输入电压的2倍，这是因为电容两端的电压不能立刻突变造成的。因此此时的输出电压为： (2.2)因此由公式(2.2)可知输出的电压变为了输入电压的两倍，实现了倍压的效果。图2-3(b)是对图2-3
28、(a)的进一步说明，图2-3(b)从电压和电流的波形进行了进一步的阐明。由图2-3(a)可知在倍压电路的第一个阶段中，电路会给电容C1充电，C1充电电流的初始值是由C1两端电压的初始值、开关电阻等决定的。当C1充完电后，流过C1的电流会减小，而在这段时间中，电容通过放电向负载提供电流。在第二个阶段中，放电电流会通过电容C1流过负载，此时输出的电容电流变化约为的二倍，会线性的充电。当C1在输入和地之间时，会放电。 图(a)电荷泵电路 图(b)相关波形图2-3 倍压电荷泵电路及其工作波形图2-4描述了电荷泵电压反转变换器的基本工作原理，由图可以看出它是由开关、反相器、电容和振荡器组成的。图2-4
29、电荷泵电压反转变换器的基本工作原理开关S1和S2是由由振荡器输出的脉冲直接控制的，振荡器输出的脉冲经过反相器后来控制模拟开关S3和S4。当模拟开关S1和S2处于闭合状态，而S3和S4打开时，C1会被充电，而且C1上的电压为V+。相反当S1和S2打开，S3和S4闭合时，电容C1将会放电，放出的电会流向C2，即C2会被充电，但是C2上的电压是负的V1，此时的。当四个开关S1、S2、S3和S4在振荡器的控制下以较高的频率开断和闭合时，输出的电压为负值。从图2-4中可以看出电荷泵电压反转器电路不具有稳压的功能，也就是说当负载上有电流通过时，输出的电压也会有变化。此电路的输出电流和输出电压的变化特点是输
30、出的电流越大，输出的电压也越大。通常Ro表示输出电阻，而且Ro是用来描述输出电压与输出电流关系的，Ro可以用以下公式来描述： (2.3)其中V表示输出电压的变化，从公式(3)可以知道当输出电阻Ro越小时，表示输出电压变化的小而且输出特性好。通过对电荷泵两种电路的分析，可以看出电荷泵电路的优点，但是电荷泵电路也具有以下缺点：（1）它的输入与输出的电压比是有限的。（2）因为它的输入电流峰值很大，所以有噪声。（3）它的输出电压的不稳定要求必须使有电压负反馈来控制从而获得稳定的电压。（4）输出的电压与负载有密切联系，而且输出的驱动能力也是有限的。2.3.2电荷泵电路的应用意义和价值在现代人类的日常生活
31、中，人们越来越追求便捷化，因此便携式的产品受到人们的亲睐，这种发展趋势对电源又有了新的要求。为了迎合这种变化，很多公司对电源管理提出了很多的改进方案，而且这些解决方案各具特色。解决方案在一些问题上进行了反复的权衡，例如在效率上、在成本上和尺寸上。但是尺寸小也带来了问题比如尺寸小的产品的散热能力比尺寸大的产品差，同时这些便于携带的产品一般都具有无线电电路和射频接收器，因此对噪声很敏感。因此研究人士发明了一种切实可行的电路即电荷泵电路，电荷泵电路具有低噪声、低成本和高效率的优点。因为这种电路在没有电感时也可以实现一定的升压，所以克服了由电感带来的电磁干扰问题，而且这种设计比较的简单，成本也低。但是
32、电荷泵电路却在一些场合受到了制约，例如在多档升压电路使用电荷泵时会使效率大大降低了，同时因为损耗产生的发热量也加大了。电荷泵电路虽然有以上不足之处，但是在很多场合它依然是人们应用的首选。并且当前世界很多国家进一步展开了对电荷泵电路的研究，力求减小电荷泵的噪声、降低功率损耗、增加输出功率。2.4 Boost变换器的基本理论Boost变换器也叫作升压变换器，升压变化器的作用是将输出的电压升高，即输出的电压数值总比输入的电压数值大。由图2-5Boost变换器的电路结构可以知道此电路是由电容、电感、电阻、二极管器件和电力电子开关组成的。图2-5 Boost变换器Boost变换器的工作原理如图2-6所示
33、，当VT处于接通状态时，流过电感中的电流会慢慢增大，因此此时的电感会储存能量，同时流过电阻R中的电流是由电容C供给的。在图2-6(a)中在导通时间结束以后，VT会处于断开状态，而此时的电感会释放能量，并且它会与输入的电压共同作用来使VD导通，同时电阻R中有电流流过，进而对电容充电。而在图2-6(b)中当VT的关断时间结束后，VT就会处于导通状态，进而重复以上过程。 (a) VT导通 (b)VT关断图2-6 Boost变换器的工作过程下面对Boost变换电路在电感电流连续工作方式下进行介绍，在一个周期内将电路分为开关导通和关断两种状态，即t0t1时为开关导通状态，t1t2时为开关断开状态。在t0
34、t1时间段内，如图2-6(a)所示，t=t0时，VT导通，一直到t1这个过程中VT一直是导通状态，但是二极管VD却因为反向电压而被截止，此时的电容为电阻R提供电能。在这个阶段中因为输入电压加在了L上，所以电感电流会线性增加。当t=t1时，从最小值增加到最大值，的增加量可以表示为： (2.4)在t1t2时段内，如图2-6(b)所示，在t=t1时，VT关断，VD导通，在这一过程中L释放上一阶段所储存的能量。流过电感的电流减小，同时经过VD流向输出端。与此同时电源也向负载供电，电容C被充电。当t=t2时，此时的从最大值减小到最小值，的减小量表示为： (2.5) 在t2时，VT又一次导通，电路进行下一
35、个开关周期。在图2-7中表示电路中输入的电流，表示电流的平均值，表示为=，由图可以看出VT和VD是轮流工作的。当VT工作时电流流过VT；当VD工作时，电流流过VD。所以的波形是由VT和VD的波形所合成的。因为在一个周期中电容存在两个过程，即充电和放电过程，所以电容C的电流平均值为0。输出电流的平均值也是流过VD的电流平均值。通过分析得出，Boost变换电路的输入电压与输出电压的关系可以表示为： (2.6)在式子2.6中，而且当无限趋于1时，会趋于无穷大。这种情况下会将电路损坏，所以我们必须避免这种情况的发生。电路中与的关系表示为： (2.7)用表示输出电压的脉动，可以表示为： (2.8)由式子
36、2.8可知，可以采取增大电容C和增加f的方法来减小输出电压的纹波。 图2-7 Boost变换器电流连续下的波形Boost变换电路在电流临界连续时的波形如下图2-8所示，从图中可以知道此时流过二极管VD的电流平均值可表示为： (2.9)所以我们可以得知当电感电流连续时必须满足，此式也是电感电流连临界条件。由并且联系(2.9)式可以进一步的得出下式: (2.10)整理式子(2.10)得： (2.11)所以可以用公式(2.11)来判断电感电流是否连续的临界条件。 图2-8 Boost电路电流临界连续时的波形3 超级储能系统的设计电路仿真3.1 前馈控制的Boost变换器仿真电路大型能量捕获技术例如风
37、能、太阳能是众所周知的，而小规模能量收集技术例如振动能、电磁能等也被提出并发展。一般来说，小型能源收获产品商业化的问题是它的成本、便于使用和污染。此论文在一定程度上可以解决此问题。大部分的能量采集器所产生的能量是不稳定的，也就是所产生能量的幅值和持续的时间很大程度上受环境条件的影响。因此超级储能电容器因为无污染易于充放电在采集器中被用作储能单元。根据能量的储存形式，能量储存系统可以分为电磁存储、机械存储、化学存储、生物存储和热能存储。在电磁储存系统中因为它具有功率密度大、循环寿命长、充放电效率高，无污染的特点，因此超级电容器是个新兴和有前途的能量储存器件。超级电容器还广泛应用在很多场合，例如在
38、数码相机、电话等消费电子产品中与电池结合使用。尤其是最近环境问题日益严重，超级电容器无污染、低维修的特点受到广泛关注。独立的超级电容器自储能充电电路包括一个自启动、自供电电路和一个前馈控制的boost变换器。本论文中设计的自启动电路是一个无源网络，当系统不使用时它可以使自供电电路关断。Boost变换器包含一个主要的能量存储器件，自启动自供电电路包含二级能量存储器件，主要的能量存储器件用来存储由充电器传递的能量，二级能量存储器存储的能量用来驱动局部电子器件。Vo1Vin图3-1 Boost变换器的仿真电路如图3-1所示，图3-1是用LTspice软件仿真的Boost变换电路，在Boost变换器中
39、它主要由比较器U1、M1、R1、R2等组成，C1是一个超级储能电容器，它作为主要的储能元件。比较器U1的输出电压是个方波，这个方波为M1提供栅极触发信号。在每个充电过程的开始，超级电容器端的电压Vo1在它允许的最大工作电压以下，Vo1在每个充电过程结束时增加到最大稳态电压。在整个充电过程中稳态电压是施加到电容器上的最大可能电压。在不连续模式下超级电容器端的输出电压Vo1可以表示如下： （3.1）这里D=Ton/T，Ton为M1的导通时间，T为M1所产生的方波的周期。Vs 是V1所产生的锯齿波的最大值，流过超级电容器C1的最大脉动电流为： （3.2）因此最大的脉冲电流发生在D=0.5，最大脉冲电
40、流为： （3.3）通过以上公式得，对于给定的R1和R2，最大的输出电压是在，同时最大的脉冲电流是在D=0.5。Boost变换器充电器设计参数的合理选择应该是在输入电压Vin在时选取。由图3-1Boost的仿真电路中仿真出来的波形如图3-2所示，图中红色代表输出的电压，绿色为输入的电压，蓝色为驱动M1的脉冲。由图3-2可以知道Boost变换器实现了升压的功能。在仿真结果中如果改变R1和R2的数值，M1的驱动脉冲的占空比会发生变化，而且输出的电压也会变化。经过实验的比较与仿真得出，在仿真时间为300ms过程中，在R1=4.6K，R2=2.2K时输出的电压Vo1=15.17V；当R1=4.6K，R2
41、=20K时输出电压Vo1=36.8V；当R1=4.6K，R2=22K时输出电压Vo1=21.12V；当R1=4.6K，R2=30K时输出的电压Vo1=19.39V；当R1=4.6K,R2=46K时输出电压Vo1=17.1V；图3-3和图3-4的波形是分别是在R1=4.6K，R2=20K和R2=46K的情况下得到的。T/ms U/V 图3-2 Boost变换器的仿真波形T/ms U/V 图3-3 R2=20K时Vo1的波形 U/V T/ms图3-4 R2=46K时Vo1的波形由以上两个图可知在R2=20K时电压的上升趋势比R2=46K的上升趋势缓慢，而且在300ms时间内输出电压的终值R2=20
42、K的大，在足够的时间里，经过实验的验证及分析知道输出电压在稳定后在M1的脉冲占空比约在0.45左右获得最大输出电压，而且在R1固定的情况下，随着仿真时间的延长，在一定范围内随着R2电阻数值的增大最大输出电压而增大的。由实验可以验证输出电压的最大值，以下讨论流过电容器C1的最大脉冲电流。在R1=4.6K，R2=2.2K时最大脉冲电流Ip=231.3A；当R1=4.6K，R2=20K时最大脉冲电流Ip=671.6A；当R1=4.6K，R2=22K时最大脉冲电流Ip=678.71A；当R1=4.6K，R2=30K时最大脉冲电流Ip=703.6A；R1=4.6K，R2=46K时Ip=727.4A,经过
43、多次实验可以知道当R1不变时，随着R2的增大流过电容器C1的最大脉冲电流是增大的。图3-5是R1=4.6K,R2=46K的脉冲电流。T/ms I/A 图3-5 R2=46K时流过C1的脉冲电流Ip3.2 锯齿波的仿真电路因为本课题对所要设计的电路要求具有自供电的能力。所以应该在对以上设计仿真的Boost变换电路的基础上设计自供电电路。因为以上Boost变换电路的驱动是直接用仿真软件中的电源提供的，所以要设计出为Boost变换器提供电能的电路，以实现自供电。经过分析与研究用Multisim软件对锯齿波电路进行了仿真，图3-6就是锯齿波的产生电路。由图3-6可以看出此电路主要是由晶振片、放大器、电
44、容、电感和电阻等构成的。放大器输出端的电压是方波，而电容C2端的输出电压波形就是锯齿波。此锯齿波产生电路重点应用到了晶振片，晶振是利用一种晶体，并且这种晶体可以使电能与机械能相互转化，进而在共振的情况下工作。一般晶振可以为电路提供所需的频率。在下图中并未给出所产生的锯齿波波形，这里就不作说明了。图3-6 锯齿波产生电路的仿真3.3 基于Boost变换器的储能电路仿真3.3.1基于Boost变换器的自供电超级电容器储能仿真电路本部分在基于前馈Boost变换电路的基础上发展而来的，图3-7是本课题所要设计的电路，此仿真电路也是采用了LTspice仿真软件与图1所不同的是图3-7除了具有图3-1Boost变换器的升压功能外，图3-7又具有自启动的功能。Vo1VVzVoVin图3-7 基于Boost变换器的自启动超级电容器电路仿真图3-7中的R3和C3构成了自启动电路，D2、D3、C2、C3、R4和D4构成了自供电电路，同时C3既是自启动电路的一部分又是二级储能器件。在启动时C3由R3和C3构成的无源网络充电到阈值电压，这个阈值电压是电子器件的最小工作电压。局部的电子电路包括自启