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热温差电池特性及应用研究

作　者: 柳少良
导　师: 游小杰
学　校: 北京交通大学
专　业: 电气工程
关键词: 温差发电高电压增益开关电容 PSIM 最大功率跟踪控制
分类号: TM913
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
下　载: 28次
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内容摘要

摘要：随着全球经济进步和人们生活水平不断提高,传统能源的需求量不断增加从而导致了严重的能源短缺,环境污染也日益严重。除了可再生清洁能源的开发和利用以外,以工业和汽车余废热等低品位能源为热源的温差发电技术越来越受到重视。它可以利用温差电池直接将热能转化为电能,具有绿色环保、结构简单、安全可靠等优点,是解决能源危机和环境污染的有效途径。本论文针对温差发电系统展开研究工作。首先介绍了温差发电的基础理论并推导了温差电池特性参数关系式。在实验室条件下,搭建了简易温差电池特性测试平台并对温差电池特性进行了测试。基于温差电池输出电特性,对比分析了适用于温差电池的DC-DC升压变换器并提出了基于开关电容网络的高升压变换器。针对该变换器,详细分析了其各个模态的工作原理,并采用状态空间平均法推导了主电路稳态工作点,建立了主电路小信号模型。为了实现对低品位热源能量的充分利用,本论文根据蓄电池状态将系统分为两种工作模式,并设计了一套完善的能量管理策略,实现各个工作模式之间的平滑切换。在最大功率跟踪控制模式,设计了改进型变步长扰动观察法使温差电池尽可能多的向负载提供能量,具有良好的快速性和准确性。本论文最终通过PSIM软件进行了仿真验证,并基于数字控制系统DSP28035搭建了一台100W的原理样机进行了实验验证。仿真结果和实验结果均表明了本论文电路参数设计的合理性和能量管理策略的有效性。

全文目录

致谢  5-7
中文摘要  7-8
ABSTRACT  8-11
1 引言  11-21
  1.1 研究背景与意义  11-13
  1.2 温差发电技术现状  13-17
  1.3 温差发电系统  17-20
    1.3.1 热源  17-18
    1.3.2 温差发电器  18-19
    1.3.3 冷源  19
    1.3.4 能量管理系统  19-20
  1.4 本论文研究内容  20-21
2 温差发电基础理论  21-29
  2.1 温差电效应  21-24
    2.1.1 塞贝克效应  21-22
    2.1.2 珀尔帖效应  22-23
    2.1.3 汤姆逊效应  23-24
  2.2 温差电优值  24
  2.3 温差发电基本原理  24-26
  2.4 温差电池性能参数  26-28
    2.4.1 开路电压  26
    2.4.2 伏安特性  26
    2.4.3 内阻特性  26-27
    2.4.4 输出功率  27
    2.4.5 转换效率  27-28
  2.5 本章小结  28-29
3 温差电池用DC-DC升压变换器  29-47
  3.1 温差电池用DC-DC升压变换器  29-35
    3.1.1 隔离型DC-DC升压变换器  29-32
    3.1.2 非隔离型DC-DC升压变换器  32-35
  3.2 主电路工作原理与建模  35-45
    3.2.1 主电路工作原理  35-37
    3.2.2 主电路小信号建模  37-45
  3.3 本章小结  45-47
4 温差电池系统能量管理策略  47-59
  4.1 温差电池最大功率跟踪控制策略  47-54
    4.1.1 扰动观察法  49-51
    4.1.2 电导增量法  51-53
    4.1.3 开路电压/短路电流比例法  53-54
  4.2 蓄电池充电管理策略  54-56
    4.2.1 恒压充电方式  54-55
    4.2.2 恒流充电方式  55
    4.2.3 恒压限流充电方式  55
    4.2.4 恒流限压充电方式  55-56
  4.3 主电路闭环控制系统设计  56-58
    4.3.1 最大功率跟踪控制模式  56-57
    4.3.2 恒压模式  57-58
  4.4 本章小结  58-59
5 主电路仿真与实验验证  59-83
  5.1 主电路参数设计  59-63
    5.1.1 输入电感计算  60-61
    5.1.2 中间电容计算  61-62
    5.1.3 输出电感计算  62
    5.1.4 开关器件选型  62-63
    5.1.5 RC阻尼参数设计  63
  5.2 仿真验证  63-72
  5.3 实验验证  72-82
    5.3.1 温差发电系统实验平台  72-74
    5.3.2 数字控制系统设计  74-75
    5.3.3 实验波形及分析  75-82
  5.4 本章小结  82-83
6 结论  83-85
参考文献  85-89
作者简历  89-93
学位论文数据集  93

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