基于SC-BUCK变换器的介电型EAP发电系统的研究.pdfVIP

中国电源学会第二十届学术年会论文集 基于SC-BUCK 变换器的介电型EAP 发电系统研究 洪博，王莉，秦剑华，张霞 （南京航空航天大学自动化学院，南京 210002 ） Email ：liwang@nuaa.edu.cn 摘 要 在研究了介电型EAP 发电原理的基础上，本文构建了EAP 发电系统总体方案，分析了EAP 发 电系统中的发电主装置——介电型 EAP 发电机的等效电学模型。此外，针对介电型 EAP 发电特性，设计了 基于SC-BUCK 变换器的介电型EAP 发电机用能量变换系统。最后，通过实验验证了介电型EAP 发电单元等 效电学模型的正确性以及所设计的SC-BUCK 降压能量变换器可以满足介电型EAP 发电系统对能量变换器大 变比、高效的要求。 关键词 介电型EAP 发电系统，等效电学模型，SC-BUCK，能量变换 1．引言 随着化石燃料消耗几乎殆尽、全球气候变暖等一系列环境问题的凸显，寻求可再生能源已经成 [1] 为人类极为紧迫的任务 。传统的可再生能源发电比如光伏发电，风力发电，波浪发电，生物质发 电，虽然一定程度上缓解了能源需求压力，但是往往需要复杂的机械装置来实现，且维护难，成本 高。电活性聚合物(Electro Active Polymers，EAP)作为一种新型智能材料，在驱动器实现、力学分 析等方面得到广泛的研究。德国的Christian Graf 等研究者和新西兰Balazs Czech 等研究者对介电 [2-3] 型EAP 以集总RC 电学模型等效EAP 可变电容发电模型 ，并对DEG 进行了理论优化设计分析。 将EAP 发出的能量通过变换器转换为可供负载利用的形式是必要的，设计合适的能量变换器将对 发挥EAP 发电系统的性能起到关键作用。所以对基于介电型EAP 发电特性的能量变换进行研究具 有现实的意义。 本文首先在研究了介电型EAP 发电原理基础上，构建了EAP 发电系统总体方案；其次对介电 型EAP 发电机等效电学模型进行了理论分析；然后在此基础上设计了基于 SC-BUCK 变换器的介 电型EAP 发电机用能量变换系统。最后通过实验验证了所设计的小功率 SC-BUCK 变换器对介电 型EAP 发电系统能量变换的适用性。 2 ．基于介电型EAP 的发电系统构成 介电型EAP 发电机，即DEG （Dielectric Elastomer Generators ），是由芯层材料介电弹性体薄 [3] 膜（丙烯酸或硅树脂等）与涂覆在上、下表面的柔性电极（如碳或石墨）组成的 。 降压变换 升压变换器 器 负载 EAP 传感电路 电池保护 电池输出控制 可充电锂电 主电池 控制电路 电路 池 电池容量监控 图1 介电型EAP 发电系统 · 882 · 中国电源学会第二十届学术年会论文集 图1 所示为构建的EAP 发电系统总体方案，主要包括发电主装置介电型EAP 发电机(DEG)、 升压变换器、降压变换器、电池容量监控电路、传感电路。其中DEG 将低频机械能转换为电能。 升压变换器是将主电池或可充电锂离