介电型EAP发电系统升压变换器的研究.pdfVIP

中国电源学会第二十届学术年会论文集 介电型EAP发电系统升压变换器研究 秦剑华，王莉，王成淑 （南京航空航天大学自动化学院，南京，210016 ） Email ：liwang@ 摘 要 环境与经济可持续发展对能源供给提出了更高的要求，开发并利用新能源已成为现代社会发展 的必由之路。介电型EAP(Electro-active Polymer)作为新兴智能材料，以其高能量密度、高效率、低成本等诸 多优点受到广泛地关注。本文在对 EAP 发电单元进行建模、仿真研究的基础上，分析了 EAP 充电升压变换 系统组成，确定耦合电感-输出倍压式拓扑作为主电路拓扑，分析其工作模态和工作波形。最后，搭建基于 TMS320F28335 控制器的硬件平台进行实验验证。 关键词 介电型 EAP ，升压DC/DC 变换器，小信号模型，DSP 控制 1．引言 新能源的两个重要的特点就是新技术和可再生，目前主要的新能源发电领域包括风力发电、太 阳能发电、生物质能发电、海洋能发电和地热能发电等。介电型EAP(Electro-active Polymer ，电活 性聚合物)是近年来新兴的一种智能材料[1] ，它既可以用作驱动器将电能转换为机械能，也可以将 机械能转换为电能实现发电。应用此材料研制的介电弹性体发电机（DEG ，Dielectric Elastomer Generator ）与传统的电磁式、压电式发电机相比，具有能量密度高、适用范围广、环境影响小、效 率高、成本低、质量轻等优点，近年来受到越来越多的关注，为新能源发电提供了一种新途径。 介电型 EAP 作为发电单元时，根据其工作原理，需要由升压变换器对发电单元进行充电。传 统的非隔离 Boost 拓扑，无法满足高变比的要求，并且考虑到介电型 EAP 的阻容特性，不宜选取 开关电容拓扑，故本文采用耦合电感升压变换器作为主电路拓扑。 本文介绍了 EAP 发电原理及其系统组成，并对所选取的升压变换器主电路拓扑进行研究，设 计了基于 DSP 的介电型EAP 发电系统升压变换器。 2．介电型 EAP 发电原理及其系统组成 2.1 介电型 EAP 发电单元工作原理 介电型 EAP 可等效为平行板可变电容，如图 1 所示。工作于发电机模式时，其本质为电容式 发电：先将 EAP 拉伸，其厚度减小、面积增大，由平板电容原理可知其电容值增加；固定拉伸给 EAP 施加一定电压，让其自由收缩，EAP 膜面积减小，厚度增加，其电容值减小。由于总电荷量 不变，则电极间电压增加，EAP 上电荷的能量增加，完成机械能向电能的转换。介电型 EAP 单周 期能量循环示意如图 2 所示。 图 1 介电型 EAP 单周期发电过程 图2 介电型 EAP 单周期能量循环 · 1306 · 中国电源学会第二十届学术年会论文集 2.2 介电型 EAP 发电系统组成 要使能量得到收集和利用必须设计完整的 EAP 发电系统。一方面，要通过升压变换器对 EAP 单元进行高压充电，利用 EAP 自身的电容式发电特性将机械能转换为电能；另一方面，要将EAP 单元中的高电压能量进行转换利用，实现合理的能量控制和管理。介电型 EAP 发电系统如图 3 所 示。通过升压器将直流低电压转换为高电压供给介电型 EAP 发电单元。经过 EAP 单元的作用后电 压升高，弹性势能转换为电能存储在 EAP 单元中。最后通过降压变换器将这种高压形式的电能转 换为负载可利用的能量形式。当 EAP 发电单元输出能量不足时，负载由锂电池进行供电。 能源管理与控制 升压 降压 输出 多EAP发电单元 变换器 变换器