基于FPGA的超級電容均壓及充放電設(shè)計(jì)

摘要：由于超級電容器單體性能參數(shù)的離散性，當(dāng)多個(gè)單體串聯(lián)組成電容器組時(shí)，在充放電過程中容易造成過充或過放現(xiàn)象，嚴(yán)重危害超級電容器的使用壽命。文中提出以FPGA為檢測、控制單元，對電容進(jìn)行有效地充放電控制，防止過充或過放，提高超級電容器的循環(huán)使用次數(shù)，降低不必要的能量消耗。
關(guān)鍵詞：DC／DC變換；超級電容；串聯(lián)均壓

    超級電容是近年發(fā)展快速的一種大容量儲(chǔ)能器件，具有功率密度高、充放電時(shí)間短、效率高、使用壽命長、清潔環(huán)保等特點(diǎn)。超級電容具有90％以上的充放電效率，充放電電流可達(dá)數(shù)安培至數(shù)百安培，充放電壽命可達(dá)10萬次以上。在電動(dòng)汽車、UPS等產(chǎn)品上有很好的應(yīng)用前景。
    但是超級電容器參數(shù)存在離散性，即使是同一型號同一規(guī)格的超級電容器在其電壓、內(nèi)阻、容量等參數(shù)上都存在著不一致性，這是由制造過程中工藝和材質(zhì)不均造成的。而在使用中需要采用串聯(lián)的方式提高整體的輸出電壓，充電時(shí)大多采用先恒流后恒壓的充電方式，如圖1所示。充電前期采用恒流允電，當(dāng)電容電壓達(dá)到一定值后，即t0時(shí)刻，冉采用恒壓充電，因?yàn)槌夒娙萜鞯碾x散性，各單體到達(dá)t0時(shí)刻的時(shí)間就會(huì)不同，如果直接進(jìn)行串聯(lián)充電可能會(huì)使某些單體過充，而某些單體又欠充，嚴(yán)重危害超級電容器的使用壽命，放電時(shí)同樣如此，會(huì)出現(xiàn)某些單體過放現(xiàn)象。因此保證各單體的均衡充放電，對有效發(fā)揮所儲(chǔ)存的能量有著非常重要的意義。

1 均壓控制原理
    文中超級電容均壓部分采用逆變器和變壓器均壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
    如圖2所示，均壓電路由超級電容組、變壓器、逆變器和升壓斬波電路4部分組成。圖中的二極管起到反向保護(hù)作用。通過控制信號S1、S2、S3、S4即可實(shí)現(xiàn)電壓均衡，并可將電壓高的超級電容中的能量轉(zhuǎn)移到電壓低的超級電容中。

    假設(shè)有N個(gè)超級電容串聯(lián)，將串聯(lián)超級電容組兩端總電壓通過升壓斬波電路接到逆變器的輸入端，以補(bǔ)償MOSFET及續(xù)流二極管上的導(dǎo)通壓降，逆變器的輸出接到匝數(shù)比為N的降壓變壓器的高壓側(cè)，則低壓側(cè)將產(chǎn)生振幅為N個(gè)超級電容單體電壓平均值的方波。以該方波作為電壓源再次對每個(gè)超級電容單體進(jìn)行充電。此時(shí)由于二極管的作用，只有單體電壓低于變壓器低壓側(cè)電壓值的超級電容才能進(jìn)行充電。逆變器工作一段時(shí)間以后，即可完成超級電容的均壓。
    升壓斬波電路的輸出電壓，即逆變器的輸入電壓Vi滿足：
    Vi=Vc+N*Vd+2Vs       (1)
    式中：Vc為N個(gè)串聯(lián)超級電容兩端總電壓；Vd為續(xù)流二極管上的正向?qū)▔航?；Vs為MOSFET上的導(dǎo)通壓降。
    逆變部分采用5kHz的50％占空比的PWM波加入一定的死區(qū)時(shí)間來實(shí)現(xiàn)，S1，S4采用同一組信號驅(qū)動(dòng)，S2，S3采用另外一組信號驅(qū)動(dòng)。
    升壓斬波電路的控制信號采用20kHz的PWM波。[!--empirenews.page--]
    Boost變換器占空比公式
   

2 DC／DC主電路及控制方式
    控制電路采用一端穩(wěn)壓一端穩(wěn)流的方式進(jìn)行充放電控制，當(dāng)電路工作在buck充電方式時(shí)，超級電容端進(jìn)行先恒流充電到Vsc，再恒壓充電；當(dāng)電路工作在boost放電方式時(shí)，直流母線電樂端進(jìn)行穩(wěn)壓控制。充放電環(huán)節(jié)采用PI控制法進(jìn)行恒流或恒壓充、放電。

    采用雙向buck／boost電路拓?fù)洌刂撇呗允牵?br />     (1)當(dāng)超級電容電壓Vc高于電容額定電壓Vcmax時(shí)，封鎖buck充電控制信號；當(dāng)超級電容電壓Vc下降到電壓下線Vcmax時(shí)，封鎖boost放電控制信號。
    (2)當(dāng)超級電容電壓Vc在電壓下限Vcmax與最高電壓Vcmax之間時(shí)，DC／DC變換器能夠進(jìn)行buck充電控制，或boost放電控制：進(jìn)行buck還是boost需要根據(jù)直流母線電壓Vdc、電流Idc來決定。
    (3)直流母線電壓Vdc高于設(shè)定高壓Vdcmax，進(jìn)行buck充電控制；低于設(shè)定低壓Vdcmin，進(jìn)行boost放電控制。母線電壓Vdc介于Vdcmax和Vdcmin之間是不動(dòng)作，既不充電也不放電。

3 控制系統(tǒng)軟件流程
    按照上述控制策略，得到如圖4的程序流程圖，其中5kHz逆變?yōu)榫鶋弘娐分械哪孀兤鳎捎?0％的PWM脈沖波來實(shí)現(xiàn)，不需要復(fù)雜的控制算法。20kHz升壓模塊完成開關(guān)管S1信號的產(chǎn)生。需要通過電壓采集電路，得到串聯(lián)電容的總電壓。4個(gè)判斷模塊通過判斷Vdc和Vc的電壓范圍決定對電容的充放電控制。

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4 仿真分析
    C1、C2初始電壓為2．7V，C3、C4為1V，仿真70s的時(shí)候基本均壓結(jié)束，電壓均衡到1．81V，由于電容并聯(lián)二極管的影響，電壓均衡點(diǎn)并沒有在算數(shù)平均值1．85V，并且升壓斬波器也消耗一部分能量。70s之后兩電容電壓基本保持同步變化。

    圖6為均壓系統(tǒng)實(shí)物圖，由FPGA控制板，H橋逆變器以及驅(qū)動(dòng)電路和Boost升壓電路組成，FPGA控制板采用實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)的基于EP2C80 208C8N芯片的開發(fā)板來完成控制信號的中生成，5個(gè)開關(guān)管采用IRF640，驅(qū)動(dòng)芯片TR2103。通過仿真驗(yàn)證了均壓系統(tǒng)的可行性。

5 結(jié)束語
    文中簡要介紹了應(yīng)用超級電容所需要的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并通過仿真和實(shí)物驗(yàn)證，逆變采用50％占空比是為了使電壓較高的降壓速度與低壓電容的升壓速度相匹配，減少電能浪費(fèi)。DC／DC充、放電模塊能實(shí)現(xiàn)對超級電容器組快速可靠充、放電，輸入功率大，保護(hù)可靠，充分發(fā)揮了超級電容的優(yōu)勢。