基于FPGA的超級電容均壓及充放電設計方案

1、超級電容簡介

超級電容，又名電化學電容，雙電層電容器、黃金電容、法拉電容，是從上世紀七、八十年代發(fā)展起來的通過極化電解質(zhì)來儲能的一種電化學元件。

它不同于傳統(tǒng)的化學電源，是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間、具有特殊性能的電源，主要依靠雙電層和氧化還原贗電容電荷儲存電能。但在其儲能的過程并不發(fā)生化學反應，這種儲能過程是可逆的，也正因為此超級電容器可以反復充放電數(shù)十萬次。

超級電容器結(jié)構(gòu)上的具體細節(jié)依賴于對超級電容器的應用和使用。由于制造商或特定的應用需求，這些材料可能略有不同。所有超級電容器的共性是，他們都包含一個正極，一個負極，及這兩個電極之間的隔膜，電解液填補由這兩個電極和隔膜分離出來的兩個的孔隙。

超級電容器的結(jié)構(gòu)如圖所示．是由高比表面積的多孔電極材料、集流體、多孔性電池隔膜及電解液組成。電極材料與集流體之間要緊密相連，以減小接觸電阻；隔膜應滿足具有盡可能高的離子電導和盡可能低的電子電導的條件，一般為纖維結(jié)構(gòu)的電子絕緣材料，如聚丙烯膜。電解液的類型根據(jù)電極材料的性質(zhì)進行選擇。

上圖中各部分為：（1）：聚四氟乙烯載體；（2）（4）：活性物質(zhì)壓在泡沫鎳集電極上；（3）：聚丙烯電池隔膜。

超級電容器的部件從產(chǎn)品到產(chǎn)品可以有所不同。這是由超級電容器包裝的幾何結(jié)構(gòu)決定的。對于棱形或正方形封裝產(chǎn)品部件的擺放，內(nèi)部結(jié)構(gòu)是基于對內(nèi)部部件的設置，即內(nèi)部集電極是從每個電極的堆疊中擠出。這些集電極焊盤將被焊接到終端，從而擴展電容器外的電流路徑。

對于圓形或圓柱形封裝的產(chǎn)品，電極切割成卷軸方式配置。最后將電極箔焊接到終端，使外部的電容電流路徑擴展。

文中超級電容均壓部分采用逆變器和變壓器均壓技術實現(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作用。通過控制信號S1、S2、S3、S4即可實現(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。

假設有N個超級電容串聯(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，以補償MOSFET及續(xù)流二極管上的導通壓降，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超級電容單體進行充電。此時由于二極管的作用，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行充電。逆變器工作一段時間以后，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)▔航担籚s為MOSFET上的導通壓降。

逆變部分采用5kHz的50％占空比的PWM波加入一定的死區(qū)時間來實現(xiàn)，S1，S4采用同一組信號驅(qū)動，S2，S3采用另外一組信號驅(qū)動。

升壓斬波電路的控制信號采用20kHz的PWM波。

Boost變換器占空比公式

2DC／DC主電路及控制方式

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

采用雙向buck／boost電路拓撲，控制策略是：

（1）當超級電容電壓Vc高于電容額定電壓Vcmax時，封鎖buck充電控制信號；當超級電容電壓Vc下降到電壓下線Vcmax時，封鎖boost放電控制信號。

（2）當超級電容電壓Vc在電壓下限Vcmax與最高電壓Vcmax之間時，DC／DC變換器能夠進行buck充電控制，或boost放電控制：進行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高于設定高壓Vdcmax，進行buck充電控制；低于設定低壓Vdcmin，進行boost放電控制。母線電壓Vdc介于Vdcmax和Vdcmin之間是不動作，既不充電也不放電。

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?，采?0％的PWM脈沖波來實現(xiàn)，不需要復雜的控制算法。20kHz升壓模塊完成開關管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。

C1、C2初始電壓為2．7V，C3、C4為1V，仿真70s的時候基本均壓結(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)實物圖，由FPGA控制板，H橋逆變器以及驅(qū)動電路和Boost升壓電路組成，F(xiàn)PGA控制板采用實驗室自主開發(fā)的基于EP2C80208C8N芯片的開發(fā)板來完成控制信號的中生成，5個開關管采用IRF640，驅(qū)動芯片TR2103。通過仿真驗證了均壓系統(tǒng)的可行性。

文中簡要介紹了應用超級電容所需要的幾項關鍵技術，并通過仿真和實物驗證，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。DC／DC充、放電模塊能實現(xiàn)對超級電容器組快速可靠充、放電，輸入功率大，保護可靠，充分發(fā)揮了超級電容的優(yōu)勢。