基于FPGA的超級(jí)電容均壓及充放電設(shè)計(jì)方案 - 全文

　　1、超級(jí)電容簡(jiǎn)介

　　超級(jí)電容，又名電化學(xué)電容，雙電層電容器、黃金電容、法拉電容，是從上世紀(jì)七、八十年代發(fā)展起來(lái)的通過(guò)極化電解質(zhì)來(lái)儲(chǔ)能的一種電化學(xué)元件。

　　它不同于傳統(tǒng)的化學(xué)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(chǔ)存電能。但在其儲(chǔ)能的過(guò)程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這種儲(chǔ)能過(guò)程是可逆的，也正因?yàn)榇?a target="_blank">超級(jí)電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬(wàn)次。

　　2、超級(jí)電容的結(jié)構(gòu)

　　超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)上的具體細(xì)節(jié)依賴于對(duì)超級(jí)電容器的應(yīng)用和使用。由于制造商或特定的應(yīng)用需求，這些材料可能略有不同。所有超級(jí)電容器的共性是，他們都包含一個(gè)正極，一個(gè)負(fù)極，及這兩個(gè)電極之間的隔膜，電解液填補(bǔ)由這兩個(gè)電極和隔膜分離出來(lái)的兩個(gè)的孔隙。

　　超級(jí)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(yīng)滿足具有盡可能高的離子電導(dǎo)和盡可能低的電子電導(dǎo)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(jìn)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(jí)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(jí)電容器包裝的幾何結(jié)構(gòu)決定的。對(duì)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(duì)內(nèi)部部件的設(shè)置，即內(nèi)部集電極是從每個(gè)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(kuò)展電容器外的電流路徑。

　　對(duì)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(kuò)展。

　　3、均壓控制原理

　　文中超級(jí)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(jí)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(guò)控制信號(hào)S1、S2、S3、S4即可實(shí)現(xiàn)電壓均衡，并可將電壓高的超級(jí)電容中的能量轉(zhuǎn)移到電壓低的超級(jí)電容中。

　　假設(shè)有N個(gè)超級(jí)電容串聯(lián)，將串聯(lián)超級(jí)電容組兩端總電壓通過(guò)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(jí)電容單體電壓平均值的方波。以該方波作為電壓源再次對(duì)每個(gè)超級(jí)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(jí)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(jí)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(jí)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(lái)實(shí)現(xiàn)，S1，S4采用同一組信號(hào)驅(qū)動(dòng)，S2，S3采用另外一組信號(hào)驅(qū)動(dòng)。

　　升壓斬波電路的控制信號(hào)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(jìn)行充放電控制，當(dāng)電路工作在buck充電方式時(shí)，超級(jí)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(lè)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)?，控制策略是?/p>

　　（1）當(dāng)超級(jí)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(hào)；當(dāng)超級(jí)電容電壓Vc下降到電壓下線Vcmax時(shí)，封鎖boost放電控制信號(hào)。

　?。?）當(dāng)超級(jí)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(lái)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。

　　4、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?，采?0％的PWM脈沖波來(lái)實(shí)現(xiàn)，不需要復(fù)雜的控制算法。20kHz升壓模塊完成開(kāi)關(guān)管S1信號(hào)的產(chǎn)生。需要通過(guò)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(guò)判斷Vdc和Vc的電壓范圍決定對(duì)電容的充放電控制。

　　5、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(méi)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，F(xiàn)PGA控制板采用實(shí)驗(yàn)室自主開(kāi)發(fā)的基于EP2C80208C8N芯片的開(kāi)發(fā)板來(lái)完成控制信號(hào)的中生成，5個(gè)開(kāi)關(guān)管采用IRF640，驅(qū)動(dòng)芯片TR2103。通過(guò)仿真驗(yàn)證了均壓系統(tǒng)的可行性。

　　6、結(jié)束語(yǔ)

　　文中簡(jiǎn)要介紹了應(yīng)用超級(jí)電容所需要的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并通過(guò)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(duì)超級(jí)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(jí)電容的優(yōu)勢(shì)。