基于FPGA的超級(jí)電容均壓及充放電設(shè)計(jì)

摘要：由于超級(jí)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(guò)程中容易造成過(guò)充或過(guò)放現(xiàn)象，嚴(yán)重危害超級(jí)電容器的使用壽命。文中提出以FPGA為檢測(cè)、控制單元，對(duì)電容進(jìn)行有效地充放電控制，防止過(guò)充或過(guò)放，提高超級(jí)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(jí)電容；串聯(lián)均壓

超級(jí)電容是近年發(fā)展快速的一種大容量?jī)?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(zhǎng)、清潔環(huán)保等特點(diǎn)。超級(jí)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(wàn)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(jí)電容器參數(shù)存在離散性，即使是同一型號(hào)同一規(guī)格的超級(jí)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(guò)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?jí)電容器的離散性，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(guò)充，而某些單體又欠充，嚴(yán)重危害超級(jí)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(guò)放現(xiàn)象。因此保證各單體的均衡充放電，對(duì)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(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。