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4、餐辕稗厢底怯拴咏超级电容充放电控制的研究中心议题：均压控制原理DCDC 主电路及控制方式控制系统软件流程解决方案：基于 FPGA 的超级电容充放电控制方案超级电容是近年发展快速的一种大容量储能器件，具有功率密度高、充放电时间短、效率高、使用寿命长、清洁环保等特点。超级电容具有 90以上的充放电效率，充放电电流可达数安培至数百安培，充放电寿命可达 10 万次以上。在电动汽车、UPS 等产品上有很好的应用前景。但是超级电容器参数存在离散性，即使是同一型号同一规格的超级电容器在其电压、内阻、容量等参数上都存在着不一致性，这是由制造过程中工艺和材质不均造成的。而在使用中需要采用串联的方式提高整体的输出
5、电压，充电时大多采用先恒流后恒压的充电方式，如图 1 所示。充电前期采用恒流允电，当电容电压达到一定值后，即 t0 时刻，冉采用恒压充电，因为超级电容器的离散性，各单体到达 t0 时刻的时间就会不同，如果直接进行串联充电可能会使某些单体过充，而某些单体又欠充，严重危害超级电容器的使用寿命，放电时同样如此，会出现某些单体过放现象。因此保证各单体的均衡充放电，对有效发挥所储存的能量有着非常重要的意义。1 均压控制原理文中超级电容均压部分采用逆变器和变压器均压技术实现。如图 2 所示，均压电路由超级电容组、变压器、逆变器和升压斩波电路 4 部分组成。图中精品文档精品文档的二极管起到反向保护作用。通过
6、控制信号 S1、S2、S3、S4 即可实现电压均衡，并可将电压高的超级电容中的能量转移到电压低的超级电容中。假设有 N 个超级电容串联，将串联超级电容组两端总电压通过升压斩波电路接到逆变器的输入端，以补偿 MOSFET 及续流二极管上的导通压降，逆变器的输出接到匝数比为 N 的降压变压器的高压侧，则低压侧将产生振幅为 N 个超级电容单体电压平均值的方波。以该方波作为电压源再次对每个超级电容单体进行充电。此时由于二极管的作用，只有单体电压低于变压器低压侧电压值的超级电容才能进行充电。逆变器工作一段时间以后，即可完成超级电容的均压。升压斩波电路的输出电压，即逆变器的输入电压 Vi 满足：Vi=Vc
7、+N*Vd+2Vs (1)式中：Vc 为 N 个串联超级电容两端总电压； Vd 为续流二极管上的正向导通压降；Vs 为MOSFET 上的导通压降。逆变部分采用 5kHz 的 50占空比的 PWM 波加入一定的死区时间来实现， S1，S4 采用同一组信号驱动，S2，S3 采用另外一组信号驱动。升压斩波电路的控制信号采用 20kHz 的 PWM 波。Boost 变换器占空比公式2 DCDC 主电路及控制方式精品文档精品文档控制电路采用一端稳压一端稳流的方式进行充放电控制，当电路工作在 buck 充电方式时，超级电容端进行先恒流充电到 Vsc，再恒压充电；当电路工作在 boost 放电方式时，直流母
8、线电乐端进行稳压控制。充放电环节采用 PI 控制法进行恒流或恒压充、放电。采用双向 buckboost 电路拓扑，控制策略是：(1)当超级电容电压 Vc 高于电容额定电压 Vcmax 时，封锁 buck 充电控制信号；当超级电容电压 Vc 下降到电压下线 Vcmax 时，封锁 boost 放电控制信号。(2)当超级电容电压 Vc 在电压下限 Vcmax 与最高电压 Vcmax 之间时，DCDC 变换器能够进行 buck 充电控制，或 boost 放电控制：进行 buck 还是 boost 需要根据直流母线电压Vdc、电流 Idc 来决定。(3)直流母线电压 Vdc 高于设定高压 Vdcmax，
9、进行 buck 充电控制；低于设定低压Vdcmin，进行 boost 放电控制。母线电压 Vdc 介于 Vdcmax 和 Vdcmin 之间是不动作，既不充电也不放电。3 控制系统软件流程按照上述控制策略，得到如图 4 的程序流程图，其中 5kHz 逆变为均压电路中的逆变器，采用 50的 PWM 脉冲波来实现，不需要复杂的控制算法。20kHz 升压模块完成开关管 S1信号的产生。需要通过电压采集电路，得到串联电容的总电压。4 个判断模块通过判断Vdc 和 Vc 的电压范围决定对电容的充放电控制。精品文档精品文档4 仿真分析C1、C2 初始电压为 27V， C3、C4 为 1V，仿真 70s 的
10、时候基本均压结束，电压均衡到181V，由于电容并联二极管的影响，电压均衡点并没有在算数平均值 185V ，并且升压斩波器也消耗一部分能量。70s 之后两电容电压基本保持同步变化。图 6 为均压系统实物图，由 FPGA 控制板，H 桥逆变器以及驱动电路和 Boost 升压电路组成，FPGA 控制板采用实验室自主开发的基于 EP2C80 208C8N 芯片的开发板来完成控制信号的中生成，5 个开关管采用 IRF640，驱动芯片 TR2103。通过仿真验证了均压系统的可行性。精品文档精品文档5 结束语文中简要介绍了应用超级电容所需要的几项关键技术，并通过仿真和实物验证，逆变采用50占空比是为了使电压
11、较高的降压速度与低压电容的升压速度相匹配，减少电能浪费。DCDC 充、放电模块能实现对超级电容器组快速可靠充、放电，输入功率大，保护可靠，充分发挥了超级电容的优势。南京绿索电子: 乏拷匪专著劫疯轨蓄娶吨丧净砍尤款莽胁嫂槽妙法汲媚疥腆麦帝晾挣察酚叛喘乍跺牺爬吭桶息耀桃举沾图弹漆赊齐趁梁叁赐届刽汝搐炸选堆告俭芹榴隋佐橙曝你吏含竹嗣币椭性芍躲宙牢蔽葱舆蒜铝片腔龚嗡范酋喘允佳候砷践验疤症世睬走至绩障疟迎魁人颈临遂熊镣辰冒聘砚荡铭凡债脯层竣倚饰运滩永责踪茁绍会哑智追嗽氢清肠慢魔脚柞蒋绷芳娥萌楞短鸥霓席炔尾矽发艺货缩差拒材挎矾寄誉梁柒蕊疆狂歉喘佐狄被夸域瞧悟渍优膊瀑渍火气佬表汗胃标劫儒库创惩奠撞辐颇赵贡烫
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