基于FPGA的超級電容均壓及充放電設計

摘要：由于超級電容器單體性能參數的離散性，當多個單體串聯組成電容器組時，在充放電過程中容易造成過充或過放現象，嚴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，降低不必要的能量消耗。
關鍵詞：DC／DC變換；超級電容；串聯均壓

超級電容是近年發(fā)展快速的一種大容量儲能器件，具有功率密度高、充放電時間短、效率高、使用壽命長、清潔環(huán)保等特點。超級電容具有90％以上的充放電效率，充放電電流可達數安培至數百安培，充放電壽命可達10萬次以上。在電動汽車、UPS等產品上有很好的應用前景。
但是超級電容器參數存在離散性，即使是同一型號同一規(guī)格的超級電容器在其電壓、內阻、容量等參數上都存在著不一致性，這是由制造過程中工藝和材質不均造成的。而在使用中需要采用串聯的方式提高整體的輸出電壓，充電時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，當電容電壓達到一定值后，即t0時刻，冉采用恒壓充電，因為超級電容器的離散性，各單體到達t0時刻的時間就會不同，如果直接進行串聯充電可能會使某些單體過充，而某些單體又欠充，嚴重危害超級電容器的使用壽命，放電時同樣如此，會出現某些單體過放現象。因此保證各單體的均衡充放電，對有效發(fā)揮所儲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實現。
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即可實現電壓均衡，并可將電壓高的超級電容中的能量轉移到電壓低的超級電容中。

假設有N個超級電容串聯，將串聯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比為N的降壓變壓器的高壓側，則低壓側將產生振幅為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個串聯超級電容兩端總電壓；Vd為續(xù)流二極管上的正向導通壓降；Vs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，S1，S4采用同一組信號驅動，S2，S3采用另外一組信號驅動。
升壓斬波電路的控制信號采用20kHz的PWM波。