基于FPGA的超級電容充放電控制

超級電容是近年發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。

Boost變換器占空比公式


2 DC／DC主電路及控制方式

控制電路采用一端穩壓一端穩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壓控制。充放電環節采用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。

3 控制系統軟件流程

按照上述控制策略，得到如圖4的程序流程圖，其中5kHz逆變為均壓電路中的逆變器，采用50％的PWM脈沖波來實現，不需要復雜的控制算法。20kHz升壓模塊完成開關管S1信號的產生。需要通過電壓采集電路，得到串聯電容的總電壓。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。


4 仿真分析

C1、C2初始電壓為2．7V，C3、C4為1V，仿真70s的時候基本均壓結束，電壓均衡到1．81V，由于電容并聯二極管的影響，電壓均衡點并沒有在算數平均值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為均壓系統實物圖，由FPGA控制板，H橋逆變器以及驅動電路和Boost升壓電路組成，FPGA控制板采用實驗室自主開發的基于EP2C80 208C8N芯片的開發板來完成控制信號的中生成，5個開關管采用IRF640，驅動芯片TR2103。通過仿真驗證了均壓系統的可行性。


5 結束語

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，充分發揮了超級電容的優勢。