基于FPGA的超级电容均压及充放电设计方案

1、超级电容简介

超级电容，又名电化学电容，双电层电容器、黄金电容、法拉电容，是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。

它不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原赝电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。

超级电容器结构上的具体细节依赖于对超级电容器的应用和使用。由于制造商或特定的应用需求，这些材料可能略有不同。所有超级电容器的共性是，他们都包含一个正极，一个负极，及这两个电极之间的隔膜，电解液填补由这两个电极和隔膜分离出来的两个的孔隙。

超级电容器的结构如图所示．是由高比表面积的多孔电极材料、集流体、多孔性电池隔膜及电解液组成。电极材料与集流体之间要紧密相连，以减小接触电阻；隔膜应满足具有尽可能高的离子电导和尽可能低的电子电导的条件，一般为纤维结构的电子绝缘材料，如聚丙烯膜。电解液的类型根据电极材料的性质进行选择。

上图中各部分为：（1）：聚四氟乙烯载体；（2）（4）：活性物质压在泡沫镍集电极上；（3）：聚丙烯电池隔膜。

超级电容器的部件从产品到产品可以有所不同。这是由超级电容器包装的几何结构决定的。对于棱形或正方形封装产品部件的摆放，内部结构是基于对内部部件的设置，即内部集电极是从每个电极的堆叠中挤出。这些集电极焊盘将被焊接到终端，从而扩展电容器外的电流路径。

对于圆形或圆柱形封装的产品，电极切割成卷轴方式配置。最后将电极箔焊接到终端，使外部的电容电流路径扩展。

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。图中的二极管起到反向保护作用。通过控制信号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+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

2DC／DC主电路及控制方式

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buck／boost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，DC／DC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，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。

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。

C1、C2初始电压为2．7V，C3、C4为1V，仿真70s的时候基本均压结束，电压均衡到1．81V，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1．85V，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EP2C80208C8N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。

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。DC／DC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。