超级电容充放电控制.doc

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针对超级电容充放电控制的研究
中心议题:
均压控制原理
DC/DC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
2 DC/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