基于FPGA的超级电容器组均衡充电系统监控单元的研究
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第七章 超级电容器储能技术页数:48
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超级电容器储能系统的应用研究综述页数:3
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超级电容器直流储能系统在FTU上的应用页数:4
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电池充电均衡器的均衡效果分析及其解决方案
电池充电均衡器的均衡效果分析及其解决方案周宝林由于蓄电池都存在内阻并且各不相同，才导致组成串联电池组后各块电池的电压都不相同，由此催生了各种电池均衡器技术的研发，目前，技术上比较多的是电池充电均衡器，那么电池充电均衡器是否能彻底解决电池电压不平衡的问题呢，答案是否定的。
电池充电均衡器仅在电池充电期间起作用，可以有效控制个别电池防止出现过充电，在电池放电时不起作用，无法提升低电压电池的电压，依然会出现明显不均衡问题。
例如，电池组中有一块电池出现了内阻增大的问题（以下简称问题电池），在充电过程中，“问题电池”的端电压上升速度最快，首先达到充电限制电压，在充电均衡器的控制下，充电器此后的输出电能大部分都充到了其它正常电池中，“问题电池”相比其它电池只充入了部分电能。
在放电过程中，放电电流都是一样的，经过一段时间放电，“问题电池”储存的电量首先消耗完，电压下降最快，最先达到放电终止电压，如果继续放电，则“问题电池”将造成严重亏电，形成过放电，甚至会造成容量无法恢复的伤害，此时，大部分电池仍处于电量较为充足的状态，有效电量没有释放出来。
一块“问题电池”就成了电池组的瓶颈，随着接下来的连续充放电，“问题电池”将变得更加严重，变成了一个“可变电阻”，导致整个电池组的放电电流急剧减小，输出电压严重不足，经过多次充放电循环后，“问题电池”的储电能力和放电能力严重下降，严重影响整个电池组性能的发挥，成了“木桶效应”中的最短板。
如果再继续放电，那么“问题电池”不仅无法再释放电能，反而成了负载，极性反转，开始从其它电池吸收电能，导致温度升高。
对于重要系统，后备时间严重不足的问题还会导致重要设备的损坏，后果非常严重。
通过以上分析可以知道，电池充电均衡器虽然解决了电池在充电期间的均衡问题，但却无法解决电池放电期间的均衡问题，无法从根本上解决电池组的均衡问题，仍然属于功能上受限的均衡器。
适合的电池均衡器，应该同时具有充电均衡和放电均衡功能，不仅能够对电池充电期间进行均衡，而且在电池放电期间同样可以进行均衡。
超级电容器储能系统电压均衡的研究
ｓｔｒａｔｅｇｙ ｔｏ ｄｒｉｖｅ ｔｈｅ
刚ｔｃｈ
ｎｅｔ，Ａｓ
ｒｅｓｕｌｔ，ｅｎｅｒｇｙ ｗｉｌｌ ｂｅ ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ
ｂｅｔｗｅｅｎ
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ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｃｅｌｌｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｗｉｌｌ ｂｅ ｒｅｄｕｃｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ．ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｄａｔａ．
和应急电源等领域具有广泛的应用前景。对于大功率储能系统来说，为了满足容量和电
压等级的需要，一般是由多个超级电容器串联和并联的组合方式构成。然而超级电容器 在串并联使用时，单体电容器参数的分散性是制约其寿命和可靠性的主要因素。因此， 为了提高储能效率，对超级电容器组合进行电压均衡管理具有十分重要的意义。 本文针对超级电容器串联使用时充电电压的均衡问题，对超级电容器组充放电均衡
和高比功率输出的贮能系统。
超级电容器储能系统电压均衡的研究
（６）高可靠性。超级电容器工作过程中没有运动部件，维护工作极少，因而超级电
容器的可靠性是非常高的。
（７）对环境无污染。产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程中均没有环
境污染，是理想的绿色环保电源。
超级电容器的一个很大缺点是其参数的不一致【５．６】。同一型号规格的超级电容器在电 压、内阻、容量等参数上存在着不一致性，这主要是由制造过程中工艺和材质不均造成 的，而在超级电容器使用过程中，工作环境不同以及电压不均匀的积累又加剧了超级电
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ｈｉｇｈｅｒ
浙江大学电气工程学院(系)校级第十二期SRTP教师立项结
浙江大学电气工程学院(系)校级第十二期SRTP
说明：1.学生参加SRTP 总评成绩按优秀、良好、中等、合格、不合格等级评定。
2.成果形式：按论文（设计）、产品（开发）、专利（推广）、研究报告、调研报告等类别。
3.由学院(系)本科教学管理填写,并存档。
浙江大学电气工程学院(系)校级第十二期SRTP
说明：1.学生参加SRTP 总评成绩按优秀、良好、中等、合格、不合格等级评定。
2成果形式：按论文（设计）、产品（开发）、专利（推广）、研究报告、调研报告等类别。
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浙江大学电气工程学院(系)院系级第 十二 期SRTP
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国家开放大学最新《新能源汽车》形考任务 形考任务一至终考 试题与答案解析
国家开放大学最新《新能源汽车》形考任务试题与答案解析标红的就是正确答案盗用必究形考任务一1.发展新能源汽车的主要有（）个原因。
单选题(2 分)A.2B.3C.4D.52.（）是指因为能源供应短缺或是价格上涨而影响经济。
单选题(2 分)A.能源危机B.经济危机C.生态危机D.财政危机3.造成全球变暖的最主要的气体是（）单选题(2 分)A.二氧化碳B.甲烷C.一氧化碳D.氮氧化物4.“LNG”代表的含义是（）单选题(2 分)A.燃料电池车B.压缩天然气汽车C.纯电动汽车D.液化天然气汽车5.在以下新能源汽车中资源最丰富的是（）单选题(2 分)A.燃料电池汽车B.纯电动汽车C.混合动力汽车D.燃气汽车6.电动汽车电机分为（）、静止电机和直线电机三大类。
单选题(2 分)A.交流电机B.旋转电机C.变压器直流电机D.永磁直流电机7.电动汽车主要以（）为能源、全部或部分由电机驱动的汽车。
单选题(2 分)A.动力电池B.发动机C.发电机D.电动机8.动力系统的冷却方式主要是以（）为主。
单选题(2 分)A.直冷B.自然冷区C.风冷D.水冷9.电动汽车主要由底盘、电力驱动系统、（）、车身组成。
单选题(2 分)A.发动机B.电气C.起动机D.电源10.电动汽车用电池的主要性能指标是比能量、能量密度、比功率、（）和成本等。
单选题(2 分)A.循环寿命B.蓄电速度C.环保指数D.放电稳定性11.纯电动汽车上的车载电源一般为动力电池，相当与传统汽车中的（）。
单选题(2 分)A.发动机燃油箱C.变速器D.蓄电池12.纯电动汽车的（）相当与传统汽车中的内燃机。
单选题(2 分)A.动力电池B.DC-DCC.电机D.辅助蓄电池13.“HEV”的含义是( ）。
单选题(2 分)A.纯电动汽车B.燃料电池汽车C.燃气汽车D.混合动力汽车14.混合动力根据动力来源进行分类，可分为（）种类型。
单选题(2 分)A.5B.4C.3D.215.铅酸蓄电池的单体工作电压是( )单选题(2 分)A.12v2vC.1.2vD.1.5v16.为了让停止起动功能进入停止模式而要满足的条件有哪些（）多选题(3 分)A.必须要松开离合器踏板B.车速小于10km/hC.挂入空挡或P挡D.自动启停开关按钮的LED灯常亮17.当在带有增强型起动机的自动启停功能的车辆上是停止模式的时候，哪些部件还是可运行的（）。
超级电容系统中直流变换器的电压均衡方法
工程技术科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald1291 超级电容系统超级电容是通过电化学的转变实现储能的电化学元件，具有很高的功率密度，超过一般的储能元件或系统，工作过程中的充放电时间很短，能实现快速的能量存储和释放，循环利用的寿命长，能多次的充放电而不至于器件产生损坏，工作温度范围较宽，受外部环境的影响较小。
目前，超级电容系统广泛应用于电网系统、轨道交通多能源系统、电动汽车储能系统等领域，具有很好的应用前景。
2 超级电容系统的电压均衡方法2.1 稳压管电压均衡法稳压管电压均衡策略的电路结构简单，各电容器的电压从初始电压开始以相同的斜率线性增加，在经过不同的时间后，分别增加到限值后电压达到稳定，保持水平趋势。
2.2 开关电阻均衡法开关电阻均衡策略的电路结构与稳压管电压均衡法相比稍显复杂，各电容器的电压从初始电压开始以相同的斜率线性增加，在经过不同的时间后，分别增加到基准电压值，DOI：10.16660/ k i.1674-098X.2017.14.129超级电容系统中直流变换器的电压均衡方法董雪鹏（南京南瑞继保电气有限公司 江苏南京 210008）摘 要：针对超级电容系统中多电容共同工作时容易出现各电容之间互相干扰、混乱充放电的问题，在分析几种常用的电压均衡方法的特点后，给出了一种改进型的直流-直流变换器的电压均衡方法，有效地解决了各电容器混充的局面，具有很好的电压均衡性，对于工程实际应用具有较高的可行性。
关键词：超级电容 直流-直流变换器 电压均衡中图分类号：TM343文献标识码：A文章编号：1674-098X(2017)05(b)-0129-03图1 DCDC变换器均衡法仿真电路图图2 DCDC变换器均衡方案各单体电容电压随时间变化波形. All Rights Reserved.工程技术科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald130随后各电容的电压非线性增加，最终稳定在电压限值，保持水平趋势。
新能源汽车关键零部件的种类与功能介绍
一、电池系统1. 锂离子电池锂离子电池是新能源汽车中最常用的电池类型，具有高能量密度和长寿命的优点。
它能够为汽车提供持久的动力，并且在充电过程中能够较快地充满电。
2. 超级电容器超级电容器是一种能够快速存取并释放储能的电容器，用于在新能源汽车中提供瞬时的动力输出。
它具有高功率密度和长循环寿命的特点，能够有效地提高车辆的加速性能和能量回收效率。
二、电动机系统1. 永磁同步电机永磁同步电机是新能源汽车中常见的电动机类型，它采用永磁材料制成的转子，具有高效率、高功率密度和良好的动力响应特性。
它能够有效地转换电能为机械能，驱动汽车前进。
2. 交流异步电机交流异步电机是一种简单结构、成本较低的电动机，被广泛应用于新能源汽车中。
它具有良好的过载能力和稳定性，能够适应各种工况下的驱动需求。
三、电控系统1. 电控器电控器是新能源汽车中控制电动机工作的重要设备，它能够精确控制电机的转速和输出扭矩，保证车辆在各种驾驶条件下的高效稳定工作。
2. 动力电池管理系统（BMS）BMS是对动力电池进行监测、管理和保护的系统，能够实时监测电池组的电压、温度和状态，并对电池进行均衡管理和安全保护，提高动力电池的安全性和使用寿命。
四、能量回收系统1. 制动能量回收系统制动能量回收系统能够将刹车时产生的动能转换为电能并储存到电池中，提高能源利用率，延长车辆行驶里程。
2. 能量回收制动器能量回收制动器是一种能够将汽车制动过程中产生的动能转化为电能并储存在电池中的装置，通过智能控制能够实现高效率的能量回收。
五、热管理系统1. 散热器散热器是新能源汽车中用于散热的重要部件，能够有效地将电动机、电池和电控器产生的热量散发出去，保持系统稳定工作。
2. 制冷系统制冷系统能够对电池组和电动机进行制冷，保持其在适宜的工作温度范围内，提高系统的工作效率和安全性。
新能源汽车的关键零部件种类繁多，各具特点和功能，它们共同构成了新能源汽车高效、可靠的动力系统和能源管理系统，为新能源汽车的推广和发展做出了重要贡献。
超级电容充放电控制电路
摘要：超级电容是一种新型的储能元器件，它相比其它储能元器件有很多优势，比如比功率高、充电速度快、放电电流大、使用寿命长、不污染环境等。
其具有很大的发展前景，但由于超级电容个体电压不高，在实际应用过程中就需要将多个超级电容器串并联起来使用。
超级电容在充放电过程中，由于其参数存在离散型，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一定的差异。
这样容易导致某些超级电容器过充或者过放，影响超级电容的使用寿命和系统的稳定性。
同时，超级电容器在充放电过程中，超级电容器电池组两端的电压会逐渐下降，尤其经过长时间大电流放电，电压下降明显，会直接影响负载的工作稳定性。
因此研究超级电容充放电控制电路对提高超级电容的使用寿命和系统稳定性十分重要。
本文主要对超级电容器电池组采取电压均衡和放电稳压就行设计研究。
超级电容器的充放电控制电路有恒压、恒流等。
放电稳压有稳压管稳压、三极管反馈稳压、集成芯片稳压等等方式。
联系到将超级电容用作后备电源，针对实际应用列出了详细的设计步骤和研究方案。
关键词: 超级电容电压均衡放电稳压1 绪论1.1 课题研究背景及意义1.1.1 课题研究背景当今社会由于石油、煤炭等传统能源日益枯竭，并且这些燃料燃烧对生态环境已经造成了严重的污染。
目前人们研究的层次还是局限于油、气混合动力燃料电池、化学电池的研究。
虽然其研究成果取得了一定的成就但是他们的缺点也日益暴露出来比如：使用寿命短、温度特性差、充放电速度慢、放电电流小、对环境仍有一定的污染等。
所以人们迫切希望能够找到一种绿色环保的储能装置代替传统的储能装置。
而超级电容器是上个世纪80年代初出现的新产品，是一种介于传统电容器和充电电池之间的新型储能器件。
它有其功率高、充电速度快、储存能量大、放电电流大、使用寿命长、免维护等优点。
随着便携式电气设备的普及，超级电容在电动汽车的研发、UPS电源、数码产品电源的发展获得了极大的应用。
1.1.2 课题研究意义超级电容器的单体电压不高，一般只有1V—4V，在实际的应用中通常根据需要将超级电容器串并联起来使用。
超级电容器储能系统研究-开题报告
中北大学毕业论文开题报告学生姓名：学号：学院、系：信息与通信工程学院电气工程系专业：电气工程及其自动化专业论文题目：超级电容器储能系统研究指导教师:2013 年2月 27 日毕业论文开题报告1．结合毕业论文情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文献综述1.1课题研究背景及意义超级电容器的发展始于20世纪60年代，起先被认为是一种低功率、低能量、长使用寿命的器件。
但到了20世纪90年代，由于混合电动汽车的兴起，超级电容器才受到广泛的关注并开始迅速发展起来。
现今，大功率的超级电容器被视作一种大功率物理二次电源，各发达国家都把对超级电容器的研究列为国家重点战略研究项目。
目前，超级电容器在电力系统中的应用越来越受到关注，如基于双电层电容储能的静止同步补偿器和动态电压补偿器等，国内外对他的研究和应用正在如火如荼地进行[1-2]。
与常规电容器不同的是它的容量可达到法拉级甚至千法拉级，且具有功率密度高，充放电速度快，寿命长，工作温度范围宽，可靠性高以及无污染等特点[3]。
超级电容器的出现填补了传统静电电容器和化学电源之间的空白，并以优越的性能及广阔的应用前景而受到了许多国家的重视。
由于超级电容器储能密度大，且能快速地吸收和释放能量，因而在光伏发电、风力发电等分布式发电系统中对提高电能质量的作用重大[4]。
当分布式发电系统出现电压波动、大电网短时间供电中断等情况时，超级电容器可快速充放电以改善负荷电压，从而保证系统的安全性和可靠性[5]。
1.2国内外发展现状1.2.1国外发展现状超级电容器作为一种很有应用前景的新型储能装置，在国外已有相当多的部门或机构在从事这方面的研究和创新，有部分公司还实现了产品的商业化。
目前，日本、美国和俄罗斯在这方面处于领先地位，几乎占据了整个超级电容器市场，这些国家的超级电容器产品在容量、功率和价格等方面各有自己的特点与优势，特别是日本，目前在全球的超级电容器生产总量中，日本本国生产占据了70％，如果算上日本在海外的生产厂家，其占有率超过90％，另外澳大利亚、印度以及欧共体中许多国家也在电化学超级电容器的研发和产业化方面展开了大量的工作[6-7]。
超级电容器的现状及发展趋势综述
文献综述超级电容器的现状及发展趋势目录1 前言2 超级电容器发展现状3 超级电容的特点4 超级电容器电压均衡技术解决方案5 超级电容器的发展趋势与展望6 小结21.前言随着化石能源资源的日益匮乏和人们强烈的环保意识，有力地促进了太阳能和风能等可再生能源的发展。
但太阳能、风能具有波动性和间歇性，需要有效的储能装置保证其能够稳定的在电网中并网工作。
同时，电动汽车产业的快速发展也迫切需要发展低沉本、环境友好、能量密度高的储能装置。
超级电容器也叫做双电层电容器是一种具有高能量密度的新型储能元器件，它可提供大功率并具有超长寿命，是一种兼备电容和电池特性的新型元件，在混合动力电动车、脉冲电源系统和应急电源等领域具有广泛的应用前景。
而对于大功率系统来说，由于超级电容单体的电压值和能量都比较低，不能满足应用系统功率、放电时间及电压要求。
为满足实际应用工况的电压需求，需将多个单体串并联以提高储能模块的工作电压，单体电容器参数的分散性是制约超级电容器模块寿命和可靠性的主要因素。
然而市面上同一型号规格的超级电容器在电压、内阻、容量等参数上存在着不一致，并且在超级电容器使用过程中，工作环境不同以及电压不均匀的积累又加剧了超级电容器的参数不一致性。
这种离散性极易造成超级电容的过充或过放，从而影响系统的使用寿命和可靠性。
因此，研究和实现超级电容器的电压均衡对于提高超级电容器的整体性能是十分必要和关键的技术。
基于此本文将主要对超级电容器的发展现状、优缺点、电压均衡方法及未来的发展趋势进行阐述。
2.发展现状超级电容器利用双电层原理直接存储电能，其容量可达数万法拉，是介于蓄电池和传统电容器之间的一种新型储能装置。
超级电容器储存的能量E=25.0V C ⨯⨯，与容量C 和工作电压V 的平方成正比，具有较大的比电容、充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保的特点。
同时，与化学电源相比较，超级电容具有跟高的比功率，能够在短时间内释放化学电源所难达到的大电流，这一性质很好带地满足了某些电设备对瞬时大电流的需求，具有很大的发展潜能。
基于FPGA的超级电容器均衡充电电路设计与实现
ＦＰ Ｇ Ａ 为检测、控制单元，有效地对电容进行充放电控制，防止其过充或者过放，提高了超级电容器的循环使用次数，
并且降低了不必要的能量消耗。
关键词：超级电容器；均衡充电；飞渡电容；ＦＰ Ｇ Ａ
中图分类号：ＴＭ ５３
文献标识码：Ａ
文章编号：１００２－０８７ Ｘ （２０１１）０５－０５４０－０３
Charging equalization circuit design and implement for ultra-capacitors based on FPGA
(2) 采用开关网络加光耦的电压检测方式，如图 5(B)所 示，超级电容器单体的电压值通过开关网络切换，送至光耦，
图 ５ 电压检测法比较图
５４１
２０１１．５ Ｖ ｏｌ．３５ Ｎ ｏ．５
研究与设计
然后光耦数据送 AD 芯片采样，最后送 FPGA 进行分析。相对 于广泛采用的电阻分压式检测法[5,6,9][如图 5(A)所示]，光耦检 测法具有更好的隔离性，同时该方法节省电阻上的电能消耗，
研究与设计
基于 ＦＰ Ｇ Ａ 的超级电容器均衡充电电路设计与实现
封世领， 刘 强， 李志强 (电子科技大学 空天科学技术研究院，四川 成都 610054)
摘要：由于超级电容器单体性能参数存在的离散性，当多个单体串联组成电容器组时，在充放电过程中容易造成过充
或过放现象，严重危害超级电容器的使用寿命。在比较现有的几种均衡充电电路基础上提出一种新的解决思路，以
相对于采用电池电源供电的充电电路尤为重要。
１．３ 充电流程
充电流程图如图 6 所示。
图 ６ 充电流程图
该电路电池电压为 12 V，单体电容电压为 2.7 V，恒压时 D=22.5，近似等于 23。启动后先对电容 1 充电，当充电电流大 于某固定值时，暂时关闭 PWM 开关，因开关频率比较快，因 此可以近似达到恒流的目的；不断检测电容电压，当电压值达 到某固定值时采取恒压充电，开关波形占空比 D=23, 充电至 额定电压后续充 1 s，保证充电完整，然后采用同样的顺序对 剩余电容器进行充电，同样在放电过程中对各个单体电压进 行巡检，可以防止过放。
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第29卷 第3期2006年9月电子器件Chinese J ournal of Elect ron DevicesVol.29 No.3Sep.2006Monitoring U nit B ased on FPG A for U ltracap acitor Equ alization Ch arging SystemYA N G W ei ,YA N G S hi 2y an ,GUO W ei 2f eng(Depart ment of Elect rical Engineering ,Harbin i nstit ute of technolog y ,Harbin 150001,China )Abstract :An equalization charging system ,which consist s of double power supplies ,is developed to keep t he energy uniformity of each cell of t he serially connected ultracapacitor using in t he elect ric bus.Voltage sampling circuit ,switching network of t he equaling power supply and t he FP GA 2based cont roller of t he monitoring system are given.The p roposed system divert s energy from ult racapacitor stack to t he weak ones automatically ,and it can p revent ult racapacitor f rom overcharging and overdischarging by ensuring energy equalization of cells.It is p ropitious to improve energy efficiency and enhance t he cycle life of ultra 2capacitor.K ey w ords :ultracapacitor ;equalization charging ;monitoring ;FP GA EEACC :8407基于FPG A 的超级电容器组均衡充电系统监控单元的研究杨 威,杨世彦,郭伟峰(哈尔滨工业大学电气工程系,哈尔滨150001)收稿日期:2005210213作者简介:杨 威(19782),男,博士研究生,研究方向为电力电子技术应用yangv @ ;杨世彦(19632),男,教授,研究方向为电力电子技术应用;郭伟峰(19812),男,硕士研究生,研究方向为电力电子技术应用。
摘 要:动力型超级电容器组作为电动城市公交客车能量源时,必须保证电容单体在充、放电过程中的能量均衡,为此提出了双电源的均衡充电系统结构。
通过电阻分压采样电路和继电器矩阵式均衡电源投切网络的设计,以FP GA 为核心构成了均衡充电系统监控单元。
这种控制方案实现了电容器组整体能量向电容单体的转移,保证了各单体的能量均衡,有效避免了过充、过放,有利于提高电容器组能量存储效能,并延长其循环使用寿命。
关键词:超级电容器;均衡充电;监控;FP GA 中图分类号:TM910 文献标识码:A 文章编号:100529490(2006)0320755204 超级电容器具有比功率大、充电速度快、充放电效率高、循环使用寿命长等突出优点,是一种理想的电动城市公交客车能量源[1～3]。
在使用过程中一般把超级电容器单体串联为一组,以提高输出电压。
串联超级电容器组均衡地充、放电能有效避免组内各单体的过充、过放,可以充分发挥超级电容器组的效能,提高其使用安全性,延长各单体的循环使用寿命[4]。
因此超级电容器组均衡充电系统对提高电动城市公交客车的性能有着重要意义。
监控单元是均衡充电系统中的核心部分,是决定超级电容器组各单体能量均衡水平的关键。
1 超级电容器组均衡充电系统电动城市公交客车选用的超级电容器单体容量为167F ,共20个串联为一组,电压变化范围190～340V 。
超级电容器组均衡充电系统是由充电电源、均衡电源和监控单元组成的,其结构如图1所示。
充电电源为非车载式电源,放置在电动城市公交客车的终点站内使用。
它具有恒流限压的输出特性,能输出大电流为串联超级电容器组进行快速充电,保证电动客车在终点站短暂停留时能快速地得到能量补充,从而弥补超级电容能量密度小导致行驶里程短的缺陷。
均衡电源为车载式电源,具有先恒流后恒压的输出特性,可以脱离充电电源单独工作。
它以串联超级电容器组为输入,通过切换网络可以在组内的各单体之间切换,为单体进行补充充电。
均衡电源实质上是不断地利用整组超级电容器发出的能量对组中能量最低的单体进行补充,从而促进各单体的能量均衡。
均衡电源在车辆运行时可继续工作,所以该系统不仅可以实现快速均衡充电,还能使超级电容器组在放电时保持各单体能量均衡。
图1 超级电容器组均衡充电系统电动城市公交客车选用的超级电容器有较好的容量一致性,因此可以以单体电压为依据来判断超级电容器各单体的能量是否均衡[4]。
监控单元是整个均衡充电系统的核心控制部分,它负责实时监控组内各单体的电压,也就是各单体的能量情况,并通过控制切换网络实现均衡电源在组内各单体间的切换,使均衡电源为能量较低的单体进行补充充电,来促进组内各单体的能量均衡。
设计能准确检测单体电压,并能可靠控制投切网络的监控单元是实现超级电容器组均衡充、放电的关键。
2 监控单元的硬件设计监控单元总体框图如图2所示,主要由基于现场可编程逻辑阵列FP GA 的控制器、电压采样电路和均衡电源切换网络组成。
图2 监控单元总体框图2.1 基于FP GA 的控制器利用FP GA 的现场可编程功能可以实时改变电路系统,设计调试方便灵活,而且可以实现不同的控制策略以满足监控单元的需要。
这里采用了Al 2tera 公司生产的FL EX10K 系列FP GA 产品[5]。
该系列FP GA 内部采用了连续式布线结构,可以通过设计模型精确计算器件的时延,克服了其他FP GA 无法预测延时的缺点[6]。
基于FP GA 的控制器是整个监控单元的核心,它首先控制多路开关的切换,依次采集经过电阻分压后的各单体的采样电压,然后控制数/模转换器将采样电压变为数字量,当控制器判断出电压最低的单体后,发出驱动信号驱动切换网络,把均衡电源投切到该单体上,对其进行补充充电。
经过一段时间的延时后,再对各单体的电压进行检测,重新进行上述过程,这样不断促进组内各单体的能量均衡。
2.2 电压采样电路超级电容器单体串联成一组使用,最高电压达到340V ,如果采用在每个单体接线端上跨接差分运算放大器的方法,就面临着共模电压过高的问题,必须采用较昂贵的隔离运算放大器[7]。
这里采用了电阻分压的方法,如图3所示,通过选取适当的电阻,经过分压可把几百伏的电压降低到几百毫伏,这样共模电压得以减小,同时也满足了模拟多路开关对输入输出电压大小的要求。
当两个多路开关同时切至第一路时,U AB =U A12U A2,即A 、B 两端得到的是超级电容器单体C 1经过电阻分压后的电压,即C 1的采样电压,同样地当两个多路开关同时切至第N 路时,A 、B 两端即得到C N 的采样电压。
采样电压经过多路开关后,再对其进行放大,使其电压和模/数转换器匹配,经模/数转换变为数字量后送入基于FP GA 的控制器中。
图3 电压采样电路2.3 均衡电源切换网络均衡电源投切网络要完成均衡电源在各超级电容器单体上的切换,由多个继电器作为切换元件组成的投切网络如图4所示。
图中共有11个继电器,均处于关断状态。
只要继电器D 0=0,即继电器D 0处于关断状态,均衡电源就被切除。
当继电器D 0=1时,通过改变继电器D 1～D 10的状态,可以把均衡电源投切到不同的超级电容器单体上。
例如当继电器D 1、D 2的线圈动作,而其他继电器线圈不动657 电 子 器 件 第29卷作时,均衡电源就被投入到超级电容器单体C 2上。
在投切过程中,总是先断开继电器D 0,切除均衡电源,然后其他继电器再开始动作,最后继电器D 0开通,将均衡电源接入,以防止均衡电源可能出现接入错误的情况导致超级电容器损坏。
以这种用继电器组成矩阵的方式构成投切网络,所需继电器的个数较少,有助于提高投切电路的可靠性。
图4 均衡电源投切网络3 监控单元的软件设计采用V HDL 语言对基于FP GA 的控制器进行了设计,软件的总体框图如图5所示。
图5 监控单元软件总体框图其中总控制单元负责控制协调其他各单元的运行,首先总控制单元启动采样单元开始进行电压采样,采样单元发出控制信号控制多路开关在各采样电阻上进行切换,同时启动模/数转换单元运行,控制模/数转换器对各个采样电压进行模/数转换。
采样完成后,总控制单元关闭采样单元,启动延时单元,同时最小值单元也开始工作,找出电压最低的超级电容器单体。
随后总控制单元启动驱动单元,发出驱动信号,控制切换网络把均衡电源投入到该单体上为其充电,经过一定时间的延时后,总控制单元再次启动采样单元开始进行下一次采样。
控制器与外部的接口信号如下,CD 0～CD 5是多路开关的地址信号,VD 0～VD 7是模/数转换信号,ADDS 1～ADDS 3、AL E 、STAR T 、CE 、EOC 是模/数转换器地址及控制信号,QD 0～QD 10为切换网络中继电器驱动信号。
3.1 总控制单元总控制单元主要是控制采样单元和延时单元工作,采用了状态机,如图6所示。
当使能[EN ]=0时,采样单元和延时单元都停止工作,整个控制器也就停止工作。
当使能[EN ]=1时,总控制单元交替启动采样单元和延时单元。
图中CON_EN_C Y 是采样单元启动信号,CON_EN_YS 是采样单元启动信号,EN _C YEND 是采样完成信号,EN _YSEND 是延时完成信号。
均衡电源为超级电容器单体充电的时间是由延时单元给定的,可以根据各单体能量均衡的情况设定相应的充电时间。
图6 总控制单元状态机3.2 采样单元与模/数转换单元采样单元主要控制多路开关的切换,也采用了状态机,如图7所示。
当总控制单元发出的采样单元启动信号CON_EN_C Y =1时,首先选通超级电容器单体C 1,使其采样电压进入模/数转换器中,然后启动模/数转换单元控制模/数转换器对C 1采样电压进行模/数转换。