超級電容大電流均衡FPGA控制系統的制作方法

本發明屬于超級電容的均衡技術領域，特別涉及一種超級電容大電流均衡FPGA控制系統。

背景技術：

燃油汽車的發展造成了石油資源的巨大消耗，全球能源危機的不斷加深，同時加劇了溫室效應和大氣污染的危害。世界上大多數國家、政府以及汽車企業都普遍認識到節能減排是未來汽車產業的發展方向，而發展電動汽車將是解決這個難點的最佳辦法。電動汽車具有噪聲低，無尾氣排放、環境友好，熱效率高，排放低，可回收利用，改善能源結構等優點。各汽車生產企業正積極研發電動汽車，中國政府也在積極推廣電動汽車。電動汽車根據動力源可以大致分為純電動汽車，混合電動汽車和燃料電池電動汽車。這些電動汽車會配置超級電容作為儲能元件，特別是純電動汽車中廣泛應用多串超級電容作為動力源。

超級電容是一種利用雙電層原理直接儲存電能的新型儲能元件，其容量范圍一般從幾法拉到數萬法拉，具有非常高的功率密度，并且充放電速度非常快，可以在幾秒內從全放電狀態到達滿充狀態。

由于超級電容組的各個單體都是不同的個體，在生產工藝，生產時間等因素導致超級電容性能指標存在差別。雖然隨著技術的不斷進步，出廠前，超級電容內部之間的差別不斷縮小，但是使用過程中微弱的不一致性會隨著使用條件被不斷放大。這樣的不一致性將導致整組超級電容的容量與設計值偏差越來越大。在充電過程中，容量小的單體將首先被充滿，導致其他容量的超級電容不能獲得足夠的容量；在放電過程中，容量小的單體首先被放電到截止電壓，整組超級電容將停止放電。這樣的不一致性問題的存在，造成超級電容組的可用容量和使用壽命等方面遠不及單體超級電容，并且加大了對超級電容進行管理和控制的難度。實踐表明，當超級電容組的一致性問題發展到個別超級電容發生容量大幅減小，內阻顯著提高等情況時，整組超級電容的性能會在短時間快速惡化，從而使整個超級電容組報廢。

為了解決超級電容組不一致性問題，人們提出了超級電容的均衡技術。均衡管理的主要內容是檢測超級電容組的電壓，電流等參數，對這些參數進行識別，分析超級電容的一致性，通過控制裝置對能量體高的單體進行放電，使各個單體的狀態趨于一致。通過有效的均衡控制策略和均衡電路可以改善超級電容組的一致性問題，能夠延長超級電容組的壽命，降低超級電容組的維護成本，使安全高效智能使用的電動汽車獲得推廣。

目前通用的均衡系統是對每個超級電容配置一個放電電阻，通過檢查每個單體的電壓，對單體比較高的單體通過自己對應的放電電阻進行放電。當超級電容容量比較大時，該放電電阻放電電流將很難滿足快速均衡的要求。如果將每個超級電容對應的放電電阻功率變大，其體積和散熱將面對新的挑戰，現有采用電阻均衡的系統很少有大電流均衡的系統。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種超級電容大電流均衡FPGA控制系統。

本發明是這樣實現的：一種超級電容大電流均衡FPGA控制系統，包括超級電容組、大電流放電電阻、超級電容電壓檢測模塊、FPGA控制器和保護裝置，其中超級電容組包括至少二個串聯的超級電容，每個超級電容均對應一個第一接觸器和一個第二接觸器；超級電容的正極通過其對應的第一接觸器連接于大電流放電電阻的第一端，超級電容的負極通過其對應的第二接觸器連接于大電流放電電阻的第二端；超級電容的正極和負極與超級電容電壓檢測模塊能夠通電地相連接；FPGA控制器包括CAN端子和控制端子，CAN端子與超級電容電壓檢測模塊接，控制端子與第一接觸器和第二接觸器的控制端子連接；FPGA控制器控制超級電容對應的第一接觸器和第二接觸器導通時，超級電容與大電流放電電阻并聯，同一時刻只有一個超級電容與大電流放電電阻并聯；保護裝置包括直流接觸器和自恢復保險絲，直流接觸器和自恢復保險絲串聯在一起后連接于超級電容組的負極。

所述超級電容為基本超級電容單元即單體超級電容或者由多個基本超級電容單元并聯組成的超級電容磚。

本發明的超級電容大電流均衡FPGA控制系統包括超級電容的充放電均衡裝置，使超級電容在充放電過程中得到有效的管理和均衡，以提高超級電容的能效和使用壽命，并降低超級電容的維護成本。本系統采用FPGA作為主要均衡控制器，提高系統控制速度。本系統采用接觸器矩陣方式，實現對超級電容的大電流放電，以提高均衡的可靠性，并實現大電流放電。本系統結構簡單，操作方便，安全可靠，均衡效果好。

附圖說明

圖1為本發明實施例中超級電容大電流均衡FPGA控制系統的結構示意圖。

圖2為本發明實施例中超級電容大電流均衡FPGA控制系統充放電過程中的均衡控制方法流程圖。

具體實施方式

實施例：

下面結合附圖對本發明進一步說明。

以下描述用于揭露本發明以使本領域技術人員能夠實現本發明。以下描述中的優選實施例只作為舉例，本領域技術人員可以想到其他顯而易見的變型。在以下描述中界定的本發明的基本原理可以應用于其他實施方案、變形方案、改進方案、等同方案以及沒有背離本發明的精神和范圍的其他技術方案。

如圖1所示，一種超級電容大電流均衡FPGA控制系統，包括超級電容組、大電流放電電阻R（自帶散熱器的大功率電阻）、超級電容電壓檢測模塊、FPGA控制器和保護裝置，其中超級電容組包括至少二個串聯的超級電容，每個超級電容均對應一個第一接觸器和一個第二接觸器；超級電容的正極通過其對應的第一接觸器連接于大電流放電電阻R的第一端，超級電容的負極通過其對應的第二接觸器連接于大電流放電電阻R的第二端；超級電容的正極和負極與超級電容電壓檢測模塊能夠通電地相連接；FPGA控制器包括CAN端子和控制端子，CAN端子與超級電容電壓檢測模塊接，控制端子與第一接觸器和第二接觸器的控制端子連接；FPGA控制器控制超級電容對應的第一接觸器和第二接觸器導通時，超級電容與大電流放電電阻R并聯，同一時刻只有一個超級電容與大電流放電電阻R并聯；保護裝置包括直流接觸器和自恢復保險絲，直流接觸器和自恢復保險絲串聯在一起后連接于超級電容組的負極。

所述超級電容為基本超級電容單元即單體超級電容。

均衡對象超級電容1的負極與均衡對象超級電容2的正極連接，所述均衡對象超級電容2的負極與均衡對象超級電容3的正極連接，依次串聯各個均衡對象超級電容，直到均衡對象超級電容N-1的負極與均衡對象超級電容N的正極連接，所有超級電容依次串聯組成超級電容組，在所述超級電容組中，所述均衡對象超級電容1的正極為所述超級電容組的正極，所述均衡對象超級電容N的負極為所述超級電容組的負極。

每個所述均衡對象超級電容的正極通過對應的所述第一接觸器與所述大電流放電電阻R的第一端連接，每個所述均衡對象超級電容的負極通過對應的所述第二接觸器與所述大電流放電電阻R的第二端連接，所述第一接觸器和所述第二接觸器的控制端子K并聯后與所述FPGA控制器的控制端子連接。

每個所述第一接觸器的D1端子與所述均衡對象超級電容的正極連接，D2端子與所述大電流放電電阻R的第一端連接，控制端子K與FPGA控制端子連接。

每個所述第二接觸器的D1端子與所述均衡對象超級電容的負極連接，D2端子與所述大電流放電電阻R的第二端連接，控制端子K與FPGA控制端子連接。

所述的超級電容電壓檢測模塊與所述的超級電容的正極和負極能夠通電地相連接，用于檢測每個超級電容的電壓；通過CAN總線與所述的FPGA控制器鏈接，向FPGA控制器發送所檢測的電壓信號。

如圖2所示，本實施例的超級電容大電流均衡FPGA控制系統按照以下步驟運行：

a. FPGA控制器與超級電容電壓檢測模塊通信，獲得每個超級電容的電壓。

b. FPGA控制器根據獲得的N個超級電容電壓，找出電壓最大的超級電容，其中N大于等于2。

c. FPGA控制器求出所有超級電容的平均電壓。

d. 當電壓最大的超級電容與所有超級電容的平均電壓偏差大于一設定閥值時跳入步驟e，否則回到步驟a。

e. FPGA控制器通過控制電壓最大的超級電容對應的第一接觸器和第二接觸器使電壓最大的超級電容與大電流放電電阻R并聯，對超級電容進行放電。

f. 等待設定的時間T，FPGA控制器通過控制端子斷開所有接觸器開關，程序返回步驟a。