超级电容大电流均衡FPGA控制系统的制作方法

本发明属于超级电容的均衡技术领域，特别涉及一种超级电容大电流均衡FPGA控制系统。

背景技术：

燃油汽车的发展造成了石油资源的巨大消耗，全球能源危机的不断加深，同时加剧了温室效应和大气污染的危害。世界上大多数国家、政府以及汽车企业都普遍认识到节能减排是未来汽车产业的发展方向，而发展电动汽车将是解决这个难点的最佳办法。电动汽车具有噪声低，无尾气排放、环境友好，热效率高，排放低，可回收利用，改善能源结构等优点。各汽车生产企业正积极研发电动汽车，中国政府也在积极推广电动汽车。电动汽车根据动力源可以大致分为纯电动汽车，混合电动汽车和燃料电池电动汽车。这些电动汽车会配置超级电容作为储能元件，特别是纯电动汽车中广泛应用多串超级电容作为动力源。

超级电容是一种利用双电层原理直接储存电能的新型储能元件，其容量范围一般从几法拉到数万法拉，具有非常高的功率密度，并且充放电速度非常快，可以在几秒内从全放电状态到达满充状态。

由于超级电容组的各个单体都是不同的个体，在生产工艺，生产时间等因素导致超级电容性能指标存在差别。虽然随着技术的不断进步，出厂前，超级电容内部之间的差别不断缩小，但是使用过程中微弱的不一致性会随着使用条件被不断放大。这样的不一致性将导致整组超级电容的容量与设计值偏差越来越大。在充电过程中，容量小的单体将首先被充满，导致其他容量的超级电容不能获得足够的容量；在放电过程中，容量小的单体首先被放电到截止电压，整组超级电容将停止放电。这样的不一致性问题的存在，造成超级电容组的可用容量和使用寿命等方面远不及单体超级电容，并且加大了对超级电容进行管理和控制的难度。实践表明，当超级电容组的一致性问题发展到个别超级电容发生容量大幅减小，内阻显著提高等情况时，整组超级电容的性能会在短时间快速恶化，从而使整个超级电容组报废。

为了解决超级电容组不一致性问题，人们提出了超级电容的均衡技术。均衡管理的主要内容是检测超级电容组的电压，电流等参数，对这些参数进行识别，分析超级电容的一致性，通过控制装置对能量体高的单体进行放电，使各个单体的状态趋于一致。通过有效的均衡控制策略和均衡电路可以改善超级电容组的一致性问题，能够延长超级电容组的寿命，降低超级电容组的维护成本，使安全高效智能使用的电动汽车获得推广。

目前通用的均衡系统是对每个超级电容配置一个放电电阻，通过检查每个单体的电压，对单体比较高的单体通过自己对应的放电电阻进行放电。当超级电容容量比较大时，该放电电阻放电电流将很难满足快速均衡的要求。如果将每个超级电容对应的放电电阻功率变大，其体积和散热将面对新的挑战，现有采用电阻均衡的系统很少有大电流均衡的系统。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种超级电容大电流均衡FPGA控制系统。

本发明是这样实现的：一种超级电容大电流均衡FPGA控制系统，包括超级电容组、大电流放电电阻、超级电容电压检测模块、FPGA控制器和保护装置，其中超级电容组包括至少二个串联的超级电容，每个超级电容均对应一个第一接触器和一个第二接触器；超级电容的正极通过其对应的第一接触器连接于大电流放电电阻的第一端，超级电容的负极通过其对应的第二接触器连接于大电流放电电阻的第二端；超级电容的正极和负极与超级电容电压检测模块能够通电地相连接；FPGA控制器包括CAN端子和控制端子，CAN端子与超级电容电压检测模块接，控制端子与第一接触器和第二接触器的控制端子连接；FPGA控制器控制超级电容对应的第一接触器和第二接触器导通时，超级电容与大电流放电电阻并联，同一时刻只有一个超级电容与大电流放电电阻并联；保护装置包括直流接触器和自恢复保险丝，直流接触器和自恢复保险丝串联在一起后连接于超级电容组的负极。

所述超级电容为基本超级电容单元即单体超级电容或者由多个基本超级电容单元并联组成的超级电容砖。

本发明的超级电容大电流均衡FPGA控制系统包括超级电容的充放电均衡装置，使超级电容在充放电过程中得到有效的管理和均衡，以提高超级电容的能效和使用寿命，并降低超级电容的维护成本。本系统采用FPGA作为主要均衡控制器，提高系统控制速度。本系统采用接触器矩阵方式，实现对超级电容的大电流放电，以提高均衡的可靠性，并实现大电流放电。本系统结构简单，操作方便，安全可靠，均衡效果好。

附图说明

图1为本发明实施例中超级电容大电流均衡FPGA控制系统的结构示意图。

图2为本发明实施例中超级电容大电流均衡FPGA控制系统充放电过程中的均衡控制方法流程图。

具体实施方式

实施例：

下面结合附图对本发明进一步说明。

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

如图1所示，一种超级电容大电流均衡FPGA控制系统，包括超级电容组、大电流放电电阻R（自带散热器的大功率电阻）、超级电容电压检测模块、FPGA控制器和保护装置，其中超级电容组包括至少二个串联的超级电容，每个超级电容均对应一个第一接触器和一个第二接触器；超级电容的正极通过其对应的第一接触器连接于大电流放电电阻R的第一端，超级电容的负极通过其对应的第二接触器连接于大电流放电电阻R的第二端；超级电容的正极和负极与超级电容电压检测模块能够通电地相连接；FPGA控制器包括CAN端子和控制端子，CAN端子与超级电容电压检测模块接，控制端子与第一接触器和第二接触器的控制端子连接；FPGA控制器控制超级电容对应的第一接触器和第二接触器导通时，超级电容与大电流放电电阻R并联，同一时刻只有一个超级电容与大电流放电电阻R并联；保护装置包括直流接触器和自恢复保险丝，直流接触器和自恢复保险丝串联在一起后连接于超级电容组的负极。

所述超级电容为基本超级电容单元即单体超级电容。

均衡对象超级电容1的负极与均衡对象超级电容2的正极连接，所述均衡对象超级电容2的负极与均衡对象超级电容3的正极连接，依次串联各个均衡对象超级电容，直到均衡对象超级电容N-1的负极与均衡对象超级电容N的正极连接，所有超级电容依次串联组成超级电容组，在所述超级电容组中，所述均衡对象超级电容1的正极为所述超级电容组的正极，所述均衡对象超级电容N的负极为所述超级电容组的负极。

每个所述均衡对象超级电容的正极通过对应的所述第一接触器与所述大电流放电电阻R的第一端连接，每个所述均衡对象超级电容的负极通过对应的所述第二接触器与所述大电流放电电阻R的第二端连接，所述第一接触器和所述第二接触器的控制端子K并联后与所述FPGA控制器的控制端子连接。

每个所述第一接触器的D1端子与所述均衡对象超级电容的正极连接，D2端子与所述大电流放电电阻R的第一端连接，控制端子K与FPGA控制端子连接。

每个所述第二接触器的D1端子与所述均衡对象超级电容的负极连接，D2端子与所述大电流放电电阻R的第二端连接，控制端子K与FPGA控制端子连接。

所述的超级电容电压检测模块与所述的超级电容的正极和负极能够通电地相连接，用于检测每个超级电容的电压；通过CAN总线与所述的FPGA控制器链接，向FPGA控制器发送所检测的电压信号。

如图2所示，本实施例的超级电容大电流均衡FPGA控制系统按照以下步骤运行：

a. FPGA控制器与超级电容电压检测模块通信，获得每个超级电容的电压。

b. FPGA控制器根据获得的N个超级电容电压，找出电压最大的超级电容，其中N大于等于2。

c. FPGA控制器求出所有超级电容的平均电压。

d. 当电压最大的超级电容与所有超级电容的平均电压偏差大于一设定阀值时跳入步骤e，否则回到步骤a。

e. FPGA控制器通过控制电压最大的超级电容对应的第一接触器和第二接触器使电压最大的超级电容与大电流放电电阻R并联，对超级电容进行放电。

f. 等待设定的时间T，FPGA控制器通过控制端子断开所有接触器开关，程序返回步骤a。