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基于FPGA的超级电容均压及充放电设计方案

2018年02月28日 08:40 次阅读

  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。

  2、超级电容的结构

  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。 基于FPGA的超级电容均压及充放电设计   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。

  3、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。 基于FPGA的超级电容均压及充放电设计   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 基于FPGA的超级电容均压及充放电设计   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。 基于FPGA的超级电容均压及充放电设计   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。

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发表于 2018-03-06 11:46 759次阅读
超级电容需求爆发期即将到来

主动噪声控制平台的FPGA实现

主动噪声控制平台的FPGA实现。基于FPGA搭建了针对汽车的主动噪声控制平台,此平台可以正确实时地采...
发表于 2018-03-05 10:34 569次阅读
主动噪声控制平台的FPGA实现

学习硬件必须掌握的基础知识点总结

如果你认为这么多书,怎么看都看不完。那是以一种静止、偏面的观点来分析问题了。其实上介绍那么多课,很多...
发表于 2018-03-04 15:28 1172次阅读
学习硬件必须掌握的基础知识点总结

基于FPGA的惯性导航系统设计

惯性导航系统(INS,Inertial Navigation System)也称作惯性参考系统,是一...
发表于 2018-03-04 09:25 83次阅读
基于FPGA的惯性导航系统设计

基于FPGA的压控晶振同步频率控制系统的研究与设...

本文主要介绍了基于FPGA的压控晶振同步频率控制系统的研究与设计。利用GPS提供的1pps秒脉冲信号...
发表于 2018-03-02 14:55 310次阅读
基于FPGA的压控晶振同步频率控制系统的研究与设...

英特尔发售业内首款基于58G PAM4 技术的F...

英特尔宣布开始发售英特尔® Stratix® 10 TX FPGA ,这也是业内唯一一款采用 58G...
发表于 2018-02-27 11:55 483次阅读
英特尔发售业内首款基于58G PAM4 技术的F...

针对Linux BSP开发的Petalinux,...

本实验工程将介绍如何利在赛灵思异构多处理器产品系列 Zynq UtralScale+ MPSoC ...
发表于 2018-02-27 11:01 4883次阅读
针对Linux BSP开发的Petalinux,...

基于FPGA的改进型FIR滤波器的实现

FIR数字滤波器在数字信号处理的过程中有很好的线性相位和稳定性,被广泛应用于音频处理、语音处理、信息...
发表于 2018-02-26 18:44 228次阅读
基于FPGA的改进型FIR滤波器的实现

如何经济的设计一个新的芯片

我们最近与Bunny Huang进行了有趣的交流,他是硬件大师以及Chumby,NetTV和Nove...
发表于 2018-02-24 10:53 931次阅读
如何经济的设计一个新的芯片

SoC FPGA的DSP能力应对新兴的小型基站需...

虽然推动业界向小型基站转变的因素众多,但可能最重要的是,消费者想要随时随地都能快速有效地连接到服务提...
发表于 2018-02-20 09:21 1300次阅读
SoC FPGA的DSP能力应对新兴的小型基站需...

基于QPSK数字调制解调的FPGA实现

随着FPGA技术的发展,数字通信技术与FPGA的结合体现了现代数字通信系统发展的一个趋势。为了使高速...
发表于 2018-02-20 07:50 1308次阅读
基于QPSK数字调制解调的FPGA实现

FPGA基础知识及其工作原理与基本的功能块案例

高端设计工具为少有甚是没有硬件设计技术的工程师和科学家提供现场可编程门阵列(FPGA)。无论你使用图...
发表于 2018-02-17 19:38 1794次阅读
FPGA基础知识及其工作原理与基本的功能块案例

基于FPGA的多通道频率测量系统设计方案介绍

FPGA及其外围电路是整个测量系统的核心。外围电路包括以下几个部分:1)电源转换电路,将5V电源转换...
发表于 2018-02-17 03:02 110次阅读
基于FPGA的多通道频率测量系统设计方案介绍

Stratix IV内嵌DPA电路的基本结构分析

不论从哪个角度看,今天的现场可编程门阵列(FPGA),都显得鹤立鸡群,真是非常棒的器件。如果在这个智...
发表于 2018-02-16 17:38 2836次阅读
Stratix IV内嵌DPA电路的基本结构分析

低成本FPGA中实现动态相位调整方案

在FPGA中,动态相位调整(DPA)主要是实现LVDS接口接收时对时钟和数据通道的相位补偿,以达到正...
发表于 2018-02-16 17:32 1495次阅读
低成本FPGA中实现动态相位调整方案

基于FPGA的指纹识别模块设计方案

本模块采用xilinx公司的 Spartan 3E 系列XC3S500E型FPGA作为核心控制芯片,...
发表于 2018-02-14 08:56 220次阅读
基于FPGA的指纹识别模块设计方案

FPGA和多DSP的高速视觉测量系统

随着检测节点的增多,视觉测量系统需要处理的数据量也不断增大,对视觉测量系统的测量速度提出了更高的要求...
发表于 2018-02-10 13:21 311次阅读
FPGA和多DSP的高速视觉测量系统

基于FPGA的实时视频图像采集处理系统

设计了一种基于FPGA的实时视频图像采集处理电路系统。采用FPGA作为整个系统的控制和图像数据处理中...
发表于 2018-02-10 02:43 640次阅读
基于FPGA的实时视频图像采集处理系统

可编程硬件发展路线分析:eFPGA还是FPGA ...

eFPGA IP和FPGA SoC,谁将在未来更受欢迎呢?笔者认为,这两种生态都表明了SoC在摩尔定...
发表于 2018-02-10 01:30 541次阅读
可编程硬件发展路线分析:eFPGA还是FPGA ...

使用ECP5 FPGA解决网络边缘 智能、视觉和...

随着传感器、低成本摄像头和显示屏在当今嵌入式设计中的使用量飞速增长,市场上出现了许多激动人心的全新智...
发表于 2018-02-09 10:55 2359次阅读
使用ECP5 FPGA解决网络边缘 智能、视觉和...

基于FPGA/DSP技术的飞机总线系统通讯软件设...

目前,随着工艺和技术的进步,集成电路技术的发展已经使得在一个芯片上集成一个可编程系统(Program...
发表于 2018-02-08 15:02 254次阅读
基于FPGA/DSP技术的飞机总线系统通讯软件设...

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