四開關(guān)buckboost超級電容控制器

項目簡介

超級電容是一種介于傳統(tǒng)電容器和可充電電池之家你的新型儲能裝置，他允許大電流充放電，同時具有低內(nèi)阻的特性，存儲電荷的容量較大，一般都是法拉（F）單位 ，但是單體耐壓較低，一般就是2.7V左右，所以一般超級電容組都是由多組串聯(lián)再并聯(lián)的方式提高容量和耐壓使用。由于允許的充電電流可以很大，所以充電時間可以很快。另外一個有點就是**沒有記憶效應(yīng)，一般循環(huán)使用壽命可達數(shù)萬次，**能量轉(zhuǎn)換效率高，大電流下能量轉(zhuǎn)換效率普遍大于90%。

這個項目是以超級電容在混動汽車中的制動能量回收系統(tǒng)為研究點，通過超級電容組以及BuckBoost變換器組成的變換器并聯(lián)底盤中，通過PowerPath來管理能量流動，實現(xiàn)動能的回收與利用。

實物圖

拉載80W測試

柵極驅(qū)動波形

項目原理

功率路徑流動

項目的功率路徑如下圖1.1所示

圖1.1

在正常行駛過程中，所需功<可提供功率時，超級電容控制板會計算剩余可利用功率，并將這一部分通過BuckBoost變換器將電容組充滿，電流路徑如圖1.1中充電路徑（如視頻中開頭部分的充電，電容組電壓上升過程），這樣就完成了將剩余動能存儲下來的過程

當電容組電容充滿后，汽車在處于爬坡/加速過程中，所需功率>電池系統(tǒng)可提供功率時，超級電容控制板將BuckBoost到電源母線的功率路徑打開，超級電容組中的能量通過BuckBoost變換器提供給電機，（對應(yīng)視頻中電子負載功率拉高，超級電容電壓下降，可調(diào)電源端輸出功率保持不變），這樣就完成了在加速爬坡中，通過額外儲能裝置給電車進行功率補償，這一過程實現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)換為動能的過程。

第三個功能就是在電車剎車的時候，電動機的反電動勢通過母線上的BuckBoost變換器存儲進電容組中，實現(xiàn)剎車動能的回收。

BuckBoost變換器

變換器的框架如下圖1.3所示；

圖1.3

雙向同步整流BUCK-BOOST電路拓撲是由同步BUCK電路和同步BOOST電路級聯(lián)而 成，相對于同步BUCK電路或同步BOOST電路，雙向同步整流BUCK-BOOST電路在同一方向上實現(xiàn)了 升降壓功能，而不是在一個方向上只能實現(xiàn)升壓或降壓功能。如圖1.2所示 為四開關(guān)變換器原理圖，在電路兩端完全對稱的結(jié)構(gòu)

圖1.2

本設(shè)計中的Q1和Q2、Q3和Q4分別是互補導(dǎo)通的MOS管對。雙向同步整流BUCK-BOOST電路根據(jù)輸入輸出電壓關(guān)系分為降壓區(qū)、升壓區(qū)和降壓-升壓區(qū)。在降壓區(qū)，Q1和Q2互補導(dǎo)通，Q4常關(guān)，Q3常通，電路等效于同步BUCK電路。由于MOS管驅(qū)動采用自舉升壓方式，Q4需短暫導(dǎo)通以給Q3的自舉電容充電，因此Q4的占空比固定為0.5，Q1的占空比可在0-0.95間變化。在升壓區(qū)，電路等效于同步BOOST電路，Q1的占空比固定為0.95，Q4的占空比可在0-0.95間變化。當輸入輸出電壓接近時，電路在降壓-升壓區(qū)工作，交替進行降壓和升壓操作。電路的MOS管開關(guān)狀態(tài)主要有三種，如圖1.4所示。

圖1.4

通過MCU控制MOS管在上面三個狀態(tài)中循環(huán)切換 實現(xiàn)能量的雙向流動。

在本應(yīng)用中為了方便控制 使用了集成驅(qū)動的SC8701作為柵極驅(qū)動器

圖1.5

這顆芯片可以實現(xiàn)超高的轉(zhuǎn)換效率，和簡單的控制邏輯,兩顆SC8701可以將電容電壓利用到最低3V

折合單體電容0.3V左右的超低電壓 實現(xiàn)能量利用最大化。

電壓電流檢測

電壓檢測使用ADI公司的精密、低噪聲、軌到軌輸入輸出、CMOS運算放大器AD8605進行三個端口的電壓檢測，

如圖1.7所示。電流檢測使用精密檢流運放實現(xiàn)。

圖1.7

通過以下代碼將ADC采樣值轉(zhuǎn)換為實際值

gAdcIiSampleValue = (uint16)( gAdcSampleBuf[0] & 0xFFFF ) - gExcursionZeroIin;
gAdcIoSampleValue = (uint16)( gAdcSampleBuf[1] & 0xFFFF ) - gExcursionZeroIout;
gAdcVoSampleValue = (uint16)( gAdcSampleBuf[0] / 0xFFFF );
gAdcViSampleValue = (uint16)( gAdcSampleBuf[1] / 0xFFFF );

gLowFilter_ViFdb.Input = (gAdcViSampleValue * gVoltInStr.Coeff ) + gVoltInStr.Offset;
gLowFilter_VoFdb.Input = (gAdcVoSampleValue * gVoltOutStr.Coeff ) + gVoltOutStr.Offset;
gLowFilter_IiFdb.Input = (gAdcIiSampleValue * gCurrInStr.Coeff ) + gCurrInStr.Offset;
gLowFilter_IoFdb.Input = (gAdcIoSampleValue * gCurrOutStr.Coeff ) + gCurrOutStr.Offset;

low_filter_calc(&gLowFilter_ViFdb);
low_filter_calc(&gLowFilter_IiFdb);
low_filter_calc(&gLowFilter_VoFdb);
low_filter_calc(&gLowFilter_IoFdb);

gVoltOutStr.Value = gLowFilter_VoFdb.Output;
gCurrOutStr.Value = gLowFilter_IoFdb.Output;
gVoltInStr.Value = gLowFilter_ViFdb.Output;
gCurrInStr.Value = gLowFilter_IiFdb.Output;

獲取完電壓電流后 再根據(jù)PID計算得出的值對電壓電流環(huán)進行競爭 得出比較值后進行輸出，完成電容組的充放電過程

其中?temp_power = mes_power - Set_Power;?這一段就是在計算有多少剩余功率可用，如果結(jié)果為正說明所需功率大于可提供功率 需要進行放電。若為負 即為電容功率小于所需功率 可以進行儲能