一種新型低損耗超級電容器均壓策略

裴勉，譚新玉，石玉潔，毛遠軍

(1.新能源微電網湖北省協同創新中心(三峽大學)，湖北 宜昌 443002;2.三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

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一種新型低損耗超級電容器均壓策略

裴勉1,2，譚新玉1，石玉潔2，毛遠軍2

(1.新能源微電網湖北省協同創新中心(三峽大學)，湖北 宜昌 443002;2.三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

大規模串聯超級電容器組中電容單體電壓不均是影響超級電容儲能技術發展的一個重要因素，實現超級電容串聯時電壓均衡是有效提高電容容量利用率，使用壽命，提高儲能系統的可靠性。討論了目前超級電容器均壓的一般方法，并且提出了一種均壓的新思路，同時省略了復雜的檢測電路，從而減小了均壓電路的復雜性，且詳盡的分析了均壓電路的工作原理，并且通過仿真驗證了方法的可行性。

超級電容;容量;均壓;可行性

1 引言

近年來，國內外學者對電力儲能技術給予了極大的關注，電力的存儲與轉換技術在電力系統中、可再生能源發電中起著重要作用。超級電容器儲能作為一種新的儲能器件發展迅速，相對于以往的儲能技術，超級電容器具有功率密度高、循環壽命長、充放電時間短以及工作溫度范圍寬、重復充放電次數可達近10萬次等優點，因此，在一些需要短時間、大功率的場合及新能源領域得到了廣泛的應用。然而超級電容器的單體充電電壓較低，一般僅為2.5～3V。所以在實際的應用中，一般需要多個超級電容器串聯起來形成超級電容器組來滿足用戶的耐壓需求[1-5]。

由于超級電容器的制造工藝、技術的局限性，同一型號規格的超級電容器在電壓、內阻、容量等一系列的參數上存在差異，這將導致串聯超級電容器在串聯組合使用時會出現單體超級電容器工作電壓不均衡的問題。容量比較小的超級電容器會出現過壓的現象，這將會使超級電容器內部的電解質發生分解，最終嚴重影響器件的壽命，因此通過適合的均壓電路控制超級電容器組中單體電壓保持一致具有重要意義[6-8]。

2 影響因素

2.1 超級電容器容量差對電容器組的影響

電容器單體一般存在-10%～+30%的容量偏差，如果單體容量偏差較大時，容量小的單體很快就可以達到額定電壓，進入浮充狀態，而此時容量大的單體一般只能達到額定容量的69%。超級電容器單體電壓與儲能關系如式(1)、(2)。

(1)

(2)

則容量最大單體與最小單體儲能關系如式(3)：

(3)

其中Emax為最大電容的儲能，Cmin為電容器組中容量最小的單體，Ue為電容器單體額定電壓，則電容器組的平均儲能為:

(4)

根據公式(4)發現電容器組的平均儲能小于全部由單體最小的電容器構成的電容器組的總能量，與標準容量電容儲能相比為:

(5)

2.2 漏電流對超級電容器組的影響

超級電容器組主要用于電力儲能，對出充電之后電能的保存能力主要由漏電流決定，電容器組經過長時間放置后，漏電流小的電容器保存的能量明顯高于漏電流較大的電容器。放電過程中，漏電流大的先結束放電過程；充電過程中，漏電流小的首先結束充電過程。超級電容器的充放電能量如式(6)所示。

(6)

式中：ΔU電容器電壓差值，C電容容量。

2.3 等效串聯電阻(ESR)的影響

一般情況下，超級電容器的ESR相對較大，在反復充電后，ESR逐漸增大，增加了電容器之間的差別，在充放電過程中，ESR較大的單體首先達到充放電規定電壓，這樣ESR相對較小的充放電則不充分。

通過以上幾點的分析，大規模超級電容器組串聯使用時，必須考慮到均壓問題。

3 各種電壓均衡方法

目前在超級電容器儲能系統中主要存在以下的幾種均壓方法[9-14]。

(1)并聯電阻法均壓方法

直接并聯電阻均壓方法是一種容易實現的方法。如圖1(a)，給每一個超級電容并聯均壓電阻，可以根據充電電流與超級電容器的額定電壓選擇均壓電阻的大小，方法簡單且成本低廉，但是均壓電阻的選取會影響到超級電容器的充電與均壓速度，從而影響到整個超級電容器組的工作效率。同時，并聯的均壓電阻會消耗系統的能量，且容易溫度升高，從而將給超級電容器組帶來安全問題，降低了系統的穩定可靠性。

(2)穩壓管電壓均壓方法

每個超級電容器并聯一個穩壓管，當電容器電壓超過穩壓管的擊穿電壓時，則充電電流會流過穩壓管而不在給該電容器充電，此時電容器電壓不在上升。如圖1(b)，該方法電路結構簡單，成本低廉，但是充電能量大量消耗在穩壓管，產生能量的浪費。

(3)DC/DC變換法

此種方法是通過電力電子技術方法實現均壓的，在相鄰的超級電容器間用Buck/Boost變化器鏈接。通過比較相鄰電容器的電壓，將電壓高的電容器中的能量通過DC/DC變換器轉移到電壓低的電容中。N個單體組成的超級電容器組需要N-1個DC/DC變換器，如圖1(c)，此種方法能量損耗低、均壓速度快充放電狀態下都能實現均壓，但是電路中增加了電力電子器件，控制電路復雜，成本增加。

(4)開關電容法

該方法的實質是通過一個普通電容來傳遞不同超級電容器之間的能量，使電壓高的電容單體中的能量通過普通電容轉移到電壓低的電容單體中，如圖1(d)，在相鄰的超級電容器之間放置一個普通電容，普通電容與超級電容器之間采用。

針對上述各種方法存在的問題，提出一種利用均壓電阻與普通電容聯合均壓的方法，使超級電容器在能量轉移動態過程中實現均壓，該方法結構簡單均壓速度快，通過仿真分析驗證了該方法的有效性與可行性。

4 工作原理

電壓均衡電路的拓撲結構如圖2，電路由超級電容器C1、C2、C3、電壓源U、開關(S1，S2)、普通均壓電容Ceq1、Ceq2、Ceq3組成。電路工作主要工作在兩種狀態。狀態1，當開關S1斷開、S2閉合，電源U均勻向超級電容器充電，電阻R在充電過程中起均壓作用；狀態2，當開關S1閉合、S2斷開，電容Ceq1、Ceq2、Ceq3對超級電容器均壓。開關S1、S2空中狀態1與狀態2之間的切換，為了控制單元在控制周期內有效的采集、處理信息，同時使開關管功率損耗相對較低選取開關頻率2kHz，開關管觸發脈沖占空比為50%，在開關切換過程中留有一定死區時間以防止電路短路。

圖1 傳統電壓均衡電路

圖2 均壓電路拓撲結構

圖3 均壓電路工作等效圖

(1)狀態1如圖3(a)所示。

此時，C1、C2、C3、Req1、Req2、Req3、Ceq1、Ceq2、Ceq3對應的電壓分別為V1、V2、V3、Vr1、Vr2、Vr3、Veq1、Veq2、Veq3，如圖可得下列關系：

Vr1=V1，Vr2=V2，Vr3=V3

(7)

Veq1=Veq2=Veq3

(8)

Vr1=Vr2=Vr3

(9)

由(7)、(9)得

V1=V2=V3

(2)狀態2如圖3(b)所示

此時，電路中各元件電壓為

Vr1=Vr2=Vr3

V1=Veq1，V2=Veq2，V3=Veq3

(10)

由(8)、(10)得

V1=V2=V3

重復狀態1與狀態2之間的切換，超級電容器個體可以達到均壓效果，一般根據超級電容器理想等效模型，較高的ESR使電荷傳輸變慢，而影響充放電速度的一致性，狀態1時增大了并聯電阻提高了充放電速度的一致性。在狀態2時利用串聯等效電容器均壓，大大減少了并聯電阻的能量消耗。狀態1與狀態2反復切換不但提高了充放電速度的一致性，而且大大減少了直接并聯電阻的能量消耗。

5 仿真分析

為了分析上述方法電壓均衡效果，利用MATLAB/Simulink仿真軟件對3只超級電容器模塊的充電過程進行仿真分析。串聯超級電容器模塊組初始條件，為了提高仿真速度，設3只超級電容器模塊C1、C2、C3的容量和初始電壓分別為9F/0V、11F/0V、13F/0V，電源電壓11V。圖(5)～(6)分別表示在充電狀態下，無均壓電路與有均壓電路時電容C1、C2、C3三只超級電容器電壓變化曲線，根據圖(5)與圖(6)得到電壓統計數據表。

圖4 無均壓電路電容充電電壓變化曲線

圖5 有均壓電路電容充電電壓變化曲線

從圖(4)發現，三只超級電容器串聯充電過程中由于電容器容量的差別造成了充電曲線相差較大，穩定后彼此穩定電壓不等。而啟動均壓電路后的充電過程后，觀察圖(5)電壓曲線變化。電容單體C1、C2、C3電壓迅速上升，1s后C1電容電壓較高，C1此時開始釋放能量，電容電壓開始收斂，3.5s后電容電壓差逐漸縮小到誤差范圍內，電壓值趨于相等圖(6)給出了電容充電過程中的電流波形，0s是由于電容無能量，所以充電瞬間充電電流很大，隨著能量的不斷增加，充電電流變小，在1s時C1基本充滿，電壓穩定，而C2、C3繼續充電電壓低于C1，所以C1釋放能量，3.5s后由于電容電壓趨于相等，充電電流趨于0A，仿真的結果表明，本文提出的均壓方法，均壓速度快，且達到了很好的均壓效果，系統的性能得到一定的提高。

圖6 有均壓電容充電電流

6 結論

大規模超級電容器串聯過程中各電容器單元的電壓不均衡對超級電容器組的性能和可靠性造成較大的影響。若引入均壓電路后，對電容器組的使用壽命及其穩定性都將得到提高。本文提出了一種新型的超級電容器串聯過程中單體均壓模型，并分析了該方法的原理，其最大的優點是不需要電壓檢測電路和電壓比較電路，且電荷的轉移并不通過超級電容，只需在均壓電容中實現電荷的轉移，為了確保均壓效果以及均壓速度，我們同時配合了普通的電阻均壓電路，通過雙向開關在均壓電容與均壓電阻間切換，降低了均壓電路的復雜性，相對于傳統的電阻均壓電路也提高了工作效率且減少了能量消耗，此種電路模型在3.5s左右實現均壓，因此該模型電路在電力儲能系統中具有一定的應用前景。

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A New Kind of Voltage Sharing strategy of a Low Loss Supercapacitor

PEIMian1,2，TANXin-yu1，SHIYu-jie2，MAOYuan-jun2

(1.Hubei Provincial Collaborative Innovation Center for New Energy Microgrid，China Three Gorges University，Yichang 443002，China;2.College of Electrical Engineering & New Energy，China Three Gorges University，Yichang 443002,China)

A lot of cell to cell voltage imbalance of supercapacitors is one of main reasons for impeding the development of supercapacitors energy storage application,and voltage equalization can increase availability of supercapacitors capacity,prolong the lifetime of supercapacitor and improve the reliability of the energy storage system.this paper discussed several voltage balancing methods,and proposed a novel voltage imbalance idea,the idea has no voltage detection circuit,which significantly reduces the complexity of the systeam.Base on analyzing the operation principle of the voltage equilibrium circuit,and accreditation feasibility through simulation.

supercapacitor；capacity；voltage sharing；feasibility

1004-289X(2015)04-0037-04

TM53

B

2014-12-19

裴勉(1987.10-)，遼寧沈陽人，三峽大學在讀研究生，研究領域：微電網儲能技術。