基于改進型簡易DCDC變換器的超級電容均壓電路研究*

摘 要：針對超級電容器電壓均衡策略中出現的能源浪費、效率低、發熱等問題，文章開展了不同電壓均衡策略控制超級電容器充放電的研究，通過比較分析集中電壓均衡策略的優缺點，提出了改進型的簡化DCDC變換器法來平衡電壓，設計并搭建了充電電壓均衡和放電穩壓方案的硬件電路，通過分析測得的實驗數據，驗證了方案具有一定的可行性和較高的實用價值。

關鍵詞：超級電容；儲能；電壓均衡；簡易DCDC變換器

引言

隨著國家大電網工程和分布式供能系統的大力推進，形成了基于新能源、智能控制技術的集中和分布式供電的微電網系統，是多領域、多氣候、多能源綜合利用的優選方式，對未來電網具有突破性的推動。在微電網中，短期的儲能裝置對于更高效的利用電能、解決微電網突發故障、緩解用電矛盾具有重要意義。

超級電容器在儲能領域應用非常廣泛，可以改善分布式發電系統的穩定性、提高配電網的電能質量。近年來，國外發達國家在超級電容器方面開展了大量的研究工作，取得的研究成果已經開始應用，保持著該領域的領先地位。國內一些大學和科研院所也開展了對該領域相關工作的研究，但與國外的技術相比存在著不小的差距。目前，超級電容器在工程中應用一般采用多個單體電容組合使用，常見的多為串聯方式。這種組合式超級電容器組在充電和放電時，因為每個單體電容的參數和性能多少會存在差異，輸出的性能不能保持完全同步和一致，存在離散性，會產生電壓的不均衡，整體應用時會導致某個單體電容器出現充電過裕或放電過低的問題，長期如此運行會導致整個超級電容器的壽命降低，穩定性下降，影響整體輸出電壓的穩定性，不利于負載的運行穩定。因此，開展超級電容器儲能系統電壓均衡策略的研究具有重要意義。

文章針對串聯超級電容器儲能系統的電壓均衡策略進行研究，在分析影響電壓非均衡分布的相關因素的基礎上，從不同電壓均衡策略進行仿真分析，提出了改進型的簡化DCDC變換器法來平衡電壓，完成了軟硬件的設計，并搭建了試驗仿真平臺對該方法進行驗證，為超級電容器串聯運行時電壓平衡策略的選取和優化提供參考意見。

1 超級電容儲能系統電壓均衡策略

組合式超級電容器組在充點和放電時，因為每個單體電容的參數和性能多少會存在差異，輸出的性能不能保持完全同步和一致，存在離散性，會產生電壓的不均衡，會導致整個超級電容器的壽命降低，穩定性下降，影響整體輸出電壓的穩定性，不利于負載的運行穩定。因此，電壓均衡是維系超級電容器正常穩定運行的主要因素，不同場合使用不同的均衡策略是發揮超級電容器儲能優越性的最優方法。

目前常用的幾種方法中，穩壓管電壓均衡策略采用4個超級電容器串接而成；開關電阻均衡策略的電路結構單體電容，各電容器電壓從初始電壓線性升高到基準電壓，達到基準電壓值后，開關電阻并入電路形成并聯之路，分走部分電流，使得各電容器的充電電流降低，電壓上升趨勢變緩，最終達到額定電壓；DCDC變換器均衡策略的電路結構與前面不同，充電初期，電壓高的電容處于放電狀態，電壓低的電容處于充電狀態，低電壓的電容電壓上升速率高于線性，可見此時高電壓的電容也同時放電給低電壓的電容充電，直至4個電容器的電壓值相當，并同步達到額定值。綜合對比上述三種電壓平衡策略可以看出，采用穩壓管和開關電阻的方法電路結構比較容易實現，操控簡潔，材料成本較低，但是不能采用大電流充電，能源利用率低，且器件的散熱沒有很好的解決；DCDC能量變換均衡策略實現了大電流充電，能量的利用率提高，且極大地縮短了充電時間，但控制器件增多，過程繁雜，也增加了材料的成本。

2 改進型的DCDC變換器均衡策略及實現

通過上述分析，文章提出了一種改進型的DCDC變換器電壓均衡策略，將最后一個單體電容器改為向前面所有的電容器進行能量傳遞，有效避免了系統減少隔離變壓器而帶來的短路問題。該策略中各電容器充電相對獨立，具有很好的電壓均衡性，對于工程實際應用具有較高的可行性。

為了驗證該策略的可行性，文章設計了改進型的DCDC變換器控制策略的模塊：R=180Ω，Rsc=0.2Ω，L=1mH，Ct=1000pF，Ci=100uF，Co=200uF，R1=1kΩ，R2=20kΩ。模塊電路圖和樣品如圖1所示。

對模塊進行試驗，當輸入電壓從3V～20V變化時，模塊的輸出電壓基本保持不變，見表1所示。模塊的基本維持在26V左右，但隨著輸入電壓的降低，最大輸出電流逐漸減小，帶負載能力下降。

3 結束語

通過對超級電容器不同的電壓均衡策略的研究，提出了改進型的簡化DCDC變換器控制策略，實現了各電容器的獨立充電，解決了各電容器混充的局面，具有很好的電壓均衡性，對于工程實際應用具有較高的可行性。

參考文獻

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