一種新型可串聯的超級電容電壓均衡特性研究

李 超， 胡國文， 林 萍， 陸志峰

(1.江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇鎮江212013；2.鹽城工學院，江蘇鹽城224003)

一種新型可串聯的超級電容電壓均衡特性研究

李 超1， 胡國文2， 林 萍2， 陸志峰1

(1.江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇鎮江212013；2.鹽城工學院，江蘇鹽城224003)

引入一種超級電容器電壓均衡控制策略的模型，在此基礎上提出一種新穎的超級電容器電壓均衡方法——開關分流電壓均衡法，該方法可以直接改變每個超級電容器的能量流動，實現能量重新分配。闡述了該方法的均衡原理及均壓過程，給出了參數整定原則，同時基于PSIM仿真軟件，對三只串聯超級電容器模塊進行仿真分析并與多飛渡電容電壓均衡法進行對比，結果表明：開關分流電壓均衡法均壓速度快，效率高，在大容量快速儲能領域中具有一定的價值。

超級電容器；電壓均衡；PSIM；開關分流

雖然超級電容器歷經幾十年的發展，但單體電壓仍很低(一般3 V以下))，大部分場合需要大量單體通過串并聯滿足能量存儲和電壓等級的要求。而生產過程中加工工藝等因素易使各單體間存在一定的分散性。串聯工作時，常常出現過電壓和欠電壓兩種不健康狀態[1]。過電壓狀態將縮短超級電容器壽命，嚴重時甚至發生爆炸；而處于欠電壓狀態的超級電容器，其容量不能被充分利用，造成資源極大浪費。所以必須對串聯超級電容器引入均壓技術[1-2]，以提高超級電容器組的可靠性和利用率，并延長超級電容器使用壽命。

目前，超級電容器電壓均衡技術主要包括并聯電阻法、穩壓管法、開關電阻法、開關電容法、開關電感法、DC/DC變換器法、正反激變換器法[1-4]。前三種方法通過消耗多余能量，實現電壓均衡，但在過程中易產生大量熱量，嚴重影響系統穩定性、可靠性。開關電容法、開關電感法、DC/DC變換器法利用電感、電容這類儲能元件來實現能量從高到低的轉移。當相鄰超級電容器之間的電壓差值很小或者串聯單體數量較多時，這三種方法會存在無效的能量流動，且均壓速度大打折扣。正反激變換器法磁路復雜、體積大，且均壓誤差較大。上述方法電路結構固定，當某支單體出現異常，電路將被迫停止工作，可靠性大大降低。鑒于這些不足，本文提出一種開關分流電壓均衡法，該方法直接通過控制開關管通斷，實現對能量流動的控制，從根本上解決電壓不均的現象。在剔除故障單體的同時，并不影響其余單體充放電，具有均壓速度快、損耗低、可靠性高等優勢。

1 開關分流法電壓均衡控制策略

1.1 超級電容器電壓均衡模型分析

超級電容器充電均衡模型如圖1所示。相對于充電電流的影響，超級電容器等效串聯電阻和等效并聯電阻的影響較小，在短時間小電流充電的情況下，將超級電容器看成理想電容器(本文暫不考慮內阻對充電電壓的影響)。

圖1 超級電容器充電均衡模型

理想情況下，超級電容器串聯模塊中各單體容量和等效內阻等參數是一致的。但實際應用中，單體間分散性并不能忽略。恒流充電情況下，超級電容器端電壓必定會存在分散性。式(2)是電容電壓值，充電電流、容量及時間的函數關系。從其函數關系可得：設定好充電時間，就能達到給定電壓值。當超級電容器單體間存在分散性時，可以通過人為控制充電時間來達到電壓均衡。

式(3)是超級電容器儲能公式，代入參數得：

恒流充電過程中，容量值較小的單體端電壓上升較快，容量較大的卻較緩，必然導致電壓不均衡的現象。由式(5)～式(6)可知容量小的單體存儲的能量為額定值的70%，而容量較大的單體其存儲的能量僅僅只有49%，不到額定值的一半。因此，對超級電容器電壓均衡技術的研究具有重要意義[1-2]。

1.2 開關分流電壓均衡法

根據上述對超級電容器電壓均衡模型的分析，按照電壓高的單體減少充電時間的思路，提出一種新穎的電壓均衡方法——開關分流電壓均衡法。該方法與所提及的方法相比，其顯著特點為該方法無無效的能量流動，均壓速度快，能量損耗低、可靠性高。

圖2是開關分流電壓均衡法原理圖，該方法由超級電容器C、電壓檢測模塊、電流檢測模塊、溫度檢測模塊、微機控制模塊、開關管S等組成。系統實時檢測各單體電壓值，當出現異常或者溫度過高時，系統通過驅動開關管S，將其從整個系統中剔除。當其恢復正常，再通過控制將其連接到整個系統中，充放電過程并不影響其它單體工作，大大提高系統可靠性。

圖2 開關分流電壓均衡電路結構

2 開關分流法充放電控制策略仿真

2.1 電路模型

根據上述開關分流電壓均衡原理，超級電容器內阻、漏電流對其影響較小，此處忽略其影響。開關S由MOSFET來代替(內阻很小，近似忽略)。閉合時，看成導線；斷開時，看成斷路。

2.2 電壓均衡過程分析

圖3是其正常充電模式和均壓充電模式。微機控制模塊通過電壓檢測模塊實時檢測各單體電壓值。在時刻系統檢測到C1端電壓達到額定值，系統驅動開關管S21閉合，S11體二極管反向截至形成斷路(阻止電容C1短路)，其余電容繼續充電。時刻，C2電壓值達到額定值，S22閉合，C2被短接。恒流源僅對C3充電。當C3電壓值也達到額定值時，恒流源停止充電，實現均壓。開關管S具體工作過程如圖4所示。

2.3 參數整定

該方法利用開關管S實現對各單體充電時間的控制，改變能量流動，實現各單體電壓一致。其最關鍵的兩個參數是單體間最大電壓差值和均壓充電時間。

圖3 正常充電模式與均壓充電模式

圖4 充電均壓模式開關管工作時序圖

(1)單體間最大電壓差值

單體間電壓差值越大，所需的均壓時間也越長。由圖4可知在1時刻系統達到最大電壓差電壓最大/小值分別為，經整理變形得：

(2)均壓充電時間

普通充電時，當電壓值達到額定電壓值時，恒流源停止充電。此時，各單體的儲能利用率很低。通過上述方法實現均壓充電，其充電時間由充電速度最慢的單體決定，均壓充電時間即圖4中的時間，滿足：

2.4 仿真分析

用PSIM軟件對三只超級電容器串聯模塊的充電過程進行仿真分析。超級電容器以KAMCAP為研究對象，其容量為16 F，額定電壓為16 V，最大充電電流11 A，內阻與漏電流影響較小，此處忽略不計。

設定三只超級電容器C1、C2、C3容量及初始電壓分別為14.4 F/0 V，16 F/0 V，20.8 F/0 V。圖5給出在恒定10 A電流充電情況下，普通充電模式下，單體電壓值、總電壓值及充電電流與時間的關系曲線，分散性對三只超級電容器的影響，當C1充滿時，C2、C3并未達到額定值，若繼續充電，則C1會過充，將嚴重影響其使用壽命，反之影響整個系統能量利用率。23.08 s充電結束，各單體電壓、總電壓不再上升，恒流源停止充電，充電時長與理論計算值一致。

圖6是均壓充電模式下各單體電壓、總電壓、充電電流與時間的關系曲線。在33.35 s各單體電壓值達到一致，完成均壓，過程并沒過壓。當C1達到額定值，系統將其剔除停止充電，此時總電壓下降，充電電流產生一定波動；當C2達到額定值，系統也將其剔除，此時總電壓繼續下降，充電電流又產生一次波動；最終，C3達到額定值，三只超級電容器都充滿，系統停止工作，總電壓將為0，實現均壓。

圖7是多飛渡電容電壓均衡效果圖。按照文獻[5]中設置仿真參數，其超級電容器初始值同上。可見，該方法在均壓過程會存在一定的過電壓，這將嚴重影響超級電容器的使用壽命及整個儲能系統的可靠性。

圖5 普通充電時單體電壓、總電壓、充電電流與時間的關系曲線

圖6 均壓充電時單體電壓、總電壓、充電電流與時間關系曲線

圖7 多飛渡電容法均壓效果

將三只超級電容器分別通過普通充電、開關分流法、多飛渡電容法進行充電，對比結果如表1所示。普通充電所需時間最短，但其利用率低。多飛渡電容法利用多個飛渡電容，通過控制開關管反復通斷，從而實現相鄰單體間能量轉移，以達到均壓的目的。實際中均壓過程會存在無效的能量流動，數量較多時均壓效果大打折扣，該方法雖然提高了利用率，但均壓過程中會存在一定過壓，會嚴重影響超級電容器使用壽命，同時占空比固定，控制不夠靈活，所需開關管較多，在快速大容量儲能場合受到限制。開關分流法通過精準計算，嚴格控制充電時間，實現均壓充電，且可以在充電過程中剔除異常單體，大大提高超級電容器利用率及可靠性。

表1 結果統計分析

3 總結

本文提出一種超級電容器電壓均衡模型，并在此基礎上提出一種新穎的開關分流電壓均衡法，同時給出最大電壓差值、均壓充電時間、電容容量及充電電流之間的關系。仿真結果表明：開關分流法不僅有效地減小分散性引起的電壓不均衡，且大大提高超級電容器能量利用率，并提高整個系統的可靠性。該方法不僅可以應用在超級電容器，還可以應用于其它電池，且在大容量快速儲能領域有較高的實用價值。

[1]劉雪冰，程明，丁石川.超級電容器均壓技術綜述[J].電氣應用，2012，31(5)：26-33.

[2]胡國文，李超，林萍.超級電容器電壓均衡技術研究綜述[J].電測與儀表，2014(22)：22-29.

[3]KIM T，QIAO W.Power electronics-enabled self-X multicell batteries:a design toward smart batteries[J].IEEE Transaction on Power Electronics，2012，27(11):4723-4733.

[4]MANENTI A，ABBA A，MERATI A，et al.A new BMS architecture based on cell redundancy[J].IEEE Transaction on Industrial Electronics，2011，58(9):4314-4322.

[5]趙艷雷.動態電壓恢復器逆變單元的研究與實現[D].北京：中國科學院，2006.

Characterization research on voltage balancing of new series-connected ultra-capacitors

A model for ultra-capacitor voltage balancing strategy was introduced， and on this basis， a novel ultra-capacitor voltage balancing method was proposed，namely switching shunt voltage balancing method，which can directly change the energy flow of each ultra-capacitor to achieve the purpose of energy redistribution. The working principle and process of the proposed method were analyzed， and the parameter tuning principles were given.The simulation analysis and experiment of the module composed of three ultra-capacitors connected in series were performed based on PSIM， and was compared with multi flying-capacitive voltage equalizing method.The results show that the switching shunt voltage balancing method is fast，efficient，reliable and possesses high value for ultra-capacitor fast large capacity energy storage.

ultra-capacitors;voltage balancing;PSIM;switching shunt

TM 53

A

1002-087 X(2016)04-0799-04

2015-09-15

江蘇省自然科學基金資助項目(BK20140467)；鹽城工學院與江蘇大學聯合培養研究生(XKY2013053)

李超(1990—)，男，江蘇省人，碩士研究生，主要研究方向為超級電容器電壓均衡技術。