超級電容系統(tǒng)中直流變換器的電壓均衡方法

董雪鵬

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.14.129

摘 要：針對超級電容系統(tǒng)中多電容共同工作時容易出現各電容之間互相干擾、混亂充放電的問題，在分析幾種常用的電壓均衡方法的特點后，給出了一種改進型的直流-直流變換器的電壓均衡方法，有效地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。

關鍵詞：超級電容 直流-直流變換器 電壓均衡

中圖分類號：TM343 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（b）-0129-03

1 超級電容系統(tǒng)

超級電容是通過電化學的轉變實現儲能的電化學元件，具有很高的功率密度，超過一般的儲能元件或系統(tǒng)，工作過程中的充放電時間很短，能實現快速的能量存儲和釋放，循環(huán)利用的壽命長，能多次的充放電而不至于器件產生損壞，工作溫度范圍較寬，受外部環(huán)境的影響較小。目前，超級電容系統(tǒng)廣泛應用于電網系統(tǒng)、軌道交通多能源系統(tǒng)、電動汽車儲能系統(tǒng)等領域，具有很好的應用前景。

2 超級電容系統(tǒng)的電壓均衡方法

2.1 穩(wěn)壓管電壓均衡法

穩(wěn)壓管電壓均衡策略的電路結構簡單，各電容器的電壓從初始電壓開始以相同的斜率線性增加，在經過不同的時間后，分別增加到限值后電壓達到穩(wěn)定，保持水平趨勢。

2.2 開關電阻均衡法

開關電阻均衡策略的電路結構與穩(wěn)壓管電壓均衡法相比稍顯復雜，各電容器的電壓從初始電壓開始以相同的斜率線性增加，在經過不同的時間后，分別增加到基準電壓值，隨后各電容的電壓非線性增加，最終穩(wěn)定在電壓限值，保持水平趨勢。

2.3 直流-直流變換器法

圖1為直流-直流變化器法框圖。與前面不同，充電電流為500 A，單體電容額定電壓Un和容量C均為4 V/1000 F，各回路電感L均取10 μH，開關頻率f取20 kHz，占空比D=0.5，則各電容器電壓變化曲線如圖2所示。電容1和電容2電壓首先非線性增加，隨后近似線性變化增加到4 V達到穩(wěn)定，而電容3和電容4的變化復雜，但最終穩(wěn)定都在4 V。

3 改進型的直流-直流變換器均衡策略及實現

通過上述分析，給出了一種改進型的直流-直流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(tǒng)減少隔離變壓器而帶來的短路問題，其結構如圖3所示。從圖中可以看出，當最后的電容Cn的電壓超出電容C1時，Cn首先將能量傳遞至最近的電感，然后通過該電感將能量向C1-Cn-1整體傳遞。

針對上述均衡策略的電路結構如圖4所示。假設電容C4相連的開關管S4的占空比設置為0.8，則2 s后各單體電容兩端電壓變化波形如圖5所示。從圖中可以看出，該策略中各電容器充電相對獨立，沒有出現圖2中的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。

4 結語

對于普通的穩(wěn)壓管電壓均衡法、開關電阻均衡法和直流-直流變換器法對超級電容系統(tǒng)來說各有不同的特點，可根據應用場合和需求選擇不同的方式。雖然簡化的直流-直流變換器法的系統(tǒng)結構更為復雜，但在充電過程中避免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

[1] Chlodnicki Z，Koczara W.Supercapacitor storage application for reduction drive negative impact on supply grid[J].Compatibility in Power Electronics，IEEE Transactions，2005（1）：78-84.

[2] Ortuzar M，Dixon J.Design construction and performance of a buck-boost converter for an ultracapacitor-based auxiliary energy system for electric vehicles[J].Industrial Electronics Society，2003，3（22）：2889-2894.

[3] 張慧妍.超級電容器直流儲能系統(tǒng)分析與控制技術的研究[D].北京：中國科學院電工研究所，2006.