新型超級電容組能量管理系統(tǒng)

（電子科技大學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院，四川 成都 610054）

超級電容器是一種介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間的新型儲(chǔ)能器件，具有功率密度高、充放電速度快、使用壽命長、工作溫度范圍寬、低溫性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車[1]、機(jī)車啟動(dòng)及制動(dòng)能量回收系統(tǒng)[2]、電力電網(wǎng)[3]及可再生能源系統(tǒng)[4]等領(lǐng)域。

由于超級電容器單體工作電壓普遍較低(一般為 1～3 V[5])。因此在實(shí)際應(yīng)用中需要將多個(gè)單體串聯(lián)使用，以滿足不同的電壓需求。但因制造工藝的差別，單個(gè)超級電容內(nèi)部參數(shù)往往存在差異性，即使在多個(gè)單體電容串聯(lián)前進(jìn)行過參數(shù)的一致性篩選，其偏差也很難消除。在充放電過程中，直接進(jìn)行串聯(lián)使用，容易發(fā)生個(gè)別單體過充或過放的情況，使能量不能充分利用且損害超級電容器的使用壽命。電壓均衡系統(tǒng)能有效防止因單體參數(shù)的離散性而導(dǎo)致的單體電壓不一致的情況，最大限度地保證串聯(lián)電容組的能量利用率和使用壽命，是串聯(lián)超級電容組在實(shí)際應(yīng)用中必不可少的模塊。

現(xiàn)有的超級電容組均衡電路主要有兩類：一類是能量消耗型，常見的是穩(wěn)壓管型和開關(guān)電阻型，這兩種電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但卻存在能量浪費(fèi)、效率低的缺點(diǎn)[6-8]；另一類是能量轉(zhuǎn)移型，主要包括開關(guān)電容法[9]、Buck/Boost變換器法[10-11]、帶隔離變壓器的 DC-DC變換器[12]和單飛渡電容法[13]等。其中，開關(guān)電容的均衡速度取決于所有串聯(lián)超級電容的均衡速度。故當(dāng)相鄰電容壓差很小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電容組均衡速度下降[14]；Buck/Boost變換器中開關(guān)管和電感較多，當(dāng)串聯(lián)單體較多時(shí)，由于能量的逐級流動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致均衡速度下降，并增加能量損耗[15]；帶隔離變壓器的DC-DC變換存在磁路復(fù)雜、體積較大的問題[16]；單飛渡電容法可以直接將能量從最高單體轉(zhuǎn)移到最低單體，均衡速度只取決于超級電容組中最大壓差，但中間飛渡電容與儲(chǔ)能單體相比容量有限，導(dǎo)致均衡時(shí)間較長，且能量經(jīng)過中間飛渡電容也會(huì)有一定的損耗[17]。

本文提出了一種串聯(lián)超級電容組電壓均衡方法。電壓采集模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測各單體超容的電壓并將采集的電壓數(shù)據(jù)傳輸給主控制器 FPGA；經(jīng)主控器分析處理后，選出某一時(shí)刻電壓最大和最小的超級電容單體，并控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)做出相應(yīng)的關(guān)斷或?qū)?，使電壓最大和最小的電容單體直接相連，能量直接從高電壓單體流向低電壓單體。均衡過程不需要其他中間暫存器件，有效減少了器件數(shù)量和能量損失，結(jié)構(gòu)更簡單，易于實(shí)現(xiàn)模塊化。仿真和實(shí)際測試效果良好，進(jìn)一步驗(yàn)證了該方案的可行性。

1 均衡電路的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和均衡策略

1.1 開關(guān)網(wǎng)絡(luò)

開關(guān)網(wǎng)絡(luò)是均衡電路進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移的核心單元，其原理圖如圖1所示。開關(guān)網(wǎng)絡(luò)由超級電容單體(SC1，SC2，…SCn-1，SCn)，正/負(fù)極開關(guān)(第一正極開關(guān) S11，第一負(fù)極開關(guān) S12，第二正極開關(guān)S21，第二負(fù)極開關(guān)S22，第(n-1)正極開關(guān)S(n-1)1，第(n-1)負(fù)極開關(guān)S(n-1)2，第n正極開關(guān)Sn1，第n負(fù)極開關(guān)Sn2)和串聯(lián)開關(guān)(第一串聯(lián)開關(guān)S1，第二串聯(lián)開關(guān)S2，…第(n-1)串聯(lián)開關(guān)S(n-1))組成。其中正/負(fù)極開關(guān)和串聯(lián)開關(guān)都為雙向開關(guān)，即由一對帶續(xù)流二極管的n-MOSFET反向串聯(lián)(第一個(gè)n-MOSFE開關(guān)的源極與第二個(gè)n-MOSFET開關(guān)的源極相連，且兩者柵極接在一起)構(gòu)成的開關(guān)，目的是防止n-MOSFET通過續(xù)流二極管導(dǎo)通。超級電容單體SC1對應(yīng)的正/負(fù)極開關(guān)分別為第一正極開關(guān)S11和第一負(fù)極開關(guān)S12，超級電容SC2所對應(yīng)的正/負(fù)極開關(guān)分別為第二正極開關(guān) S21和第二負(fù)極開關(guān) S22，超級電容SCn對應(yīng)的正/負(fù)極開關(guān)分別為第n正極開關(guān)Sn1和第n負(fù)極開關(guān)Sn2。同一超級電容對應(yīng)的正/負(fù)極開關(guān)有相同的控制時(shí)序，即它們同時(shí)開通或關(guān)斷。均衡開始前，所有正/負(fù)極開關(guān)都處于關(guān)斷狀態(tài)，所有串聯(lián)開關(guān)都處于開通狀態(tài)，以保證超級電容組能正常地充放電。

圖1 開關(guān)網(wǎng)絡(luò)原理圖Fig.1 Schematic of switch network

1.2 均衡策略分析

電壓均衡電路如圖2所示，均衡電路包括超級電容組模塊、電壓采集模塊、主控制器FPGA模塊和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)模塊。均衡過程分為兩個(gè)階段：1)檢測階段。電壓采集模塊將檢測到的超級電容組中各單體電壓數(shù)據(jù)送入主控制器模塊。主控制器對送入的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行處理比較并按大小排序，找出其中電壓最大和最小的超級電容，2)均衡階段。主控器向開關(guān)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送均衡控制信號，斷開原本處于電壓最大單體和電壓最小單體之間的任意一個(gè)串聯(lián)開關(guān)，閉合電壓最大單體和電壓最小單體對應(yīng)的正/負(fù)極開關(guān)。此時(shí)電壓最大和電壓最小的超級電容被連接起來，能量從高電壓單體向低電壓單體轉(zhuǎn)移，經(jīng)過一段時(shí)間后(0.5 ms)又閉合之前斷開的串聯(lián)開關(guān)，斷開之前閉合的正/負(fù)極開關(guān)。經(jīng)過多次開通與關(guān)斷，最終使兩者電壓趨于一致。重復(fù)上述兩個(gè)階段，最終實(shí)現(xiàn)各個(gè)單體電壓的均衡。在上述均衡過程中，主控制器發(fā)送給開關(guān)模塊的均衡控制信號是占空比為0.5，工作頻率為1 kHz的方波。

圖2 電壓均衡電路Fig.2 Voltage balancing circuit

均衡時(shí)能量轉(zhuǎn)移過程如圖3所示，假設(shè)超級電容單體SC1電壓最大，超級電容單體SC3電壓最小，則主控器會(huì)發(fā)出控制信號到開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，使開關(guān)S11，S12，S31，S32導(dǎo)通，S21，S22保持關(guān)斷，同時(shí)斷開第一串聯(lián)開關(guān)S1或第二串聯(lián)開關(guān)S2；此時(shí)SC1和SC3相連，電壓高的SC1相當(dāng)于電源給SC3充電，電流從SC1流到SC3，兩者之間的壓差逐漸減小。重復(fù)開關(guān)動(dòng)作，最終實(shí)現(xiàn)電壓的均衡。能量轉(zhuǎn)移的等效圖如圖4所示。

圖3 能量轉(zhuǎn)移過程Fig.3 The energy transfer process

圖4 能量轉(zhuǎn)移等效圖Fig.4 Equivalent circuit of energy transfer

2 仿真驗(yàn)證

利用PSIM軟件對3個(gè)串聯(lián)的超級電容進(jìn)行仿真驗(yàn)證。表1給出了3個(gè)超級電容單體的初始電壓和電容值，可以看到開始時(shí)超級電容組最大壓差達(dá)到0.8 V。

表1 超級電容初始電壓和電容值參Tab.1 Initial voltage and capacitance

開關(guān)網(wǎng)絡(luò)中的各串聯(lián)開關(guān)、正極開關(guān)、負(fù)極開關(guān)的導(dǎo)通電阻設(shè)置為13 mΩ，主控器發(fā)出的控制信號是占空比為0.5，頻率為1 kHz的方波。均衡開始前所有正極開關(guān)、負(fù)極開關(guān)都處于關(guān)斷狀態(tài)，所有串聯(lián)開關(guān)都處于開通狀態(tài)。充電電流大小設(shè)為20 A，額定電壓為3 V。圖5給出了按照上述參數(shù)設(shè)置進(jìn)行仿真的結(jié)果。可以看到，SC1電壓上升慢于 SC3，因?yàn)榫忾_始時(shí)，SC1的能量會(huì)向SC3轉(zhuǎn)移，大約在第35 s時(shí)，SC1和SC3同時(shí)達(dá)到額定電壓限，充電停止。此時(shí)SC2電壓約為2.86 V。在停止充電后，均衡一直進(jìn)行著，最終三者的電壓會(huì)逐漸趨于一致。

圖5 仿真結(jié)果Fig.5 The simulation result

3 實(shí)驗(yàn)測試

對提出的超級電容電壓均衡電路刻板、焊接、調(diào)試并進(jìn)行實(shí)際測試。調(diào)試好的系統(tǒng)如圖6所示。表2給出了開關(guān)網(wǎng)絡(luò)模塊的元器件參數(shù)。實(shí)際測試中使用5個(gè)（400 F/2.7 V）超級電容單體串聯(lián)來進(jìn)行均衡驗(yàn)證。充電電流為2 A的恒流源，限壓2.7 V。超級電容SC1，SC2，SC3，SC4，SC5的初始電壓分別為0.4，0.7，0.65，0.81，0.42 V，最大電壓差為0.41 V。實(shí)驗(yàn)測試時(shí)間都為10 min，測試中每隔30 s對各單體電壓采樣一次。

圖6 超級電容均衡系統(tǒng)Fig.6 Photo of the super-capacitor voltage equalization system

表2 元器件參數(shù)Tab.2 Component parameter

圖7顯示了充電均衡的實(shí)際測試結(jié)果，其中圖7(a)表示未啟動(dòng)均衡系統(tǒng)的結(jié)果。該情況下，超級電容組的最大電壓差從最開始的0.41 V逐漸增大到最后的0.55 V。這在實(shí)際使用中很容易導(dǎo)致超級電容出現(xiàn)過充或者過放的情況。圖7(b)表示啟動(dòng)均衡系統(tǒng)后的結(jié)果，在啟動(dòng)均衡系統(tǒng)后超級電容組的最大電壓差逐漸降低，從最初的0.41 V變?yōu)樽詈蟮?.2 V，且任意兩個(gè)單體間的壓差都趨于減小的狀態(tài)。超級電容組各單體電壓的一致性有比較顯著的改善。

4 結(jié)論

圖7 五個(gè)超容串聯(lián)的測試結(jié)果Fig.7 Test results of five supercapacitors in series

本文針對串聯(lián)超級電容組存在電壓分配不均，容易出現(xiàn)過充、過放的情況提出了一種新的電壓均衡方法。該方法特點(diǎn)在于均衡時(shí)能量轉(zhuǎn)移不需要通過中間暫存器件，而是直接從電壓最高單體流向電壓最低單體。通過主控器FPGA接收并處理各單體電容電壓信號，控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)做出相應(yīng)動(dòng)作，使電壓最高和最低單體直接相連，能量從電壓高的單體流向電壓低的單體，最終實(shí)現(xiàn)模塊電壓均衡。分析了該方法的均衡原理，通過軟件仿真和實(shí)際測試的結(jié)果進(jìn)一步證明所提出均衡方法的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該均衡系統(tǒng)均衡速度較快，結(jié)構(gòu)簡單，易于模塊化，展現(xiàn)出較高的應(yīng)用價(jià)值。雖然該系統(tǒng)在超級電容浮置及充電狀態(tài)都有較好均衡效果，但不適用于放電過程，該缺點(diǎn)還有待進(jìn)一步改進(jìn)。

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