超級電容儲能電源開機均衡的實現及應用

(中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412001)

1 概述

有軌電車或無軌電車超級電容儲能電源是由幾百個超級電容單體串并聯組成。儲能電源內部一般是由模組串聯組成，而模組是取6個或8個并聯節進行串聯。延長超級電容單體的使用壽命是延長儲能電源的使用壽命的關鍵所在。

因超級電容單體漏電特性及容量的差異性，在儲能電源應用中會產生各串聯節間的電壓差，日積月累，電壓差會越來越大。串聯節電壓不一致，在充放電過程中就可能造成串聯節電壓過高而導致單體損壞，進而影響超級電容儲能電源的使用壽命，電壓均衡由此而來。

本文所論述的是電壓均衡的一種模式，主要均衡控制參數是模組電壓，致力于模組間的電壓一致性均衡。因為此均衡模式作用時間集中在系統啟動開機的前段，稱之為開機均衡。

超級電容模組漏電參數(根本上是單體的參數)不一致導致的模組電壓不一致，會增加超級電容儲能電源在充放電過程中的均衡負擔，而開機均衡的目的就是減輕這部分負擔，在開機時即對儲能電源內電壓進行均衡，使之在進入儲能電源充放電過程前盡量保持各模組電壓一致性處于可接受的程度。

2 開機均衡原理

超級電容儲能電源的每個模組配置一件電壓均衡單元，用于模組電壓的采集及均衡執行。配置一主控單元，用于收集所有模組電壓并分析電壓的一致性程度。如果一致性水平不滿足條件，則對相應模組下發對應的開啟均衡指令。網絡上的電壓均衡單元接到開機均衡指令后，對模組內各串聯節的電壓進行放電。開機均衡基本原理框圖如圖1所示。

3 具體實現

儲能電源系統內配置模組數為x，設計在開機均衡過程中最大允許參與均衡的模組數為n(一般n

主控單元獲取儲能電源內所有電壓均衡單元采集的模組電壓數據，獲取完有效的模組電壓數據U1～Ux后，對U1～Ux進行從大到小排序，同時記錄模組電壓對應的電壓均衡單元編號。判斷所獲取的所有模組電壓最大壓差是否大于設定閾值，如果滿足該條件，則對高n個模組電壓對應的電壓均衡單元發送開機均衡指令，同時開啟計時，在設定開機均衡時間內結束指令發送。如果所獲取的所有模組電壓最大壓差不大于設定閾值，則不發送開機均衡指令，即認為模組電壓一致性水平滿足設計要求，不需啟動開機均衡。開機均衡流程圖如圖2所示。在開機均衡指令發送過程中，主控單元實時判斷所有模組電壓最大壓差與閾值的大小關系，當滿足設計要求時，即關閉開機均衡，不再向均衡單元發送開機均衡指令。

圖1 開機均衡基本原理框圖

圖2 開機均衡軟件流程

4 工程應用

以馬來西亞HMU項目儲能電源為例，該項目儲能電源共配置42個模組，選取開機均衡時間為10 min，參與開機均衡的模組數量為12，開機均衡閾值設置為50 mV，及模組電壓最大差值不大于50 mV時，則關閉開機均衡。

選取HMU第1臺儲能電源作為測試對象，在應用開機均衡前，通過上位機獲取模組電壓并記錄，之后主控單元和電壓均衡單元增加開機均衡功能。在車輛試驗1月后，再次通過上位機獲取模組電壓并記錄。數據統計分析如圖3和表1所示。

圖3 HMU儲能電源模組電壓數據對比圖

表1 儲能電源模組電壓數據分析

由圖3及表1可見，該儲能電源在應用開機均衡后，模組間最大壓差從0.933 V降到了0.166 V，效果明顯。

5 結語

本文設計了一種用于系統啟動時的電壓均衡方法-開機均衡，通過以上論述可知，開機均衡是一種耗電式的均衡，通過損耗高電壓的模組能量而達到電壓水平一致的目的，彌補了模組內電壓均衡所帶來的不足。

在實際應用過程中，所設計的開機均衡策略方法有效可行，在項目中應用效果良好，在其他項目研發設計中，可根據具體項目選用的超級電容單體及均衡單元部件參數的不同，設定合適的均衡時間；根據系統的模組配置及實際需求設定參與開機均衡的模組數量。