交通儲能系統(tǒng)串聯(lián)超級電容控制電路的研究

楊倉滿 劉劍鋒

(1.南車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412001； 2.中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

交通儲能系統(tǒng)串聯(lián)超級電容控制電路的研究

楊倉滿1劉劍鋒2

(1.南車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412001； 2.中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

針對城市軌道交通儲能系統(tǒng)快速充電中出現(xiàn)的超級電容單體之間存在的電壓不均衡問題，提出了一種非能耗型的快速均衡電路，介紹了均衡硬件電路的工作原理,分析了均衡器的均衡電流控制策略，并對4個(gè)串聯(lián)超級電容組成的模組均衡電路進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

超級電容，電壓不均衡，非能耗型，均衡器

0 引言

超級電容器的電容量很大，可以達(dá)到數(shù)千法拉，但是其額定電壓很低，一般只有1 V～3 V[1]。在城市軌道交通儲能系統(tǒng)中，需要通過多個(gè)超級電容串并聯(lián)使用，才能滿足電機(jī)對電壓等級的需求。由于各超級電容單體內(nèi)部特征參數(shù)的不一致性，容易導(dǎo)致在快速充放電情況下各電容單體的電壓不均衡，從而降低超級電容組的能量儲存能力和使用壽命。因此，采取合適的電壓均衡措施使超級電容單體電壓保持一致具有非常重要的意義。

1 均衡電路方案的介紹及優(yōu)缺點(diǎn)分析

目前國內(nèi)外的研究者已經(jīng)提出了一些針對超級電容的均衡方法，大體可以歸類為能耗型均衡[2]以及非能耗型均衡[3-5]兩種。

1.1 能耗型電壓均衡方法

最簡單的能耗均衡方法是將每個(gè)電容單體并聯(lián)電阻器，如圖1所示。這是為了使各單體自放電率趨于平衡來防止電壓不平衡。這種方法增加了自放電率，不利于能量存儲。為了能夠?qū)γ總€(gè)單體的放電速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，經(jīng)常在并聯(lián)電阻器時(shí)串聯(lián)一個(gè)開關(guān)，當(dāng)一個(gè)單元的電壓接近一定的水平時(shí)，開關(guān)閉合，單體通過電阻器放電。然而，在大電流充電條件下，均衡電流一般比較高，這將導(dǎo)致大量的能量以發(fā)熱的形式損耗。

1.2 非能耗型電壓均衡方法

非能耗型電壓均衡方法按照能量轉(zhuǎn)移的方式，分單體對單體和模組對單體兩種。

1.2.1 單體對單體能量轉(zhuǎn)移方法

常用的一種單體對單體能量轉(zhuǎn)移的均衡方法有開關(guān)電容法，典型電路如圖2所示。

這種方法采用額外的儲能單元，將電壓較高超級電容單體能量轉(zhuǎn)移到電壓較低單體中。這樣有利于能量的利用。但是，這種均衡時(shí)間比較長。

1.2.2 模組對單體能量轉(zhuǎn)移方法

典型的模組對單體能量轉(zhuǎn)移方法有多變壓器AC/DC和多繞組單變壓器AC/DC方案，多變壓器方案如圖3所示。

此方案有利于模塊化設(shè)計(jì)，均衡時(shí)間較快。但是，不適合串聯(lián)電容單體較多的場合。同時(shí)，方案中AC/DC整流基本都采用不可控二極管整流。然而二極管一般都有導(dǎo)通壓降損耗，降低了均衡器的電壓均衡精度。

1.3 具有一對多輸出的電源拓?fù)渚夥桨?/p>

考慮到城市軌道交通儲能系統(tǒng)模組內(nèi)單體電壓為2.7 V，正常充電時(shí)最大電流會達(dá)到幾百安培，為實(shí)現(xiàn)快速均衡的要求，考慮設(shè)計(jì)的均衡器均衡電流需要接近100 A，因此這里需要采用低壓大電流直流變換器。對比之前提出的均衡器方案，采用模組對單體能量非耗散能量轉(zhuǎn)移方案更合適。針對儲能系統(tǒng)電壓等級高達(dá)900 V的場合下，采用多變壓器方案無疑成本過大。而且考慮模組內(nèi)各電容單體不需同時(shí)均衡，若采用模塊化AC/DC，每個(gè)模組需要多AC/DC模塊，設(shè)計(jì)冗余，成本較高，所以具有一對多輸出的電源拓?fù)涓m合當(dāng)前需求，如圖4所示。

在此均衡器中，變壓器的副邊整流輸出也改為采用同步整流技術(shù)，以減少開關(guān)管導(dǎo)通壓降，提高電壓均衡精度。同時(shí)，通過設(shè)計(jì)可以達(dá)到100 A均衡電流，減少了均衡時(shí)間。

2 均衡器均衡電流控制

在本系統(tǒng)中，主要是通過向電壓較低的單體電容灌電流實(shí)現(xiàn)電壓均衡。因此，推挽變壓器初級采用控制電流方式，電流給定值由采樣控制板給出，結(jié)構(gòu)如圖5所示。在實(shí)際閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選用LEM公司的電流傳感器HAS50采集初級電流，使用高速運(yùn)放搭建模擬控制器，采用定頻調(diào)寬方式實(shí)現(xiàn)變壓器初級恒流控制。

3 可控整流橋設(shè)計(jì)

為了減少導(dǎo)通損耗，用導(dǎo)通電阻小的MOSFET管替代傳統(tǒng)的整流二極管，搭建全橋可控整流電路，此種整流電路具有功耗低和可控性的雙重優(yōu)點(diǎn)，用于大電流整流控制具有很大的優(yōu)勢?？煽卣麟娐方Y(jié)構(gòu)如圖6所示，當(dāng)超級電容不需要充電可以通過拉低柵極驅(qū)動(dòng)電壓關(guān)斷MOSFET管，切斷電容充電回路。

電路中MOSFET選用IR公司的IRFS7434-7PPbF。該MOSFET通態(tài)電阻RDS(ON)典型值只有0.7 mΩ，最大值1 mΩ，漏極電流高達(dá)240 A，適合當(dāng)前可控整流電路的使用。

4 仿真分析

為了驗(yàn)證本方案的效率及可行性，我們采用美國Synopsys公司的一款EDA軟件Saber對包含4個(gè)串聯(lián)超級電容單體的系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

本文4個(gè)單體仿真初始電壓分別設(shè)置為V1=2.6 V，V2=2.5 V，V3=2.8 V，V4=2.7 V，V3>V4>V1>V2。

電壓值最小的C2電容最先開始由均衡電流補(bǔ)償，均衡電流峰值可達(dá)180 A，隨著V2的增加，C1電容的均衡電流開始增加。最終四個(gè)單體的電壓會快速達(dá)到一個(gè)相同的值。

5 實(shí)驗(yàn)分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本方案的可行性，我們在完成理論分析與仿真的基礎(chǔ)之上，根據(jù)實(shí)際環(huán)境，搭建了實(shí)物系統(tǒng)模型，對方案做了驗(yàn)證與分析，在本次實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，我們采用兩個(gè)電容值為3 000 F的單體電容，對變壓器性能，初級電流閉環(huán)控制以及可控整流部分做了進(jìn)一步驗(yàn)證。

2個(gè)單體實(shí)驗(yàn)初始電壓分別為V1=2.75 V，V2=2.45 V。實(shí)驗(yàn)中，每隔5 s記錄一次兩單體的電壓值，兩單體的電壓在歷時(shí)45 s后基本達(dá)到均衡，并在之后的充電過程中始終保持一致。

6 結(jié)語

本文提出了一種新的串聯(lián)超級電容充電均衡電路，其均衡器全橋同步整流電路具有很高的浪涌電流能力。同時(shí)，由于采用的MOSFET的導(dǎo)通電阻非常小，這使得該均衡器在提供很大的均衡電流時(shí)保持非常低的傳導(dǎo)損耗，從而實(shí)現(xiàn)電壓的快速平衡。

從仿真分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出本文提出的超級電容器電壓均衡電路具有均衡速度快、損耗低、發(fā)熱量小、實(shí)現(xiàn)簡單等特點(diǎn)，能有效地解決城市軌道交通中采用超級電容儲能系統(tǒng)中單體或者模組電壓的均衡問題。

[1] 胡 斌，楊中平，林 飛，等.城市軌道交通用超級電容器組等效電路模型研究[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2013(5)：65-68.

[2] 韓曉男.超級電容串聯(lián)均壓研究[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2010(4):68-72.

[3] 胡國文，李 超，林 萍.超級電容器電壓均衡技術(shù)研究綜述[J].電測與儀表，2014(22):22-29.

[4] 逯仁貴，王鐵成，朱春波，等.基于飛渡電容的超級電容組動(dòng)態(tài)均衡控制算法[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008(9):1421-1425.

[5] 趙 衛(wèi)，李 磊，柳 成.基于DC/DC的超級電容均衡控制電路建模及控制策略研究[J].電源世界，2014(9):21-25.

The research of papid equilibrium control circuit for urban rail transportation series super capacitor energy storage system

Yang Cangman1Liu Jianfeng2

(1.ElectricEquipmentSubsidiary,CSRZhuzhouElectricLocomotiveCo.,Ltd,Zhuzhou412001,China; 2.SchoolofInformationScienceandEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China)

In this papper, in order to solve the voltage imbalance of series-connected super-capacitors in the fast charging urban rail transportation system, a non-dissipative fast equalizer is proposed. The current equalization control strategy and hardware design are presented and equalization performance is verified by the simulation and experimental results of a charge equalizer prototype for four series-connected super-capacitors.

super-capacitor, voltage imbalance, non-dissipative, equalizer

2015-03-30

楊倉滿(1978- )，男，工程師； 劉劍鋒(1977- )，男，高級工程師

1009-6825(2015)16-0130-03

TU852

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