一種新型可串聯(lián)的超級(jí)電容電壓均衡特性研究

李 超， 胡國(guó)文， 林 萍， 陸志峰

(1.江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013；2.鹽城工學(xué)院，江蘇鹽城224003)

一種新型可串聯(lián)的超級(jí)電容電壓均衡特性研究

李 超1， 胡國(guó)文2， 林 萍2， 陸志峰1

(1.江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013；2.鹽城工學(xué)院，江蘇鹽城224003)

引入一種超級(jí)電容器電壓均衡控制策略的模型，在此基礎(chǔ)上提出一種新穎的超級(jí)電容器電壓均衡方法——開(kāi)關(guān)分流電壓均衡法，該方法可以直接改變每個(gè)超級(jí)電容器的能量流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)能量重新分配。闡述了該方法的均衡原理及均壓過(guò)程，給出了參數(shù)整定原則，同時(shí)基于PSIM仿真軟件，對(duì)三只串聯(lián)超級(jí)電容器模塊進(jìn)行仿真分析并與多飛渡電容電壓均衡法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：開(kāi)關(guān)分流電壓均衡法均壓速度快，效率高，在大容量快速儲(chǔ)能領(lǐng)域中具有一定的價(jià)值。

超級(jí)電容器；電壓均衡；PSIM；開(kāi)關(guān)分流

雖然超級(jí)電容器歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，但單體電壓仍很低(一般3 V以下))，大部分場(chǎng)合需要大量單體通過(guò)串并聯(lián)滿足能量存儲(chǔ)和電壓等級(jí)的要求。而生產(chǎn)過(guò)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(lián)工作時(shí)，常常出現(xiàn)過(guò)電壓和欠電壓兩種不健康狀態(tài)[1]。過(guò)電壓狀態(tài)將縮短超級(jí)電容器壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生爆炸；而處于欠電壓狀態(tài)的超級(jí)電容器，其容量不能被充分利用，造成資源極大浪費(fèi)。所以必須對(duì)串聯(lián)超級(jí)電容器引入均壓技術(shù)[1-2]，以提高超級(jí)電容器組的可靠性和利用率，并延長(zhǎng)超級(jí)電容器使用壽命。

目前，超級(jí)電容器電壓均衡技術(shù)主要包括并聯(lián)電阻法、穩(wěn)壓管法、開(kāi)關(guān)電阻法、開(kāi)關(guān)電容法、開(kāi)關(guān)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(guò)消耗多余能量，實(shí)現(xiàn)電壓均衡，但在過(guò)程中易產(chǎn)生大量熱量，嚴(yán)重影響系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性。開(kāi)關(guān)電容法、開(kāi)關(guān)電感法、DC/DC變換器法利用電感、電容這類(lèi)儲(chǔ)能元件來(lái)實(shí)現(xiàn)能量從高到低的轉(zhuǎn)移。當(dāng)相鄰超級(jí)電容器之間的電壓差值很小或者串聯(lián)單體數(shù)量較多時(shí)，這三種方法會(huì)存在無(wú)效的能量流動(dòng)，且均壓速度大打折扣。正反激變換器法磁路復(fù)雜、體積大，且均壓誤差較大。上述方法電路結(jié)構(gòu)固定，當(dāng)某支單體出現(xiàn)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(kāi)關(guān)分流電壓均衡法，該方法直接通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)能量流動(dòng)的控制，從根本上解決電壓不均的現(xiàn)象。在剔除故障單體的同時(shí)，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(yōu)勢(shì)。

1 開(kāi)關(guān)分流法電壓均衡控制策略

1.1 超級(jí)電容器電壓均衡模型分析

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

圖1 超級(jí)電容器充電均衡模型

理想情況下，超級(jí)電容器串聯(lián)模塊中各單體容量和等效內(nèi)阻等參數(shù)是一致的。但實(shí)際應(yīng)用中，單體間分散性并不能忽略。恒流充電情況下，超級(jí)電容器端電壓必定會(huì)存在分散性。式(2)是電容電壓值，充電電流、容量及時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。從其函數(shù)關(guān)系可得：設(shè)定好充電時(shí)間，就能達(dá)到給定電壓值。當(dāng)超級(jí)電容器單體間存在分散性時(shí)，可以通過(guò)人為控制充電時(shí)間來(lái)達(dá)到電壓均衡。

式(3)是超級(jí)電容器儲(chǔ)能公式，代入?yún)?shù)得：

恒流充電過(guò)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(dǎo)致電壓不均衡的現(xiàn)象。由式(5)～式(6)可知容量小的單體存儲(chǔ)的能量為額定值的70%，而容量較大的單體其存儲(chǔ)的能量?jī)H僅只有49%，不到額定值的一半。因此，對(duì)超級(jí)電容器電壓均衡技術(shù)的研究具有重要意義[1-2]。

1.2 開(kāi)關(guān)分流電壓均衡法

根據(jù)上述對(duì)超級(jí)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(shí)間的思路，提出一種新穎的電壓均衡方法——開(kāi)關(guān)分流電壓均衡法。該方法與所提及的方法相比，其顯著特點(diǎn)為該方法無(wú)無(wú)效的能量流動(dòng)，均壓速度快，能量損耗低、可靠性高。

圖2是開(kāi)關(guān)分流電壓均衡法原理圖，該方法由超級(jí)電容器C、電壓檢測(cè)模塊、電流檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、微機(jī)控制模塊、開(kāi)關(guān)管S等組成。系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)各單體電壓值，當(dāng)出現(xiàn)異?；蛘邷囟冗^(guò)高時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管S，將其從整個(gè)系統(tǒng)中剔除。當(dāng)其恢復(fù)正常，再通過(guò)控制將其連接到整個(gè)系統(tǒng)中，充放電過(guò)程并不影響其它單體工作，大大提高系統(tǒng)可靠性。

圖2 開(kāi)關(guān)分流電壓均衡電路結(jié)構(gòu)

2 開(kāi)關(guān)分流法充放電控制策略仿真

2.1 電路模型

根據(jù)上述開(kāi)關(guān)分流電壓均衡原理，超級(jí)電容器內(nèi)阻、漏電流對(duì)其影響較小，此處忽略其影響。開(kāi)關(guān)S由MOSFET來(lái)代替(內(nèi)阻很小，近似忽略)。閉合時(shí)，看成導(dǎo)線；斷開(kāi)時(shí)，看成斷路。

2.2 電壓均衡過(guò)程分析

圖3是其正常充電模式和均壓充電模式。微機(jī)控制模塊通過(guò)電壓檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)各單體電壓值。在時(shí)刻系統(tǒng)檢測(cè)到C1端電壓達(dá)到額定值，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)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(xù)充電。時(shí)刻，C2電壓值達(dá)到額定值，S22閉合，C2被短接。恒流源僅對(duì)C3充電。當(dāng)C3電壓值也達(dá)到額定值時(shí)，恒流源停止充電，實(shí)現(xiàn)均壓。開(kāi)關(guān)管S具體工作過(guò)程如圖4所示。

2.3 參數(shù)整定

該方法利用開(kāi)關(guān)管S實(shí)現(xiàn)對(duì)各單體充電時(shí)間的控制，改變能量流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)各單體電壓一致。其最關(guān)鍵的兩個(gè)參數(shù)是單體間最大電壓差值和均壓充電時(shí)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(kāi)關(guān)管工作時(shí)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(shí)間也越長(zhǎng)。由圖4可知在1時(shí)刻系統(tǒng)達(dá)到最大電壓差電壓最大/小值分別為，經(jīng)整理變形得：

(2)均壓充電時(shí)間

普通充電時(shí)，當(dāng)電壓值達(dá)到額定電壓值時(shí)，恒流源停止充電。此時(shí)，各單體的儲(chǔ)能利用率很低。通過(guò)上述方法實(shí)現(xiàn)均壓充電，其充電時(shí)間由充電速度最慢的單體決定，均壓充電時(shí)間即圖4中的時(shí)間，滿足：

2.4 仿真分析

用PSIM軟件對(duì)三只超級(jí)電容器串聯(lián)模塊的充電過(guò)程進(jìn)行仿真分析。超級(jí)電容器以KAMCAP為研究對(duì)象，其容量為16 F，額定電壓為16 V，最大充電電流11 A，內(nèi)阻與漏電流影響較小，此處忽略不計(jì)。

設(shè)定三只超級(jí)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(shí)間的關(guān)系曲線，分散性對(duì)三只超級(jí)電容器的影響，當(dāng)C1充滿時(shí)，C2、C3并未達(dá)到額定值，若繼續(xù)充電，則C1會(huì)過(guò)充，將嚴(yán)重影響其使用壽命，反之影響整個(gè)系統(tǒng)能量利用率。23.08 s充電結(jié)束，各單體電壓、總電壓不再上升，恒流源停止充電，充電時(shí)長(zhǎng)與理論計(jì)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(shí)間的關(guān)系曲線。在33.35 s各單體電壓值達(dá)到一致，完成均壓，過(guò)程并沒(méi)過(guò)壓。當(dāng)C1達(dá)到額定值，系統(tǒng)將其剔除停止充電，此時(shí)總電壓下降，充電電流產(chǎn)生一定波動(dòng)；當(dāng)C2達(dá)到額定值，系統(tǒng)也將其剔除，此時(shí)總電壓繼續(xù)下降，充電電流又產(chǎn)生一次波動(dòng)；最終，C3達(dá)到額定值，三只超級(jí)電容器都充滿，系統(tǒng)停止工作，總電壓將為0，實(shí)現(xiàn)均壓。

圖7是多飛渡電容電壓均衡效果圖。按照文獻(xiàn)[5]中設(shè)置仿真參數(shù)，其超級(jí)電容器初始值同上。可見(jiàn)，該方法在均壓過(guò)程會(huì)存在一定的過(guò)電壓，這將嚴(yán)重影響超級(jí)電容器的使用壽命及整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性。

圖5 普通充電時(shí)單體電壓、總電壓、充電電流與時(shí)間的關(guān)系曲線

圖6 均壓充電時(shí)單體電壓、總電壓、充電電流與時(shí)間關(guān)系曲線

圖7 多飛渡電容法均壓效果

將三只超級(jí)電容器分別通過(guò)普通充電、開(kāi)關(guān)分流法、多飛渡電容法進(jìn)行充電，對(duì)比結(jié)果如表1所示。普通充電所需時(shí)間最短，但其利用率低。多飛渡電容法利用多個(gè)飛渡電容，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管反復(fù)通斷，從而實(shí)現(xiàn)相鄰單體間能量轉(zhuǎn)移，以達(dá)到均壓的目的。實(shí)際中均壓過(guò)程會(huì)存在無(wú)效的能量流動(dòng)，數(shù)量較多時(shí)均壓效果大打折扣，該方法雖然提高了利用率，但均壓過(guò)程中會(huì)存在一定過(guò)壓，會(huì)嚴(yán)重影響超級(jí)電容器使用壽命，同時(shí)占空比固定，控制不夠靈活，所需開(kāi)關(guān)管較多，在快速大容量?jī)?chǔ)能場(chǎng)合受到限制。開(kāi)關(guān)分流法通過(guò)精準(zhǔn)計(jì)算，嚴(yán)格控制充電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)均壓充電，且可以在充電過(guò)程中剔除異常單體，大大提高超級(jí)電容器利用率及可靠性。

表1 結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

3 總結(jié)

本文提出一種超級(jí)電容器電壓均衡模型，并在此基礎(chǔ)上提出一種新穎的開(kāi)關(guān)分流電壓均衡法，同時(shí)給出最大電壓差值、均壓充電時(shí)間、電容容量及充電電流之間的關(guān)系。仿真結(jié)果表明：開(kāi)關(guān)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(jí)電容器能量利用率，并提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。該方法不僅可以應(yīng)用在超級(jí)電容器，還可以應(yīng)用于其它電池，且在大容量快速儲(chǔ)能領(lǐng)域有較高的實(shí)用價(jià)值。

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

[2]胡國(guó)文，李超，林萍.超級(jí)電容器電壓均衡技術(shù)研究綜述[J].電測(cè)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(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器逆變單元的研究與實(shí)現(xiàn)[D].北京：中國(guó)科學(xué)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(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20140467)；鹽城工學(xué)院與江蘇大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)研究生(XKY2013053)

李超(1990—)，男，江蘇省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槌?jí)電容器電壓均衡技術(shù)。