應(yīng)用于艦船的超級(jí)電容器充電均壓方案設(shè)計(jì)

胡家寧, 郭 燚

(1.上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院, 上海 201306; 2.國網(wǎng)浙江省電力公司舟山供電公司, 舟山 316022,浙江)

應(yīng)用于艦船的超級(jí)電容器充電均壓方案設(shè)計(jì)

胡家寧1,2, 郭 燚1

(1.上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院, 上海 201306; 2.國網(wǎng)浙江省電力公司舟山供電公司, 舟山 316022,浙江)

超級(jí)電容器是適用于為艦船脈沖負(fù)載供電的儲(chǔ)能設(shè)備。當(dāng)多個(gè)單體超級(jí)電容器串聯(lián)充電時(shí)，存在充電電壓不均衡問題，直接降低了超級(jí)電容的能量儲(chǔ)存能力和使用壽命。為使艦船上的超級(jí)電容器安全、快速地完成均壓充電，在傳統(tǒng)DC-DC均壓法基礎(chǔ)上優(yōu)化了電路結(jié)構(gòu)，并增設(shè)了后備保護(hù)。均壓仿真實(shí)驗(yàn)證明了該方案的可行性。

脈沖負(fù)載； 儲(chǔ)能設(shè)備； 超級(jí)電容器； 均壓充電

隨著艦船制造技術(shù)的飛速發(fā)展，艦船上脈沖武器日益增多，如電磁炮、激光武器、高功率雷達(dá)等。這些脈沖負(fù)載的大規(guī)模使用，給艦船電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[1]中提出了在艦船綜合電力系統(tǒng)中配備儲(chǔ)能系統(tǒng)的想法。作為新型儲(chǔ)能設(shè)備，超級(jí)電容器具有快速高功率充放電的特性[2]，正好滿足艦船大功率脈沖負(fù)載的需求。

超級(jí)電容器單體額定電壓較低,為了滿足艦船脈沖負(fù)載對(duì)電壓等級(jí)的要求，需要將多個(gè)超級(jí)電容器串聯(lián)起來使用[3]。但是,單個(gè)超級(jí)電容的容量、初始電壓和內(nèi)阻等參數(shù)不一致，會(huì)造成充電過程中各電容單體充電速度不同,從而導(dǎo)致電壓不均衡。數(shù)量眾多的單體超級(jí)電容器串聯(lián)充電時(shí)該問題更加凸顯[4]。因此,在艦船上應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)合理的均壓方案，使多個(gè)超級(jí)電容在串聯(lián)充電過程中電壓保持一致，力求能在同一時(shí)刻所有超級(jí)電容器都完成充電[5-6]。

文獻(xiàn)[7-8]中將常用的超級(jí)電容器電壓均衡方案分為能耗型和回饋型兩大類。穩(wěn)壓管電壓均衡法是能耗型中的代表，電路結(jié)構(gòu)簡單，無需任何控制手段，操作方便[9];但若其中任何一個(gè)電容器兩端的電壓達(dá)到額定電壓后，充電電流將全部流入穩(wěn)壓管，能量完全消耗在穩(wěn)壓管上，導(dǎo)致能量嚴(yán)重浪費(fèi)。其他各種能耗型均壓法也都無法避免能量浪費(fèi)的情況。而艦船上能量來之不易，故用能耗型方法并不合適。

回饋型均壓方法通過變換器將單體之間的偏差能量饋送回超級(jí)電容組或組中某些單體，可以使能量得到互補(bǔ),避免艦船上能源浪費(fèi)。文獻(xiàn)[7]中總結(jié)了回饋型均壓方法有DC-DC變換法、飛渡電容法、開關(guān)電感通斷法等，并對(duì)開關(guān)電感通斷法進(jìn)行了深入研究?？紤]到艦船上電力設(shè)備運(yùn)行條件要比陸上更加嚴(yán)苛，應(yīng)力求結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，本文選擇了結(jié)構(gòu)較為簡單的DC-DC變換法,并加以優(yōu)化，使之更適合在艦船上使用。

1 基于傳統(tǒng)DC-DC變換法的超級(jí)電容器均壓優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 傳統(tǒng)DC-DC變換法存在的問題

DC-DC變換法通過雙向直流變換器將電壓較高的單體電容的能量轉(zhuǎn)移到電壓較低的單體電容上，從而達(dá)到均壓目的。常見的雙向直流變換器有雙向Buck/Boost、雙向Cuk、雙向Zeta-Sepic等[10-12]。其中,雙向Buck/Boost直流變換器結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)換效率高，在均壓場合被廣泛應(yīng)用。其電路拓?fù)鋱D如圖1所示。 文獻(xiàn)[7]中詳細(xì)介紹了該變換器在超級(jí)電容器均壓中的使用，但是該方案應(yīng)用到艦船上時(shí)存在以下兩個(gè)缺陷：(1) 沒有對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行充電后備保護(hù)，只單純考慮了均壓結(jié)束時(shí)間小于超級(jí)電容器到達(dá)額定電壓時(shí)間的情況。若其中某個(gè)或多個(gè)超級(jí)電容器率先達(dá)到額定電壓而其他電容器還在均壓時(shí)，需要先切斷主電源，使該超級(jí)電容器的能量轉(zhuǎn)移給其他電容器，待其端電壓下降后再接入主電源，否則,會(huì)導(dǎo)致超級(jí)電容器過充，嚴(yán)重影響壽命。(2) 大量使用開關(guān)管、電感等器件，控制比較復(fù)雜，成本也較高。

圖1 雙向Buck/Boost直流變換器

Fig.1 Bi-directional buck/boost converter

1.2 超級(jí)電容器均壓優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)上述雙向Buck/Boost直流變換器的不足，本文對(duì)其電路拓?fù)溥M(jìn)行改進(jìn)，有效減少其開關(guān)管數(shù)量;然后,引入后備保護(hù)模塊，保證充電的安全性。傳統(tǒng)DC-DC變換法均壓拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)DC-DC變換法均壓拓?fù)?/p>

DC-DC變換法均壓工作原理如下:以超級(jí)電容器C1、C2為例，它們通過雙向Buck/Boost直流變換器連接在一起。當(dāng)直流電源給兩者恒流充電時(shí)，若檢測(cè)到C1兩端電壓高于C2，即開通與C1并聯(lián)的MOSFET管，使C1上儲(chǔ)存的能量通過MOSFET和電感L組成的回路釋放到L上；然后，電感又通過C2與其反并聯(lián)的二極管構(gòu)成的回路對(duì)C2進(jìn)行充電，從而使C1電壓下降，C2電壓上升。由于電路拓?fù)鋱D上、下對(duì)稱，故當(dāng)C2電壓高于C1時(shí)，可以用同樣的方法使C2電壓下降，C1電壓上升，從而達(dá)到兩者電壓均衡的目的。

圖2中，若檢測(cè)到C2兩端的電壓高于C1則開通C2對(duì)應(yīng)的開關(guān)管使C2的能量轉(zhuǎn)移到C1；若檢測(cè)到C2兩端電壓高于C3也可以采用同樣的方法把能量轉(zhuǎn)移給C3。也就是說，除了首、尾兩個(gè)超級(jí)電容器外，所有超級(jí)電容器都可向前也可以向后傳遞能量，這就造成了沒必要的浪費(fèi)。本文優(yōu)化了傳統(tǒng)DC-DC變換法的均壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在圖2的基礎(chǔ)上，用二極管代替部分MOSFET管，使能量實(shí)現(xiàn)單向傳遞，并在首、末端之間加裝一個(gè)變比為1∶1的隔離變壓器，從而在確保電容器均衡充電的前提下減少了50%的開關(guān)管元器件，降低了成本，簡化了電路。優(yōu)化后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后的DC-DC變換法均壓拓?fù)?/p>

后備保護(hù)模塊工作原理如下:采用實(shí)時(shí)電壓傳感器監(jiān)測(cè)每個(gè)電容的電壓，當(dāng)1個(gè)或多個(gè)超級(jí)電容器達(dá)到額定電壓時(shí)，通過比較器和邏輯與門串聯(lián)結(jié)構(gòu)將電路總開關(guān)暫時(shí)斷開，待這些超級(jí)電容器完成能量轉(zhuǎn)移、電壓下降后，再開通總開關(guān)繼續(xù)充電；當(dāng)所有超級(jí)電容器均達(dá)到額定電壓時(shí)，通過比較器和邏輯與門串聯(lián)結(jié)構(gòu)將總開關(guān)永久斷開，充電完成。

2 超級(jí)電容器數(shù)量及充電方式的確定

本文中的超級(jí)電容器主要用于給艦船大功率脈沖負(fù)載供電，故應(yīng)結(jié)合脈沖負(fù)載特性，先確定單體超級(jí)電容器的規(guī)格和需要的數(shù)量。

Maxwell公司于2016年2月全新推出的3 V/3 kF的超級(jí)電容單體,有助于降低儲(chǔ)能系統(tǒng)總成本和質(zhì)量，并提升了運(yùn)行效率，很適合在艦船大功率用電場合使用，本文沿用該規(guī)格作為超級(jí)電容器單體[11]。

圖4給出了艦船脈沖負(fù)載特性曲線。

圖4 脈沖負(fù)載特性曲線

由圖可知，艦船脈沖負(fù)載的功率可以在很短時(shí)間(約幾μs)內(nèi)由0 MW上升至5 MW左右，故可通過能量約束法來確定需要使用的單體超級(jí)電容器數(shù)量。

參照文獻(xiàn)[4]中使用的能量約束法，根據(jù)負(fù)載總功率需求來確定所需超級(jí)電容器的數(shù)量，即

(1)

式中,W為負(fù)載所需總能量;n為并聯(lián)超級(jí)電容器個(gè)數(shù);m為串聯(lián)超級(jí)電容器的個(gè)數(shù);Ue為超級(jí)電容器單體的額定電壓(3 V);Cf為超級(jí)電容器單體的總?cè)萘?3 kF);Umin為超級(jí)電容允許的電壓下限值,一般取額定電壓的1/2。

整理式(1)，得

(2)

計(jì)算脈沖負(fù)載所需總能量為

W=Pt

(3)

式中,P為脈沖負(fù)載峰值功率;t為峰值功率持續(xù)時(shí)間。

按照P=5 MW，t=2 s計(jì)算，得W=10 MJ,故nm≈1 000,即約需要1 000個(gè)超級(jí)電容器，串、并聯(lián)方案(n和m的個(gè)數(shù))可根據(jù)具體情況自由調(diào)節(jié)。

考慮到一般艦船用的超級(jí)電容器組電壓大多為600～900 V，而電容器組兩端電壓只與串聯(lián)的超級(jí)電容器數(shù)量有關(guān)，同時(shí)借鑒文獻(xiàn)[3]中對(duì)艦船超級(jí)電容器的應(yīng)用設(shè)計(jì)，將1 000個(gè)超級(jí)電容器分為5組，每組有200個(gè)超級(jí)電容器單體串聯(lián)(總電壓為600 V)，再將這5組并聯(lián)。艦船發(fā)電系統(tǒng)直接對(duì)超級(jí)電容器組進(jìn)行充電，同時(shí)，超級(jí)電容器組儲(chǔ)存的電能可釋放供給艦船上的脈沖負(fù)載和其他負(fù)載。艦船電力系統(tǒng)各模塊總體接線圖如圖5所示。

圖5 艦船電力系統(tǒng)各模塊總體示意圖

超級(jí)電容器的充電方式有恒流充電、恒壓充電及組合充電等[13-15]。其中，以恒流充電最為常用。超級(jí)電容器可以接受的充電電流范圍較大，采用大電流對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行恒流充電快速且安全。本文探討的均壓方案正是用于恒流充電中。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

在每組200個(gè)超級(jí)電容器中任意選擇4個(gè)來完成均壓仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)合圖3與上文后備保護(hù)的設(shè)計(jì)思路，在PSIM軟件中搭建仿真電路如圖6所示。

用直流電源DC為超級(jí)電容器C1～C4充電。每個(gè)超級(jí)電容器均并聯(lián)了電壓傳感器，通過電壓傳感器比較相鄰超級(jí)電容器的實(shí)時(shí)充電電壓，然后將結(jié)果轉(zhuǎn)換成信號(hào)控制MOSFET管的通斷，完成能量的轉(zhuǎn)移。圖6中最右側(cè)的4個(gè)電壓邏輯比較器為后備保護(hù)模塊，每個(gè)比較器中都預(yù)設(shè)了超級(jí)電容器的額定電壓值。將4個(gè)電壓傳感器監(jiān)測(cè)到的電壓值U1～U4依次輸入到相應(yīng)比較器，一旦U1～U4中任何一個(gè)超過額定電壓，比較器都會(huì)通過邏輯與門控制總開關(guān)Q5關(guān)斷。切除直流電源DC，達(dá)到防止超級(jí)電容器過充的目的。

圖6 PSIM電路仿真圖

Fig.6 Simulation circuit of PSIM

仿真前，先設(shè)定4個(gè)電容器的初始電壓值。需要注意的是，根據(jù)超級(jí)電容器自身的特性，其充電初始電壓不能設(shè)定為0 V，因此，設(shè)定C1～C4的初始電壓分別為1.5 V、2 V、2.5 V、1.0 V；直流電源DC電流為1.5 kA，內(nèi)阻R1為20 Ω，回路電感為10 μH，MOSFET管Q1～Q4的開關(guān)頻率為20 kHz，占空比D=0.5，變壓器T1變比為1∶1；后備保護(hù)電路中的每個(gè)電壓邏輯比較器設(shè)定值為3 V，總比較器設(shè)定值為12 V，仿真時(shí)間為4 s。

圖7給出了優(yōu)化的超級(jí)電容器充電均壓仿真結(jié)果。

圖7 優(yōu)化的超級(jí)電容器充電均壓仿真結(jié)果

Fig.7 Simulation result of optimized supercapacitor equalizing charge

由圖可見，4個(gè)初始電壓不同的超級(jí)電容器約在1.8 s后電壓達(dá)到一致。由于該均衡時(shí)間小于最后達(dá)到額定電壓所需的時(shí)間，因此，后備電壓保護(hù)裝置并未啟動(dòng)。4個(gè)超級(jí)電容器的電壓在2.4 s同時(shí)達(dá)到額定值，此時(shí)總電壓達(dá)到12 V，開關(guān)管Q5關(guān)斷，每個(gè)超級(jí)電容器的電壓都保持在額定值不再上升，充電完成。

為驗(yàn)證后備保護(hù)的功能，設(shè)置C1、C2、C3初始電壓為2.9 V，C4初始電壓為1 V，其余各項(xiàng)參數(shù)均不變，重復(fù)上述仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示。

圖8 后備保護(hù)動(dòng)作下的均壓仿真結(jié)果

由圖8可見，仿真開始時(shí)，C4電壓急劇上升，C3在0.3 s、C2在0.5 s內(nèi)電壓急劇跌落后迅速上升，這是由于C2和C3距離C4較近，率先將能量轉(zhuǎn)移到了C4上，并隨著C4電壓的上升也開始充電。而C1由于距離C4較遠(yuǎn)，未來得及轉(zhuǎn)移能量，約在0.2 s時(shí)充電至額定電壓不再上升，這是由于后備保護(hù)動(dòng)作使Q5關(guān)斷，電源被切除；然后，C1電壓維持在3 V不再上升；0.5 s時(shí)，C1電壓開始下降，這是由于雖然主電源被切斷，但是超級(jí)電容器之間的電壓仍未一致，故能量轉(zhuǎn)移依然進(jìn)行，后備保護(hù)動(dòng)作使Q5重新開通；C1約在0.9 s時(shí)第2次充電至額定電壓不再上升，這是由于電源再次被切斷。此時(shí)，C2、C3、C4電壓繼續(xù)上升，C2充電至額定電壓，然后下降、再上升，如此出現(xiàn)循環(huán)往復(fù)，直到4個(gè)超級(jí)電容器都達(dá)到額定電壓，即總電壓達(dá)到12 V，此時(shí)，Q5永久關(guān)斷，充電完成。

從仿真結(jié)果可以看出，該后備保護(hù)方案既防止了超級(jí)電容器過度充電，又維持了充電過程的持續(xù)性，是行之有效的。

4 結(jié) 語

本文提出用超級(jí)電容器為艦船大功率脈沖負(fù)載供電的想法，隨后對(duì)超級(jí)電容器在艦船上充電時(shí)單體電壓不均衡問題做了原因分析，在借鑒了幾種傳統(tǒng)均壓方法的同時(shí)結(jié)合艦船特性，采用DC-DC變換法完成均壓目的。但是，傳統(tǒng)的DC-DC變換法存在器件眾多和沒有后備保護(hù)等問題，本文對(duì)該方法做了進(jìn)一步優(yōu)化，很好地解決了這些問題；同時(shí)，通過搭建PSIM仿真模型來驗(yàn)證該方案的可行性。由仿真結(jié)果可以看出，該方案用于艦船超級(jí)電容器充電均壓是成功的。

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Design of Equalizing Charging Scheme for Ship-Borne Supercapacitor

HUJianing1,2,GUOYi1

(1. Logistics Engineering College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China; 2. Zhoushan Power Supply Company, State Grid Zhejiang Electric Power Company, Zhoushan 316022 Zhejiang, China)

Supercapacitors are suitable for ship-borne energy storage equipment with pulse loads. However, charging voltage imbalance may occur when several supercapacitors are charged in series. This can reduce the capacity of energy storage and service life. To achieve safe and fast on-ship charging, we optimize the circuit structure and add back-up protection based on a traditional DC-DC equalizing method. Simulation results show feasibility of the scheme.

pulse load; energy storage equipment; supercapacitor; equalizing charge

2016 -12 -17

胡家寧(1993-)，男，碩士生，主要研究方向?yàn)榇皟?chǔ)能系統(tǒng)，E-mail：747097671@qq.com

指導(dǎo)老師： 郭 燚(1971-)，男，副教授，主要研究方向?yàn)閮?chǔ)能系統(tǒng)和MMC在船舶中壓直流電力系統(tǒng)中的應(yīng)用與控制， E-mail:yiguo@shmtu.edu.cn

2095 - 0020(2017)01 -0040 - 06

U 665.12

A