超級(jí)電容系統(tǒng)中直流變換器的電壓均衡方法

董雪鵬

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.14.129

摘 要：針對(duì)超級(jí)電容系統(tǒng)中多電容共同工作時(shí)容易出現(xiàn)各電容之間互相干擾、混亂充放電的問(wèn)題，在分析幾種常用的電壓均衡方法的特點(diǎn)后，給出了一種改進(jìn)型的直流-直流變換器的電壓均衡方法，有效地解決了各電容器混充的局面，具有很好的電壓均衡性，對(duì)于工程實(shí)際應(yīng)用具有較高的可行性。

關(guān)鍵詞：超級(jí)電容 直流-直流變換器 電壓均衡

中圖分類號(hào)：TM343 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）05（b）-0129-03

1 超級(jí)電容系統(tǒng)

超級(jí)電容是通過(guò)電化學(xué)的轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的電化學(xué)元件，具有很高的功率密度，超過(guò)一般的儲(chǔ)能元件或系統(tǒng)，工作過(guò)程中的充放電時(shí)間很短，能實(shí)現(xiàn)快速的能量存儲(chǔ)和釋放，循環(huán)利用的壽命長(zhǎng)，能多次的充放電而不至于器件產(chǎn)生損壞，工作溫度范圍較寬，受外部環(huán)境的影響較小。目前，超級(jí)電容系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)系統(tǒng)、軌道交通多能源系統(tǒng)、電動(dòng)汽車儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域，具有很好的應(yīng)用前景。

2 超級(jí)電容系統(tǒng)的電壓均衡方法

2.1 穩(wěn)壓管電壓均衡法

穩(wěn)壓管電壓均衡策略的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，各電容器的電壓從初始電壓開始以相同的斜率線性增加，在經(jīng)過(guò)不同的時(shí)間后，分別增加到限值后電壓達(dá)到穩(wěn)定，保持水平趨勢(shì)。

2.2 開關(guān)電阻均衡法

開關(guān)電阻均衡策略的電路結(jié)構(gòu)與穩(wěn)壓管電壓均衡法相比稍顯復(fù)雜，各電容器的電壓從初始電壓開始以相同的斜率線性增加，在經(jīng)過(guò)不同的時(shí)間后，分別增加到基準(zhǔn)電壓值，隨后各電容的電壓非線性增加，最終穩(wěn)定在電壓限值，保持水平趨勢(shì)。

2.3 直流-直流變換器法

圖1為直流-直流變化器法框圖。與前面不同，充電電流為500 A，單體電容額定電壓Un和容量C均為4 V/1000 F，各回路電感L均取10 μH，開關(guān)頻率f取20 kHz，占空比D=0.5，則各電容器電壓變化曲線如圖2所示。電容1和電容2電壓首先非線性增加，隨后近似線性變化增加到4 V達(dá)到穩(wěn)定，而電容3和電容4的變化復(fù)雜，但最終穩(wěn)定都在4 V。

3 改進(jìn)型的直流-直流變換器均衡策略及實(shí)現(xiàn)

通過(guò)上述分析，給出了一種改進(jìn)型的直流-直流變換器電壓均衡策略，將最后一個(gè)單體電容器改為向前面所有的電容器進(jìn)行能量傳遞，有效避免了系統(tǒng)減少隔離變壓器而帶來(lái)的短路問(wèn)題，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。從圖中可以看出，當(dāng)最后的電容Cn的電壓超出電容C1時(shí)，Cn首先將能量傳遞至最近的電感，然后通過(guò)該電感將能量向C1-Cn-1整體傳遞。

針對(duì)上述均衡策略的電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。假設(shè)電容C4相連的開關(guān)管S4的占空比設(shè)置為0.8，則2 s后各單體電容兩端電壓變化波形如圖5所示。從圖中可以看出，該策略中各電容器充電相對(duì)獨(dú)立，沒有出現(xiàn)圖2中的各電容器混充的局面，具有很好的電壓均衡性，對(duì)于工程實(shí)際應(yīng)用具有較高的可行性。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于普通的穩(wěn)壓管電壓均衡法、開關(guān)電阻均衡法和直流-直流變換器法對(duì)超級(jí)電容系統(tǒng)來(lái)說(shuō)各有不同的特點(diǎn)，可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合和需求選擇不同的方式。雖然簡(jiǎn)化的直流-直流變換器法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，但在充電過(guò)程中避免了各電容器混充的局面，具有很好的電壓均衡性，對(duì)于工程實(shí)際應(yīng)用具有較高的可行性。

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