新型超級電容組能量管理系統(tǒng)

（電子科技大學 微電子與固體電子學院，四川 成都 610054）

超級電容器是一種介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間的新型儲能器件，具有功率密度高、充放電速度快、使用壽命長、工作溫度范圍寬、低溫性能好等優(yōu)點，被廣泛應用于電動汽車[1]、機車啟動及制動能量回收系統(tǒng)[2]、電力電網(wǎng)[3]及可再生能源系統(tǒng)[4]等領域。

由于超級電容器單體工作電壓普遍較低(一般為 1～3 V[5])。因此在實際應用中需要將多個單體串聯(lián)使用，以滿足不同的電壓需求。但因制造工藝的差別，單個超級電容內部參數(shù)往往存在差異性，即使在多個單體電容串聯(lián)前進行過參數(shù)的一致性篩選，其偏差也很難消除。在充放電過程中，直接進行串聯(lián)使用，容易發(fā)生個別單體過充或過放的情況，使能量不能充分利用且損害超級電容器的使用壽命。電壓均衡系統(tǒng)能有效防止因單體參數(shù)的離散性而導致的單體電壓不一致的情況，最大限度地保證串聯(lián)電容組的能量利用率和使用壽命，是串聯(lián)超級電容組在實際應用中必不可少的模塊。

現(xiàn)有的超級電容組均衡電路主要有兩類：一類是能量消耗型，常見的是穩(wěn)壓管型和開關電阻型，這兩種電路結構簡單、成本低，但卻存在能量浪費、效率低的缺點[6-8]；另一類是能量轉移型，主要包括開關電容法[9]、Buck/Boost變換器法[10-11]、帶隔離變壓器的 DC-DC變換器[12]和單飛渡電容法[13]等。其中，開關電容的均衡速度取決于所有串聯(lián)超級電容的均衡速度。故當相鄰電容壓差很小時，會導致整個電容組均衡速度下降[14]；Buck/Boost變換器中開關管和電感較多，當串聯(lián)單體較多時，由于能量的逐級流動，會導致均衡速度下降，并增加能量損耗[15]；帶隔離變壓器的DC-DC變換存在磁路復雜、體積較大的問題[16]；單飛渡電容法可以直接將能量從最高單體轉移到最低單體，均衡速度只取決于超級電容組中最大壓差，但中間飛渡電容與儲能單體相比容量有限，導致均衡時間較長，且能量經(jīng)過中間飛渡電容也會有一定的損耗[17]。

本文提出了一種串聯(lián)超級電容組電壓均衡方法。電壓采集模塊實時監(jiān)測各單體超容的電壓并將采集的電壓數(shù)據(jù)傳輸給主控制器 FPGA；經(jīng)主控器分析處理后，選出某一時刻電壓最大和最小的超級電容單體，并控制開關網(wǎng)絡做出相應的關斷或導通，使電壓最大和最小的電容單體直接相連，能量直接從高電壓單體流向低電壓單體。均衡過程不需要其他中間暫存器件，有效減少了器件數(shù)量和能量損失，結構更簡單，易于實現(xiàn)模塊化。仿真和實際測試效果良好，進一步驗證了該方案的可行性。

1 均衡電路的開關網(wǎng)絡和均衡策略

1.1 開關網(wǎng)絡

開關網(wǎng)絡是均衡電路進行能量轉移的核心單元，其原理圖如圖1所示。開關網(wǎng)絡由超級電容單體(SC1，SC2，…SCn-1，SCn)，正/負極開關(第一正極開關 S11，第一負極開關 S12，第二正極開關S21，第二負極開關S22，第(n-1)正極開關S(n-1)1，第(n-1)負極開關S(n-1)2，第n正極開關Sn1，第n負極開關Sn2)和串聯(lián)開關(第一串聯(lián)開關S1，第二串聯(lián)開關S2，…第(n-1)串聯(lián)開關S(n-1))組成。其中正/負極開關和串聯(lián)開關都為雙向開關，即由一對帶續(xù)流二極管的n-MOSFET反向串聯(lián)(第一個n-MOSFE開關的源極與第二個n-MOSFET開關的源極相連，且兩者柵極接在一起)構成的開關，目的是防止n-MOSFET通過續(xù)流二極管導通。超級電容單體SC1對應的正/負極開關分別為第一正極開關S11和第一負極開關S12，超級電容SC2所對應的正/負極開關分別為第二正極開關 S21和第二負極開關 S22，超級電容SCn對應的正/負極開關分別為第n正極開關Sn1和第n負極開關Sn2。同一超級電容對應的正/負極開關有相同的控制時序，即它們同時開通或關斷。均衡開始前，所有正/負極開關都處于關斷狀態(tài)，所有串聯(lián)開關都處于開通狀態(tài)，以保證超級電容組能正常地充放電。

圖1 開關網(wǎng)絡原理圖Fig.1 Schematic of switch network

1.2 均衡策略分析

電壓均衡電路如圖2所示，均衡電路包括超級電容組模塊、電壓采集模塊、主控制器FPGA模塊和開關網(wǎng)絡模塊。均衡過程分為兩個階段：1)檢測階段。電壓采集模塊將檢測到的超級電容組中各單體電壓數(shù)據(jù)送入主控制器模塊。主控制器對送入的電壓數(shù)據(jù)進行處理比較并按大小排序，找出其中電壓最大和最小的超級電容，2)均衡階段。主控器向開關網(wǎng)絡發(fā)送均衡控制信號，斷開原本處于電壓最大單體和電壓最小單體之間的任意一個串聯(lián)開關，閉合電壓最大單體和電壓最小單體對應的正/負極開關。此時電壓最大和電壓最小的超級電容被連接起來，能量從高電壓單體向低電壓單體轉移，經(jīng)過一段時間后(0.5 ms)又閉合之前斷開的串聯(lián)開關，斷開之前閉合的正/負極開關。經(jīng)過多次開通與關斷，最終使兩者電壓趨于一致。重復上述兩個階段，最終實現(xiàn)各個單體電壓的均衡。在上述均衡過程中，主控制器發(fā)送給開關模塊的均衡控制信號是占空比為0.5，工作頻率為1 kHz的方波。

圖2 電壓均衡電路Fig.2 Voltage balancing circuit

均衡時能量轉移過程如圖3所示，假設超級電容單體SC1電壓最大，超級電容單體SC3電壓最小，則主控器會發(fā)出控制信號到開關網(wǎng)絡，使開關S11，S12，S31，S32導通，S21，S22保持關斷，同時斷開第一串聯(lián)開關S1或第二串聯(lián)開關S2；此時SC1和SC3相連，電壓高的SC1相當于電源給SC3充電，電流從SC1流到SC3，兩者之間的壓差逐漸減小。重復開關動作，最終實現(xiàn)電壓的均衡。能量轉移的等效圖如圖4所示。

圖3 能量轉移過程Fig.3 The energy transfer process

圖4 能量轉移等效圖Fig.4 Equivalent circuit of energy transfer

2 仿真驗證

利用PSIM軟件對3個串聯(lián)的超級電容進行仿真驗證。表1給出了3個超級電容單體的初始電壓和電容值，可以看到開始時超級電容組最大壓差達到0.8 V。

表1 超級電容初始電壓和電容值參Tab.1 Initial voltage and capacitance

開關網(wǎng)絡中的各串聯(lián)開關、正極開關、負極開關的導通電阻設置為13 mΩ，主控器發(fā)出的控制信號是占空比為0.5，頻率為1 kHz的方波。均衡開始前所有正極開關、負極開關都處于關斷狀態(tài)，所有串聯(lián)開關都處于開通狀態(tài)。充電電流大小設為20 A，額定電壓為3 V。圖5給出了按照上述參數(shù)設置進行仿真的結果。可以看到，SC1電壓上升慢于 SC3，因為均衡開始時，SC1的能量會向SC3轉移，大約在第35 s時，SC1和SC3同時達到額定電壓限，充電停止。此時SC2電壓約為2.86 V。在停止充電后，均衡一直進行著，最終三者的電壓會逐漸趨于一致。

圖5 仿真結果Fig.5 The simulation result

3 實驗測試

對提出的超級電容電壓均衡電路刻板、焊接、調試并進行實際測試。調試好的系統(tǒng)如圖6所示。表2給出了開關網(wǎng)絡模塊的元器件參數(shù)。實際測試中使用5個（400 F/2.7 V）超級電容單體串聯(lián)來進行均衡驗證。充電電流為2 A的恒流源，限壓2.7 V。超級電容SC1，SC2，SC3，SC4，SC5的初始電壓分別為0.4，0.7，0.65，0.81，0.42 V，最大電壓差為0.41 V。實驗測試時間都為10 min，測試中每隔30 s對各單體電壓采樣一次。

圖6 超級電容均衡系統(tǒng)Fig.6 Photo of the super-capacitor voltage equalization system

表2 元器件參數(shù)Tab.2 Component parameter

圖7顯示了充電均衡的實際測試結果，其中圖7(a)表示未啟動均衡系統(tǒng)的結果。該情況下，超級電容組的最大電壓差從最開始的0.41 V逐漸增大到最后的0.55 V。這在實際使用中很容易導致超級電容出現(xiàn)過充或者過放的情況。圖7(b)表示啟動均衡系統(tǒng)后的結果，在啟動均衡系統(tǒng)后超級電容組的最大電壓差逐漸降低，從最初的0.41 V變?yōu)樽詈蟮?.2 V，且任意兩個單體間的壓差都趨于減小的狀態(tài)。超級電容組各單體電壓的一致性有比較顯著的改善。

4 結論

圖7 五個超容串聯(lián)的測試結果Fig.7 Test results of five supercapacitors in series

本文針對串聯(lián)超級電容組存在電壓分配不均，容易出現(xiàn)過充、過放的情況提出了一種新的電壓均衡方法。該方法特點在于均衡時能量轉移不需要通過中間暫存器件，而是直接從電壓最高單體流向電壓最低單體。通過主控器FPGA接收并處理各單體電容電壓信號，控制開關網(wǎng)絡做出相應動作，使電壓最高和最低單體直接相連，能量從電壓高的單體流向電壓低的單體，最終實現(xiàn)模塊電壓均衡。分析了該方法的均衡原理，通過軟件仿真和實際測試的結果進一步證明所提出均衡方法的可行性。實驗結果表明：該均衡系統(tǒng)均衡速度較快，結構簡單，易于模塊化，展現(xiàn)出較高的應用價值。雖然該系統(tǒng)在超級電容浮置及充電狀態(tài)都有較好均衡效果，但不適用于放電過程，該缺點還有待進一步改進。

參考文獻：

[1]ZHU C B, LU R G, TIAN L K, et al. The development of an electric bus with super-capacitors as unique energy storage [C]//2006 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference. NY, USA: IEEE, 2006: 1-5.

[2]李薦, 鐘暉, 鐘海云, 等. 超級電容器應用設計 [J]. 電源技術, 2004, 28(6): 388-391.

[3]張國駒, 唐西勝, 齊智平. 超級電容器與蓄電池混合儲能系統(tǒng)在微網(wǎng)中的應用 [J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2010,34(12): 85-89.

[4]新山信一浪, 中村宏一. 采用新型電力儲能裝置ECS的PV-ECS系統(tǒng)的開發(fā) [J]. 日本電器學會論文志B, 1997,120(2): 264-270.

[5]WEI T Z, JIA D Q. Characteristics and design method of supercapacitor modules with voltage equalization circuit[C]//2014 9th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications. NY, USA: IEEE, 2014: 6-11.

[6]H?RRI V V, EGGER E. All-purpose circuitry concept SAM applications and networking for supercapacitors[C]//2nd Boostcap Meeting. Fribourg, Switzerland: The Conference Organizer, 2001.

[7]MINEMURA A, YASHIRO M, KANEKO Y, et al.Equalization of the voltages using passive resistors for electric double layer capacitors [C]//The 2007 National Convention Record of IEEE. NY, USA: IEEE, 2007.

[8]胡婧嫻, 林仕立, 宋文吉, 等. 城市軌道交通儲能系統(tǒng)及其應用發(fā)展 [J]. 儲能科學與技術, 2014, 3(2): 106-116.

[9]PASCUAL C, KREIN P T. Switched capacitor system for automatic series battery equalization [C]//Proceedings of APEC97-Applied Power Electronics Conference and Exposition. NY, USA: IEEE, 1997, 2: 848-854.

[10]逯仁貴, 朱春波, 孔治國, 等. 基于buck-boost變換器的超級電容組的均衡管理系統(tǒng) [J]. 高技術通訊, 2007,17(9): 948-951.

[11]KARANGIA R, JADEJA M, UPADHYAY C, et al.Battery-supercapacitor hybrid energy storage system used in Electric Vehicle [C]//2013 International Conference on Energy Efficient Technologies for Sustainability. NY, USA:IEEE, 2013: 688-691.

[12]王旭生. 超級電容器儲能系統(tǒng)電壓均衡技術研究 [D].遼寧: 遼寧工程技術大學, 2013.

[13]KAWASHIMA S. Cell balancing adjusting circuit,abnormal cell voltage detecting circuit, method of adjusting cell balance, and method of detecting abnormal cell voltage:US6459236B2 [P]. 2002-10-01.

[14]JAVIER G L, ENRIQUE R C, ISABEL M M, et al. Battery equalization active methods [J]. J Power Sources, 2014,246: 934-949.

[15]王東. 超級電容器儲能系統(tǒng)電壓均衡的研究 [D]. 大連:大連理工大學, 2008.

[16]劉雪冰, 程明. 超級電容器均壓技術綜述 [J]. 電力系統(tǒng),2012, 31(5): 26-41.

[17]李海東. 超級電容器模塊化技術的研究 [D]. 北京: 中國科學院電工研究所, 2006.