一種基于重構(gòu)電路的超級(jí)電容快速電壓均衡器

劉晨煬，陳思哲，范元亮，常樂(lè)

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福建 福州 350007；

3.福建省高供電可靠性配電技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350007)

超級(jí)電容是一種功率密度高且循環(huán)壽命長(zhǎng)的儲(chǔ)能元件，它既有蓄電池的儲(chǔ)能特性又有常規(guī)電容器的充放電特性，在新能源汽車和電網(wǎng)儲(chǔ)能等領(lǐng)域中具有較大的應(yīng)用前景[1-6]。由于單個(gè)超級(jí)電容的電壓比較低，使用時(shí)一般將多個(gè)單元串聯(lián)使用，但是這種固定的連接方式無(wú)法根據(jù)負(fù)載需求來(lái)改變輸出的電壓，靈活性差。結(jié)合重構(gòu)電路可以大大改善整個(gè)超級(jí)電容組的靈活性，滿足負(fù)載動(dòng)態(tài)的需求，同時(shí)可以將運(yùn)行中性能差的單元退出，保證整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行[9]。另外，超級(jí)電容單體之間特性的不一致，會(huì)導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用中單體之間往往存在電壓差異，從而使得部分單體出現(xiàn)過(guò)充或過(guò)放的情況，這將影響超級(jí)電容組容量的最大化利用。為了充分利用每個(gè)儲(chǔ)能單元內(nèi)的能量，可以通過(guò)電壓均衡技術(shù)消除單元之間的電壓差異，該方法通過(guò)電力電子功率變換器來(lái)進(jìn)行能量傳輸。雖然重構(gòu)電路也可以通過(guò)將儲(chǔ)能單元并聯(lián)來(lái)達(dá)到電壓均衡的目的，但這種方法會(huì)產(chǎn)生較大損耗而且可靠性低，所以在解決電壓一致的問(wèn)題上，均衡技術(shù)憑借效率高、損耗低的優(yōu)勢(shì)獲得大多數(shù)認(rèn)可。電壓均衡技術(shù)按能量的耗散方式分為能耗型和非能耗型[10-11]。能耗型均衡是通過(guò)耗能元件將能量高的儲(chǔ)能單元中的能量以熱能形式耗散，從而達(dá)到所有單元的能量一致，這種方法不僅效率低而且安全性差[11]。非能耗型均衡是采用一些電力電子器件作為載體，通過(guò)儲(chǔ)能載體在儲(chǔ)能單元之間傳輸能量。非能耗型均衡中使用的電力電子變換器主要包括開(kāi)關(guān)電容變換器[12-20]、DC/DC變換器[21-26]和倍壓均衡器[27-32]等。DC/DC變換器需要復(fù)雜的控制策略，倍壓均衡器需要較多的二極管(這將導(dǎo)致較大的正向?qū)▔航导皳p耗)，與兩者相比，開(kāi)關(guān)電容變換器只需要1對(duì)簡(jiǎn)單的互補(bǔ)信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)電壓均衡，加上其效率高以及體積小的特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中有較大優(yōu)勢(shì)。

圖1是一種重構(gòu)電路[33]，該電路一方面無(wú)法實(shí)現(xiàn)串聯(lián)儲(chǔ)能單元之間的能量傳遞，另一方面當(dāng)某個(gè)單元性能較低時(shí)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)超級(jí)電容組輸出的電壓不足。為了將整個(gè)超級(jí)電容組的能量最大化利用，需要結(jié)合電壓均衡技術(shù)消除各個(gè)儲(chǔ)能單元之間的電壓差異。

圖1 重構(gòu)電路結(jié)構(gòu)Fig.1 The reconfigurable circuit topology

圖2(a)是一種經(jīng)典的開(kāi)關(guān)電容均衡器[13]，如圖2(b)所示其充放電能量(E1、E2、E3……)只能在相鄰儲(chǔ)能單元(C11、C12、C13……)之間傳遞，使得均衡速度慢。而且均衡速度受電壓最高、最低2個(gè)單元相隔距離的影響，兩者相隔越遠(yuǎn)則需要的能量傳遞周期就越多，導(dǎo)致均衡速度慢以及均衡效率低。文獻(xiàn)[14]提出的電路雖然可以實(shí)現(xiàn)不相鄰單元之間的能量傳輸，但是所用電容數(shù)量較多。文獻(xiàn)[15]實(shí)現(xiàn)均衡速度與儲(chǔ)能單元的數(shù)量無(wú)關(guān)，但是電路中電容數(shù)量仍然較多。

圖2 一種經(jīng)典開(kāi)關(guān)電容均衡器及均衡通路Fig.2 A classical switch-capacitor equalizer and equalization paths

針對(duì)圖1所示的重構(gòu)電路無(wú)法實(shí)現(xiàn)串聯(lián)儲(chǔ)能單元之間能量傳遞的局限性，以及圖2所示的開(kāi)關(guān)電容均衡器均衡速度慢等問(wèn)題，本文提出一種基于重構(gòu)電路的超級(jí)電容快速電壓均衡器，一方面增加儲(chǔ)能單元之間的直接均衡通路﹝如圖3(a)﹞，另一方面實(shí)現(xiàn)多對(duì)多均衡﹝如圖3(b)所示﹞。該均衡器可避免多余的充放電過(guò)程，提高均衡速度以及均衡效率。

圖3 所提出均衡器的均衡通路Fig.3 The equalization paths of proposed equalizer

本文首先介紹均衡器的電路組成、工作原理和控制方法，然后分析點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、多對(duì)多2種均衡方法的電路模態(tài)，接著通過(guò)建立電路等效模型對(duì)均衡速度進(jìn)行理論推導(dǎo)，最后設(shè)計(jì)仿真和實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證均衡器的可行性。

1 基于重構(gòu)電路的快速電壓均衡器

1.1 電路結(jié)構(gòu)

本文提出的電路拓?fù)淙鐖D4所示。該電路包括n個(gè)超級(jí)電容儲(chǔ)能單元C1x(x=1,2,…,n)、n個(gè)串聯(lián)開(kāi)關(guān)S1x、4n個(gè)均衡開(kāi)關(guān)Sbxk(x=1,2,…,n,k=1,2,3,4)、n個(gè)旁路開(kāi)關(guān)Spx和1個(gè)LC諧振電路(電感L和電容C)。串聯(lián)開(kāi)關(guān)(如S11)決定與之串聯(lián)的儲(chǔ)能單元(如C11)是否投入運(yùn)行。均衡開(kāi)關(guān)(如Sb11、Sb12、Sb13、Sb14)為儲(chǔ)能單元之間提供均衡通路。旁路開(kāi)關(guān)(如Sp1)可用于重構(gòu)控制和均衡控制：在重構(gòu)控制時(shí)，該開(kāi)關(guān)導(dǎo)通以提供旁路通路；在均衡控制時(shí)，該開(kāi)關(guān)為任意儲(chǔ)能單元之間的均衡提供所需通路。

圖4 基于重構(gòu)電路的超級(jí)電容快速電壓均衡器Fig.4 A super-capacitor fast voltage equalizer based on reconfigurable circuit

1.2 工作原理及控制方法

充電階段和放電階段用1對(duì)互補(bǔ)的脈沖信號(hào)來(lái)控制每個(gè)階段的均衡開(kāi)關(guān)，驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)如圖5所示，圖中t為時(shí)間，T為開(kāi)關(guān)完成1次導(dǎo)通1次關(guān)斷的周期(開(kāi)關(guān)頻率30 kHz)，信號(hào)曲線上升沿為高電平表示開(kāi)關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)。

圖5 控制信號(hào)Fig.5 Control signals

充電階段電壓高的儲(chǔ)能單元給開(kāi)關(guān)電容(即電容C)充電，放電階段電容C給電壓低的儲(chǔ)能單元放電，在30 kHz高頻開(kāi)關(guān)下，2個(gè)狀態(tài)進(jìn)行切換實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。接下來(lái)對(duì)均衡過(guò)程進(jìn)行分析。

1.2.1 任意點(diǎn)對(duì)點(diǎn)均衡

提出的均衡器可以實(shí)現(xiàn)任意2個(gè)儲(chǔ)能單元之間的直接能量傳輸。可采用如下開(kāi)關(guān)控制方案(假設(shè)第x個(gè)儲(chǔ)能單元與第y個(gè)儲(chǔ)能單元進(jìn)行均衡)：

a)均衡開(kāi)關(guān)：Sbx1、Sbx2、Sbx3和Sbx4采用同一組觸發(fā)脈沖，Sby1、Sby2、Sby3和Sby4采用同一組觸發(fā)脈沖，且令2組觸發(fā)脈沖相反，從而實(shí)現(xiàn)上述2組均衡開(kāi)關(guān)之間的交替導(dǎo)通。

b)串聯(lián)開(kāi)關(guān)：第x個(gè)、第y個(gè)串聯(lián)開(kāi)關(guān)(S1x、S1y)交替導(dǎo)通，其余串聯(lián)開(kāi)關(guān)持續(xù)關(guān)斷，不參與均衡。

c)旁路開(kāi)關(guān)：所有旁路開(kāi)關(guān)保持關(guān)斷狀態(tài)。

以4個(gè)儲(chǔ)能單元串聯(lián)而成的超級(jí)電容組為例，進(jìn)行電路通路分析，圖6給出了C11與C14之間的均衡通路分析。

假設(shè)C11的電壓高于C14電壓，均衡過(guò)程如下：

圖6 C11與C14均衡過(guò)程通路分析Fig.6 C11 and C14 balancing process path analysis

a)電容充電階段(過(guò)程1)——儲(chǔ)能單元C11向電容C充電，直至兩者電壓相等，充電結(jié)束。其間開(kāi)關(guān)狀態(tài)和電流通路如圖6(a)所示：旁路開(kāi)關(guān)Sp1、Sp2、Sp3和Sp4全部關(guān)斷；串聯(lián)開(kāi)關(guān)S11導(dǎo)通，其余均關(guān)斷；均衡開(kāi)關(guān)Sb11、Sb12、Sb13和Sb14導(dǎo)通，其余均關(guān)斷。

b)電容放電階段(過(guò)程2)——電容C向C14放電，直至兩者電壓相等，放電結(jié)束。其間開(kāi)關(guān)狀態(tài)和電流通路如圖6(b)所示：旁路開(kāi)關(guān)Sp1、Sp2、Sp3和Sp4全部關(guān)斷；串聯(lián)開(kāi)關(guān)S12導(dǎo)通，其余均關(guān)斷；均衡開(kāi)關(guān)Sb11、Sb12、Sb13和Sb14導(dǎo)通，其余均關(guān)斷。

過(guò)程1和過(guò)程2為C11與C14之間的1個(gè)均衡周期。通過(guò)高頻開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)2個(gè)階段的循環(huán)切換，直至C11與C14的電壓相等，均衡結(jié)束。以此類推，可以得出任意2個(gè)儲(chǔ)能單元均衡的通路，圖3(a)給出了4個(gè)超級(jí)電容之間的所有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)均衡通路。能量在2個(gè)儲(chǔ)能單元之間直接傳遞，這在一定程度上減少了均衡時(shí)間。

1.2.2 任意多對(duì)多均衡

提出的均衡器同樣還可以實(shí)現(xiàn)任意多個(gè)對(duì)多個(gè)儲(chǔ)能單元之間的均衡?？刹捎萌缦麻_(kāi)關(guān)控制方案(以2對(duì)2均衡為例，假設(shè)第x、y個(gè)單元與第i、j個(gè)單元進(jìn)行均衡，x

a)均衡開(kāi)關(guān)：Sbx1、Sbx2、Sby3和Sby4采用同一組觸發(fā)脈沖，Sbi1、Sbi2、Sbj3和Sbj4采用同一組觸發(fā)脈沖，且令2組觸發(fā)脈沖互補(bǔ)，從而實(shí)現(xiàn)上述2組均衡開(kāi)關(guān)之間的交替導(dǎo)通。

b)串聯(lián)開(kāi)關(guān)：第x個(gè)、第y個(gè)、第i個(gè)和第j個(gè)串聯(lián)開(kāi)關(guān)(S1x、S1y、S1i、S1j)交替導(dǎo)通，其余串聯(lián)開(kāi)關(guān)持續(xù)關(guān)斷，不參與均衡。

c)旁路開(kāi)關(guān)：如果x+1=y，i+1=j，所有旁路開(kāi)關(guān)保持關(guān)斷狀態(tài)；如果4個(gè)儲(chǔ)能單元均不相鄰(如x+1

以4個(gè)儲(chǔ)能單元串聯(lián)而成的超級(jí)電容組為例，進(jìn)行電路通路分析，圖7給出了C11、C14與C12、C13之間的均衡通路分析。

假設(shè)C11、C14的總電壓高于C12、C13的總電壓，均衡過(guò)程如下：

a)電容充電階段(過(guò)程1)——C11、C14串聯(lián)向電容C充電，直至兩者電壓相等，充電結(jié)束。其間開(kāi)關(guān)狀態(tài)和電流通路如圖7(a)所示：旁路開(kāi)關(guān)Sp2、Sp3導(dǎo)通，其余均關(guān)斷；串聯(lián)開(kāi)關(guān)S11和S14導(dǎo)通，其余均關(guān)斷；均衡開(kāi)關(guān)Sb11、Sb12、Sb43和Sb44導(dǎo)通，其余均關(guān)斷。

b)電容放電階段(過(guò)程2)——電容C向C12和C13放電，直至兩者電壓相等，放電結(jié)束。其間開(kāi)關(guān)狀態(tài)和電流通路如圖7(b)所示：旁路開(kāi)關(guān)Sp1、Sp2、Sp3和Sp4全部關(guān)斷；串聯(lián)開(kāi)關(guān)S12和S13導(dǎo)通，其余均關(guān)斷；均衡開(kāi)關(guān)Sb21、Sb22、Sb33和Sb34導(dǎo)通，其余均關(guān)斷。

圖7 C11、C14與C12、C13均衡過(guò)程通路分析Fig.7 C11,C14 and C12,C13 balancing process path analysis

過(guò)程1和過(guò)程2為C11、C14與C12、C13之間的1個(gè)均衡周期。通過(guò)高頻開(kāi)關(guān)在2個(gè)狀態(tài)下來(lái)回切換，完成均衡。同理可得出其他2對(duì)2均衡的通路，圖3(b)給出了4個(gè)超級(jí)電容之間的所有多對(duì)多均衡通路。在n個(gè)超級(jí)電容組中最多可以實(shí)現(xiàn)0.5n個(gè)儲(chǔ)能單元對(duì)0.5n個(gè)儲(chǔ)能單元之間的均衡。在任意儲(chǔ)能單元之間能量直接傳輸?shù)幕A(chǔ)上，這種方法又通過(guò)擴(kuò)大均衡的電壓差來(lái)加快均衡速度。

1.3 電路數(shù)學(xué)建模

為了方便分析均衡過(guò)程，假設(shè)所有開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻的阻值相同。圖8給出了2種均衡模式下的等效模型，RSC為整個(gè)均衡回路的等效電阻。圖8(a)1對(duì)1均衡模式中：C1y放電電流為IC1y；C1x充電電流為IC1x。圖8(b)多對(duì)多均衡模式中：將C12、C13組合成1個(gè)整體C2，其放電電流為IC2；將C11、C14組合成1個(gè)整體C1，其充電電流為IC1。

圖8 等效模型Fig.8 Eqnivalent model

先進(jìn)行1對(duì)1均衡模式的數(shù)學(xué)建模。

a)電容充電過(guò)程——假設(shè)C1x的初始電壓比C1y的初始電壓高，C1x先給電容C充電。此時(shí)電容C的電壓UC和電流IC的變化為：

(1)

(2)

式(1)—(2)中：UC,1為電容C在充電階段的初始電壓；UC1x,s為C1x的初始電壓；C為電容C的量值；R=RON+RLC，RLC為開(kāi)關(guān)電容和諧振電感的寄生電阻，RON為導(dǎo)通電阻。

b)電容放電過(guò)程——由于電容C的電壓比C1y的電壓高，電容C將給C1y放電。在放電過(guò)程UC和IC的變化為：

(3)

(4)

式(3)—(4)中UC,2、UC1y,s分別為C、C1y在放電階段的初始電壓。

整個(gè)均衡過(guò)程的電流可以從等效模型中得出，即

(5)

(6)

式(5)—(6)中：UC1x(t)、UC1y(t)分別為C1x、C1y的電壓；RSC為RSC的量值；fs、fr分別為開(kāi)關(guān)頻率、諧振頻率；L為電感L的量值；U為C1x、C1y的電壓差。

假設(shè)每個(gè)超級(jí)電容的容量為CB，Uav為參與均衡的2個(gè)儲(chǔ)能單元的平均電壓，則均衡過(guò)程中C1x的電壓可以描述為

(7)

當(dāng)均衡過(guò)程結(jié)束時(shí)，C1x的終止電壓UC1x,o會(huì)接近Uav，從式(7)可以得出1對(duì)1模式的均衡時(shí)間

(8)

同理可得出圖8(b)中2對(duì)2模式的均衡時(shí)間

(9)

式中：UC12,s、UC12,o分別為均衡過(guò)程中C12的初始、終止電壓；UC13,s、UC13,o分別為均衡過(guò)程中C13的初始、終止電壓。

從式(5)可知均衡電流與電壓差成正比，將多個(gè)儲(chǔ)能單元串聯(lián)起來(lái)進(jìn)行均衡的多對(duì)多均衡增加了電壓差，從而加大了均衡電流；從式(8)和式(9)中可以得出，均衡時(shí)間與儲(chǔ)能單元相隔距離無(wú)關(guān)。

2 仿真驗(yàn)證

在Simulink中搭建由4個(gè)超級(jí)電容組成的仿真模型，將本文提出的均衡器與經(jīng)典的開(kāi)關(guān)電容均衡器從均衡時(shí)間的角度進(jìn)行比較。仿真中超級(jí)電容的容量為0.3 F，2個(gè)電路中開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻均設(shè)置為6 mΩ，采用圖5所示的驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制開(kāi)關(guān)。根據(jù)文獻(xiàn)[15]可知要實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，應(yīng)使開(kāi)關(guān)頻率接近于諧振頻率，以及滿足因數(shù)Q大于0.5，即

(10)

計(jì)算后設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率為30 kHz，諧振頻率為34 kHz，開(kāi)關(guān)電容為22 μF，諧振電感為1 μH，串聯(lián)等效電阻為40 mΩ，均衡回路的RSC為382.2 mΩ。

圖9給出了2個(gè)均衡器(各案例結(jié)果曲線中左側(cè)所示的是經(jīng)典的開(kāi)關(guān)電容均衡器，右側(cè)所示的是本文提出的均衡器)在5個(gè)案例下的對(duì)比，案例1、2、3是任意點(diǎn)對(duì)點(diǎn)均衡(C11分別與C12、C13、C14進(jìn)行電壓均衡)，案例4、5是任意多對(duì)多均衡(C11、C12與C13、C14進(jìn)行電壓均衡，C11、C13與C12、C14進(jìn)行電壓均衡)。

從仿真結(jié)果可以看出，與經(jīng)典的開(kāi)關(guān)電容均衡器的均衡時(shí)間(1.0 s左右)相比，5個(gè)案例中所提均衡器的均衡時(shí)間(0.3 s左右)都不同程度地減少。而且對(duì)所提均衡器進(jìn)行自身對(duì)比來(lái)看，通過(guò)適當(dāng)加大均衡的電壓差可以提升均衡速度。綜上所述，提出的均衡器具有速度快的特性，并且均衡時(shí)間與電壓最高、最低2個(gè)單元的相隔距離無(wú)關(guān)，這是因?yàn)樵撾娐穼?shí)現(xiàn)能量在均衡單元之間的直接傳遞。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

構(gòu)建由4個(gè)超級(jí)電容組成的樣機(jī)，對(duì)本文提出的均衡器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖10是實(shí)驗(yàn)室搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用數(shù)據(jù)記錄儀記錄每個(gè)超級(jí)電容的單體電壓，采樣時(shí)間為20 ms，當(dāng)4個(gè)儲(chǔ)能單元之間的最大壓差小于20 mV時(shí)判定為均衡過(guò)程結(jié)束。實(shí)驗(yàn)中使用的開(kāi)關(guān)為MOSFET IRFB7430PBF，導(dǎo)通電阻為1 mΩ；超級(jí)電容的額定電壓為2.5 V，容量為100 F；開(kāi)關(guān)電容選擇22 μF貼片型陶瓷電容，其串聯(lián)等效電阻為45 mΩ；諧振電感選擇1 μH貼片型功率電感，其串聯(lián)等效電阻為3.1 mΩ?？刂菩盘?hào)是1對(duì)占空比為49%、開(kāi)關(guān)頻率為30 kHz的方波信號(hào)。

圖9 5個(gè)案例均衡過(guò)程的仿真結(jié)果對(duì)比Fig.9 Simulation result comparisons of equalization processes in 5 cases

圖10 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.10 Experiment platform

與仿真驗(yàn)證案例一一對(duì)應(yīng)的5個(gè)案例均衡過(guò)程的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖11所示(左側(cè)所示的是經(jīng)典的開(kāi)關(guān)電容均衡器，右側(cè)所示的是本文提出的均衡器，Umax為最大電壓差)。

圖11 5個(gè)案例均衡過(guò)程的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.11 Experimental result comparisons of equalization processes in 5 cases

如圖11(a)所示，案例1工況下C11與C12進(jìn)行電壓均衡，4個(gè)儲(chǔ)能單元初始電壓分別為2.0 V、1.6 V、1.8 V、1.8 V。對(duì)于經(jīng)典的開(kāi)關(guān)電容均衡器，由于能量只能在相鄰儲(chǔ)能單元之間傳遞，均衡過(guò)程開(kāi)始后C11和C13同時(shí)把能量傳遞給C12，所以C12的電壓增長(zhǎng)速度最快，而C11與C12的電壓差最大，故C11比C13電壓下降速度快。同時(shí)C13將能量傳遞給C12時(shí)使得本身的電壓比C14電壓低，所以C14會(huì)將能量傳遞至C13中，而由于C13與C12之間的電壓差較小，所以C13自身的電壓下降幅度較小使得C14傳遞給C13的能量也較少。隨著均衡過(guò)程的進(jìn)行，4個(gè)儲(chǔ)能單元之間的電壓差逐漸減少，當(dāng)它們之間的最大電壓差Umax小于20 mV時(shí)則均衡過(guò)程完成，總共用時(shí)413 s。本文提出的均衡器可實(shí)現(xiàn)能量在儲(chǔ)能單元之間的直接傳遞，所以C11直接將能量傳遞至C12，避免了多余的充放電過(guò)程，從而加快均衡速度，僅用時(shí)106 s即可完成均衡。

如圖11(b)、(c)所示，案例2與案例3均為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電壓均衡，與案例1的區(qū)別是參與均衡的2個(gè)儲(chǔ)能單元的相隔距離不一樣，案例2是C11與C13均衡，案例3是C11與C14均衡。在這2種工況下，經(jīng)典的開(kāi)關(guān)電容均衡器的均衡過(guò)程與案例1類似，都是能量在相鄰的單元之間傳輸，直至均衡結(jié)束，這2種工況下均衡時(shí)間分別為554 s和685 s。而提出的均衡器的均衡速度不受電壓最高、最低2個(gè)儲(chǔ)能單元的相隔距離的影響，所以在這2種工況下的均衡速度基本上保持一致，均衡時(shí)間分別為111 s和108 s，與案例1工況下的均衡時(shí)間基本一致。

如圖11(d)所示，案例4工況下C11、C12與C13、C14進(jìn)行電壓均衡，4個(gè)儲(chǔ)能單元的初始電壓分別為2.0 V、2.0 V、1.6 V、1.6 V。對(duì)于經(jīng)典的開(kāi)關(guān)電容均衡器，C12與C13因存在電壓差先進(jìn)行能量傳遞，C12電壓降低C13電壓升高，此時(shí)C11電壓比C12電壓高，兩者進(jìn)行能量傳遞。C13電壓比C14電壓高，C13把部分能量傳遞給C14，但C11、C12之間和C13、C14之間電壓差較小，所以C11的電壓下降速度和C14的電壓上升速度較慢。隨著均衡過(guò)程的進(jìn)行，它們之間電壓差逐漸降低，直至均衡過(guò)程結(jié)束，共耗時(shí)630 s。提出的均衡器是將C11、C12串聯(lián)成1個(gè)整體，C13、C14串聯(lián)成1個(gè)整體，一方面將能量?jī)烧咧g直接傳遞，省去了多余的充放電過(guò)程，另一方面通過(guò)擴(kuò)大電壓差加大均衡電流從而加快速度，僅耗時(shí)80 s即可完成電壓均衡。

與案例4不同，案例5是2個(gè)不相鄰的單體C11、C13與C12、C14進(jìn)行電壓均衡，如圖11(e)所示，4個(gè)儲(chǔ)能單元初始電壓分別為2.0 V、1.6 V、2.0 V、1.6 V。經(jīng)典的開(kāi)關(guān)電容均衡器的均衡過(guò)程與案例4類似，C12同時(shí)接收C11和C13的能量，C13同時(shí)給C12和C14放出能量，所以C12比C14電壓增長(zhǎng)速度快，C13比C11電壓下降速度快。隨著均衡過(guò)程的進(jìn)行，它們之間電壓差逐漸降低直至均衡過(guò)程結(jié)束，耗時(shí)557 s。提出的均衡器無(wú)論儲(chǔ)能單元是否相鄰都可以實(shí)現(xiàn)能量的直接傳遞，所以在此工況下的能量傳遞方向是將C11、C13中多的能量直接傳遞至C12、C14，耗時(shí)82 s，與案例4的時(shí)間基本保持一致。

綜上所述，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本文提出的均衡器不僅加快了均衡速度，而且速度不受電壓最高、最低2個(gè)單元相隔距離的影響。

為了觀察均衡過(guò)程中的電流電壓變化過(guò)程，以不相鄰的2個(gè)儲(chǔ)能單元進(jìn)行多對(duì)多均衡(案例5)為例，選取均衡開(kāi)始和均衡結(jié)束時(shí)的電流電壓波形圖進(jìn)行分析。圖12給出了均衡過(guò)程中第10 s和第50 s時(shí)開(kāi)關(guān)電容的電壓UC和電流IC，流過(guò)儲(chǔ)能單元C13、C14的電流IC13、IC14的實(shí)驗(yàn)波形圖：均衡過(guò)程開(kāi)始階段所有的電壓和電流震蕩幅度較大，隨著2個(gè)儲(chǔ)能單元的電壓差逐漸減少，震蕩幅度也在減小；均衡過(guò)程快結(jié)束時(shí)，所有的電流將接近于0，電容電壓UC將等于2個(gè)串聯(lián)儲(chǔ)能單元的電壓(UC11+UC13)。從電流IC13、IC14可清楚看出：在C13給電容充電階段，沒(méi)有電流流過(guò)C14；同樣在電容給C14放電階段，也沒(méi)有電流流過(guò)C13。

圖12 第5個(gè)案例均衡過(guò)程實(shí)驗(yàn)波形Fig.12 Experimental waveforms of equalization process in case 5

4 結(jié)束語(yǔ)

文中提出了一種基于重構(gòu)電路的快速電壓均衡器，在常規(guī)重構(gòu)電路的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加采用開(kāi)關(guān)電容的電壓均衡技術(shù)，彌補(bǔ)了重構(gòu)電路對(duì)串聯(lián)儲(chǔ)能單元之間能量傳遞的弱點(diǎn)。同時(shí)相比經(jīng)典的開(kāi)關(guān)電容均衡電路，可實(shí)現(xiàn)任意儲(chǔ)能單元之間的直接能量傳遞和加快均衡速度，且均衡速度與相關(guān)均衡單元相隔的距離無(wú)關(guān)。通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和仿真，在5種工況下對(duì)比2種均衡器，結(jié)果表明所提均衡器的均衡速度平均提升5倍，最快可提升7倍。對(duì)于整個(gè)超級(jí)電容器組的可靠性來(lái)說(shuō)，由于儲(chǔ)能單元之間使用重構(gòu)電路連接，整體的安全性和供電可靠性可以得到保證，在此基礎(chǔ)上增加若干開(kāi)關(guān)以及1個(gè)開(kāi)關(guān)電容之后，通過(guò)電壓均衡技術(shù)減小單體之間的電壓差異，從而提高整個(gè)超級(jí)電容器組的能量利用率和供電的可靠性；對(duì)于控制成本來(lái)說(shuō)，只增加了1對(duì)高頻互補(bǔ)脈沖信號(hào)；而對(duì)于整個(gè)超級(jí)電容器組最重要的安全性來(lái)說(shuō)，提高均衡性能后仍保證了整體的安全性，重構(gòu)電路依舊可以根據(jù)單個(gè)儲(chǔ)能單元的狀態(tài)決定是否投入運(yùn)行，防止某個(gè)單元發(fā)生短路、過(guò)放等危險(xiǎn)情況。