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    一種基于重構(gòu)電路的超級(jí)電容快速電壓均衡器

    2021-02-04 01:07:12劉晨煬陳思哲范元亮常樂(lè)
    廣東電力 2021年1期

    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。

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