一种新型电压均衡方法在串联储能系统的应用

李洪珠，王旭生，陈淑涵，祁 鳞

(辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛125105)

一种新型电压均衡方法在串联储能系统的应用

李洪珠，王旭生，陈淑涵，祁 鳞

(辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛125105)

超级电容串联储能系统的单体电压不均衡会影响超级电容的使用寿命和能量利用率。现有DC-DC电压均衡方法中所采用的传统变换器拓扑结构复杂，电路中开关管、电感、变压器等元器件的数量较多。采用一种基于Boost拓扑结构的电压均衡充电系统，由于其单开关、单电感的Boost电路结构降低了电压均衡电路拓扑结构的复杂性，提高了系统可靠性。分析了电路的均衡过程，利用推导的等效电路分析了电压均衡原理，并给出了恒电流输入-恒压充电方法。通过对3个超级电容组成的串联系统进行试验，结果验证了充电系统具有均较高的效率。

超级电容;电压不均衡;均衡电路

1 引言

超级电容［1］又叫黄金电容、法拉电容，它是介于传统电容和电池之间的一种储能元件，因此它既有传统电容器大电流充放电特性也具有电池的储能特性。由于其储能的过程并不发生化学反应，其过程是可逆的，因此超级电容器可以反复充放电数十万次。

超级电容单体的额定电压很低，当其用作电源时要将多个超级电容单体串联在一起使用，来满足电压的需求。但超级电容的容量偏差、漏电流以及等效电阻对其影响很大，充电时容量小、漏电流小、等效电阻大的超级电容器都会出现过充电［2］，因此超级电容在串联应用中就必须考虑均压问题。

目前，超级电容的均压方法主要分为能耗型均压和回馈型均压。能耗型均压包括并联稳压二极管法和开关电阻法［3］，这种类型均压方法的优点是电路简单、成本低;缺点是二极管和电阻在充电过程中消耗能量，能量浪费严重。回馈型均压包括DC-DC变换器法和开关电容法［4］。该类型均压方法的优点是能量消耗低、能量转换速度快;缺点是由于加入的电子元器件，不仅会增加电路的复杂性，也会使系统在控制上产生一定难度。

本文采用一种应用于串联储能系统中的基于Boost拓扑结构的电压均衡充电系统，与传统的回馈型均衡系统相比，本充电系统的单开关、单电感结构能明显降低电路的复杂性。

2 Boost拓扑结构的均压原理分析

Boost拓扑结构的均压充电电路如图1所示。两个串联的二极管与每个超级电容单体并联，能量传递电容C1～C3连接在串联二极管连接处，电路的充电电流如图2所示。

在开关Q导通阶段，超级电容单体B1、B2通过图1中D1、D3、D5二级管放电。超级电容单体B1～B3的容量远大于电容C1、C3，因此在一个开关周期中B1～B3的电压VB1～VB3的变化足够小，可以忽略不计。电容C1～C3的电压VC1A～VC3A在开关Q关断前可以表示为

式中，VDi(i=1，2，3，4，5，6)为二极管上的管压降。

在开关Q关断阶段，电源对B1～B3进行充电。开关Q两端电压VQ可表示为

图1 应用在串联储能系统中均衡充电系统Fig．1 Application of equalization charger in energy storage system

图2 各阶段均衡充电系统的电流方向Fig．2 Current directions of equalization charger in each period

式中，d是开关占空比;电容C1～C3的电压VC1B～VC3B在开关Q导通前可以表示为

假设VDi=VD，由式(1)和式(3)得 C1～C3在一个开关周期内的电压变化量 ΔVC1～ΔVC3可表示为

超级电容传递的平均能量可表示为

则式(4)可表示为

式中，f是开关频率。

由于传递电容容量和开关频率的乘积Cif的倒数可表示为等效电阻Ri［5］，则式(6)可以表示为

式中，ICiRi为等效电阻Ri上的压降;2VD是串联二极管上的压降。根据欧姆定律，图1充电系统等效电路如图3所示。由等效电路图可见B1～B3通过两个二极管和一个等效电阻连接在直流电压源VQ上。当Bi上电压和等效电阻Ri为确定值时，流过Bi的充电电流相等。当Bi初始电压不同时，电压低的超级电容单体优先充电，充电结束后所有超级电容单体的电压大小均为VQ－2VD。

图3 均衡充电器的等效电路图Fig．3 Equivalent circuit of equalization charger

3 恒输入电流-恒压充电控制方法

恒流-恒压(CC-CV)是储能系统最常用的一种充电模式。对于图1充电系统，由式(7)可知当VDi相同时所有超级电容单体的电压理论上是相等的。因此在恒压充电时，只需对一个超级电容单体进行电压检测，而传统的变换器均压法需要三个这样的检测电路。另一方面，恒流充电时必须通过检测每个超级电容单体电流来控制充电电流。若本系统采用传统的恒流充电，则需要三个电流检测电路。本文提出了一种通过检测输入电流来代替检测超级电容单体电流的一种方法，本文称之为恒电流输入充电方法(CIC)，CIC通过控制输入电流，使图1充电系统工作在一个恒电流输入的充电模式。CIC充电工作在恒定的输入电压情况下，超级电容单体的电流便会维持在某个范围之内。这时CIC充电模式便可以等效为恒功率(CP)充电模式，因此本系统所需要的电流检测电路也就变成一个。

该系统的控制原理图如图4所示，超级电容单体电压Ut和输入电流it与给定的电压U*、电流i*比较后获得电压和电流偏差信号ΔU和Δi，二者通过功率控制环节获得控制信号，经驱动电路驱动开关管Q。在CIC充电时，充电开始时有相对较大的电流流过超级电容单体，输入电流的大小随着超级电容单体电压的上升而下降。

图4 系统控制原理图Fig．4 System control schematics

4 样机设计及实验结果

样机的输入电压Vin为1.5V，超级电容采用锦州凯美公司生产的HP-2R7-J307UY，单体容量为300F，额定电压为2.7V，电感值为22μH，电容值为22μF，二极管为肖特基二极管，MOSFET管选用HAT 2266H，开关控制器IC为LT C1624，样机系统开关频率为200kHz。

实验时，三个超级电容单体的初始电压分别为1.9V、2.1V和2.3V。图5给出了超级电容单体电流、电压和标准差的曲线图。

图5 初始电压不同的串联超级电容进行均衡充电的实验曲线图Fig．5 Experimental charge profiles of series connected SCs charged from initially voltage-imbalance condition

在每次充电开始时，电压最低的超级电容单体先开始充电。因此在实验最开始只有B1有电流流过，其他的超级电容单体没有电流流过。当VB1超过VB2时B2开始有电流流过，VB2开始上升，最后每个超级电容单体电压就会相同并且一起上升。

由于超级电容单体是在CIC模式充电，因此随着电压上升，电压的上升率随之下降，最后所有超级电容单体的电压为2.7V。在进行CIC模式充电时，刚开始所有超级电容单体电压的标准差在相等之前迅速下降。在超级电容单体的电压相等时，标准差曲线趋于稳定。当充电模式由CIC转为CV之后，所有的超级电容单体的电流开始变得微弱，标准差又明显下降。在实验最后标准差大约为5mV。

在CIC充电模式下获得图6所示的转换效率、输出电流随总输出电压变化的波形图。由于系统工作在CIC模式，所以输出电流随着总输出电压的上升而下降。转换效率随输出电流的上升而下降。由图6可以看出平均的转换效率大约为88%。

图6 均压后转换效率、输出电流随总输出电压变化Fig．6 Efficiency performance and output current as function of total output voltage after equalization

5 结论

提出了一种在超级电容串联储能系统中采用单开关、单电感的均衡充电方法。单开关、单电感的拓扑结构与传统的均衡器相比明显降低了电路的复杂性;通过数学推导得出均衡器的等效电路;采用了一种适合本系统的CIC-CV充电模式。利用该均衡充电方法，对三个串联的超级电容进行实验，三个超级电容的初始电压设置为不同值，通过图5可以看出电压低的储能模块先充电，随着充电的进行电压不平衡被消除，最后所有储能模块的电压达到了同一值，实现电压均衡的效果，且转换效率大约为88%。

［1］桂长清 (Gui Changqing)．新型储能元件超级电容(New type of energy storage element supercapacitance)［J］．船电技术 (Marine Electric＆Electronic Technology)，2003，(1):23-26．

［2］王东 (Wang Dong)．超级电容储能系统电压均衡技术的研究 (Research on voltage balance of supercapacitor storage energy system)［D］．大连:大连理工大学(Dalian:Dalian University of Technology)，2008．

［3］孟丽囡，陈永真，宁武 (Meng Li’nan，Chen Yongzhen，Ning Wu)．超级电容器串联应用中的均压问题及解决方案 (Solution to voltage balance of series ultra capacitor)［J］．辽宁工学院学报 (Journal of Liaoning Institute of Technology)，2005，25(1):1-3．

［4］李海冬，齐智平，冯之钺 (Li Haidong，Qi Zhiping，Feng Zhiyue)．超级电容器电力储能系统的电压均衡策略 (Voltage balancing strategy for super capacitor power storage system)［J］．电网技术 (Power System Technology)，2007，31(3):19-23．

［5］丘关源 (Qiu Guanyuan)．电路 (The circuit) ［M］．北京:高等教育出版社 (Beijing:Higher Education Press)，1999．

Novel voltage balancing charger for series-connected energy storage system

LI Hong-zhu，WANG Xu-sheng，CHEN Shu-han，QI Lin

(College of Electrical and Control Engineering，Liaoning Technical University，Huludao 125105，China)

In the series-connected energy storage modules of super capacitors(SCs)the monomer voltage imbalance can lead to premature deterioration of modules，such as decrease of life span and energy efficiency．However，the conventional topologies in DC-DC voltage equalization approach consist of numerous switches，inductor，or transformers，so the circuit size and complexity are prone to increase with the number of series connections．This paper proposes a voltage equilibrium system which is based on Boost topology structure．Due to the single-switch single-inductor topology equalization charger structure，the proposed equalization can dramatically reduce the circuit size and improve the reliability of the system．The equilibrium process and the equilibrium principle of the circuit are analyzed using an equivalent circuit and gives out the constant current constant voltage charging method．An experimental charge test was implemented for 3 series-connected SC modules，and the result showed that the proposed equalization charger has a higher efficiency．

super capacitor;voltage imbalance;equivalent circuit

TM53

A

1003-3076(2014)07-0077-04

2012-10-30

李洪珠(1974-)，男，黑龙江籍，副教授，硕士，主要从事电力电子和电力系统领域的研究;王旭生(1987-)，男(满族)，辽宁籍，硕士研究生，主要从事电力储能新技术的研究。