交通储能系统串联超级电容控制电路的研究

杨仓满 刘剑锋

(1.南车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412001； 2.中南大学信息科学与工程学院，湖南 长沙 410075)

交通储能系统串联超级电容控制电路的研究

杨仓满1刘剑锋2

(1.南车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412001； 2.中南大学信息科学与工程学院，湖南 长沙 410075)

针对城市轨道交通储能系统快速充电中出现的超级电容单体之间存在的电压不均衡问题，提出了一种非能耗型的快速均衡电路，介绍了均衡硬件电路的工作原理,分析了均衡器的均衡电流控制策略，并对4个串联超级电容组成的模组均衡电路进行了仿真和实验验证。

超级电容，电压不均衡，非能耗型，均衡器

0 引言

超级电容器的电容量很大，可以达到数千法拉，但是其额定电压很低，一般只有1 V～3 V[1]。在城市轨道交通储能系统中，需要通过多个超级电容串并联使用，才能满足电机对电压等级的需求。由于各超级电容单体内部特征参数的不一致性，容易导致在快速充放电情况下各电容单体的电压不均衡，从而降低超级电容组的能量储存能力和使用寿命。因此，采取合适的电压均衡措施使超级电容单体电压保持一致具有非常重要的意义。

1 均衡电路方案的介绍及优缺点分析

目前国内外的研究者已经提出了一些针对超级电容的均衡方法，大体可以归类为能耗型均衡[2]以及非能耗型均衡[3-5]两种。

1.1 能耗型电压均衡方法

最简单的能耗均衡方法是将每个电容单体并联电阻器，如图1所示。这是为了使各单体自放电率趋于平衡来防止电压不平衡。这种方法增加了自放电率，不利于能量存储。为了能够对每个单体的放电速度进行调节，经常在并联电阻器时串联一个开关，当一个单元的电压接近一定的水平时，开关闭合，单体通过电阻器放电。然而，在大电流充电条件下，均衡电流一般比较高，这将导致大量的能量以发热的形式损耗。

1.2 非能耗型电压均衡方法

非能耗型电压均衡方法按照能量转移的方式，分单体对单体和模组对单体两种。

1.2.1 单体对单体能量转移方法

常用的一种单体对单体能量转移的均衡方法有开关电容法，典型电路如图2所示。

这种方法采用额外的储能单元，将电压较高超级电容单体能量转移到电压较低单体中。这样有利于能量的利用。但是，这种均衡时间比较长。

1.2.2 模组对单体能量转移方法

典型的模组对单体能量转移方法有多变压器AC/DC和多绕组单变压器AC/DC方案，多变压器方案如图3所示。

此方案有利于模块化设计，均衡时间较快。但是，不适合串联电容单体较多的场合。同时，方案中AC/DC整流基本都采用不可控二极管整流。然而二极管一般都有导通压降损耗，降低了均衡器的电压均衡精度。

1.3 具有一对多输出的电源拓扑均衡方案

考虑到城市轨道交通储能系统模组内单体电压为2.7 V，正常充电时最大电流会达到几百安培，为实现快速均衡的要求，考虑设计的均衡器均衡电流需要接近100 A，因此这里需要采用低压大电流直流变换器。对比之前提出的均衡器方案，采用模组对单体能量非耗散能量转移方案更合适。针对储能系统电压等级高达900 V的场合下，采用多变压器方案无疑成本过大。而且考虑模组内各电容单体不需同时均衡，若采用模块化AC/DC，每个模组需要多AC/DC模块，设计冗余，成本较高，所以具有一对多输出的电源拓扑更适合当前需求，如图4所示。

在此均衡器中，变压器的副边整流输出也改为采用同步整流技术，以减少开关管导通压降，提高电压均衡精度。同时，通过设计可以达到100 A均衡电流，减少了均衡时间。

2 均衡器均衡电流控制

在本系统中，主要是通过向电压较低的单体电容灌电流实现电压均衡。因此，推挽变压器初级采用控制电流方式，电流给定值由采样控制板给出，结构如图5所示。在实际闭环控制系统设计中，选用LEM公司的电流传感器HAS50采集初级电流，使用高速运放搭建模拟控制器，采用定频调宽方式实现变压器初级恒流控制。

3 可控整流桥设计

为了减少导通损耗，用导通电阻小的MOSFET管替代传统的整流二极管，搭建全桥可控整流电路，此种整流电路具有功耗低和可控性的双重优点，用于大电流整流控制具有很大的优势。可控整流电路结构如图6所示，当超级电容不需要充电可以通过拉低栅极驱动电压关断MOSFET管，切断电容充电回路。

电路中MOSFET选用IR公司的IRFS7434-7PPbF。该MOSFET通态电阻RDS(ON)典型值只有0.7 mΩ，最大值1 mΩ，漏极电流高达240 A，适合当前可控整流电路的使用。

4 仿真分析

为了验证本方案的效率及可行性，我们采用美国Synopsys公司的一款EDA软件Saber对包含4个串联超级电容单体的系统进行了仿真验证。

本文4个单体仿真初始电压分别设置为V1=2.6 V，V2=2.5 V，V3=2.8 V，V4=2.7 V，V3>V4>V1>V2。

电压值最小的C2电容最先开始由均衡电流补偿，均衡电流峰值可达180 A，随着V2的增加，C1电容的均衡电流开始增加。最终四个单体的电压会快速达到一个相同的值。

5 实验分析

为了进一步验证本方案的可行性，我们在完成理论分析与仿真的基础之上，根据实际环境，搭建了实物系统模型，对方案做了验证与分析，在本次实验环境中，我们采用两个电容值为3 000 F的单体电容，对变压器性能，初级电流闭环控制以及可控整流部分做了进一步验证。

2个单体实验初始电压分别为V1=2.75 V，V2=2.45 V。实验中，每隔5 s记录一次两单体的电压值，两单体的电压在历时45 s后基本达到均衡，并在之后的充电过程中始终保持一致。

6 结语

本文提出了一种新的串联超级电容充电均衡电路，其均衡器全桥同步整流电路具有很高的浪涌电流能力。同时，由于采用的MOSFET的导通电阻非常小，这使得该均衡器在提供很大的均衡电流时保持非常低的传导损耗，从而实现电压的快速平衡。

从仿真分析和实验结果可以看出本文提出的超级电容器电压均衡电路具有均衡速度快、损耗低、发热量小、实现简单等特点，能有效地解决城市轨道交通中采用超级电容储能系统中单体或者模组电压的均衡问题。

[1] 胡 斌，杨中平，林 飞，等.城市轨道交通用超级电容器组等效电路模型研究[J].机车电传动，2013(5)：65-68.

[2] 韩晓男.超级电容串联均压研究[J].东北电力大学学报,2010(4):68-72.

[3] 胡国文，李 超，林 萍.超级电容器电压均衡技术研究综述[J].电测与仪表，2014(22):22-29.

[4] 逯仁贵，王铁成，朱春波，等.基于飞渡电容的超级电容组动态均衡控制算法[J].哈尔滨工业大学学报，2008(9):1421-1425.

[5] 赵 卫，李 磊，柳 成.基于DC/DC的超级电容均衡控制电路建模及控制策略研究[J].电源世界，2014(9):21-25.

The research of papid equilibrium control circuit for urban rail transportation series super capacitor energy storage system

Yang Cangman1Liu Jianfeng2

(1.ElectricEquipmentSubsidiary,CSRZhuzhouElectricLocomotiveCo.,Ltd,Zhuzhou412001,China; 2.SchoolofInformationScienceandEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China)

In this papper, in order to solve the voltage imbalance of series-connected super-capacitors in the fast charging urban rail transportation system, a non-dissipative fast equalizer is proposed. The current equalization control strategy and hardware design are presented and equalization performance is verified by the simulation and experimental results of a charge equalizer prototype for four series-connected super-capacitors.

super-capacitor, voltage imbalance, non-dissipative, equalizer

2015-03-30

杨仓满(1978- )，男，工程师； 刘剑锋(1977- )，男，高级工程师

1009-6825(2015)16-0130-03

TU852

A