一种新型可串联的超级电容电压均衡特性研究

李 超， 胡国文， 林 萍， 陆志峰

(1.江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江212013；2.盐城工学院，江苏盐城224003)

一种新型可串联的超级电容电压均衡特性研究

李 超1， 胡国文2， 林 萍2， 陆志峰1

(1.江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江212013；2.盐城工学院，江苏盐城224003)

引入一种超级电容器电压均衡控制策略的模型，在此基础上提出一种新颖的超级电容器电压均衡方法——开关分流电压均衡法，该方法可以直接改变每个超级电容器的能量流动，实现能量重新分配。阐述了该方法的均衡原理及均压过程，给出了参数整定原则，同时基于PSIM仿真软件，对三只串联超级电容器模块进行仿真分析并与多飞渡电容电压均衡法进行对比，结果表明：开关分流电压均衡法均压速度快，效率高，在大容量快速储能领域中具有一定的价值。

超级电容器；电压均衡；PSIM；开关分流

虽然超级电容器历经几十年的发展，但单体电压仍很低(一般3 V以下))，大部分场合需要大量单体通过串并联满足能量存储和电压等级的要求。而生产过程中加工工艺等因素易使各单体间存在一定的分散性。串联工作时，常常出现过电压和欠电压两种不健康状态[1]。过电压状态将缩短超级电容器寿命，严重时甚至发生爆炸；而处于欠电压状态的超级电容器，其容量不能被充分利用，造成资源极大浪费。所以必须对串联超级电容器引入均压技术[1-2]，以提高超级电容器组的可靠性和利用率，并延长超级电容器使用寿命。

目前，超级电容器电压均衡技术主要包括并联电阻法、稳压管法、开关电阻法、开关电容法、开关电感法、DC/DC变换器法、正反激变换器法[1-4]。前三种方法通过消耗多余能量，实现电压均衡，但在过程中易产生大量热量，严重影响系统稳定性、可靠性。开关电容法、开关电感法、DC/DC变换器法利用电感、电容这类储能元件来实现能量从高到低的转移。当相邻超级电容器之间的电压差值很小或者串联单体数量较多时，这三种方法会存在无效的能量流动，且均压速度大打折扣。正反激变换器法磁路复杂、体积大，且均压误差较大。上述方法电路结构固定，当某支单体出现异常，电路将被迫停止工作，可靠性大大降低。鉴于这些不足，本文提出一种开关分流电压均衡法，该方法直接通过控制开关管通断，实现对能量流动的控制，从根本上解决电压不均的现象。在剔除故障单体的同时，并不影响其余单体充放电，具有均压速度快、损耗低、可靠性高等优势。

1 开关分流法电压均衡控制策略

1.1 超级电容器电压均衡模型分析

超级电容器充电均衡模型如图1所示。相对于充电电流的影响，超级电容器等效串联电阻和等效并联电阻的影响较小，在短时间小电流充电的情况下，将超级电容器看成理想电容器(本文暂不考虑内阻对充电电压的影响)。

图1 超级电容器充电均衡模型

理想情况下，超级电容器串联模块中各单体容量和等效内阻等参数是一致的。但实际应用中，单体间分散性并不能忽略。恒流充电情况下，超级电容器端电压必定会存在分散性。式(2)是电容电压值，充电电流、容量及时间的函数关系。从其函数关系可得：设定好充电时间，就能达到给定电压值。当超级电容器单体间存在分散性时，可以通过人为控制充电时间来达到电压均衡。

式(3)是超级电容器储能公式，代入参数得：

恒流充电过程中，容量值较小的单体端电压上升较快，容量较大的却较缓，必然导致电压不均衡的现象。由式(5)～式(6)可知容量小的单体存储的能量为额定值的70%，而容量较大的单体其存储的能量仅仅只有49%，不到额定值的一半。因此，对超级电容器电压均衡技术的研究具有重要意义[1-2]。

1.2 开关分流电压均衡法

根据上述对超级电容器电压均衡模型的分析，按照电压高的单体减少充电时间的思路，提出一种新颖的电压均衡方法——开关分流电压均衡法。该方法与所提及的方法相比，其显著特点为该方法无无效的能量流动，均压速度快，能量损耗低、可靠性高。

图2是开关分流电压均衡法原理图，该方法由超级电容器C、电压检测模块、电流检测模块、温度检测模块、微机控制模块、开关管S等组成。系统实时检测各单体电压值，当出现异常或者温度过高时，系统通过驱动开关管S，将其从整个系统中剔除。当其恢复正常，再通过控制将其连接到整个系统中，充放电过程并不影响其它单体工作，大大提高系统可靠性。

图2 开关分流电压均衡电路结构

2 开关分流法充放电控制策略仿真

2.1 电路模型

根据上述开关分流电压均衡原理，超级电容器内阻、漏电流对其影响较小，此处忽略其影响。开关S由MOSFET来代替(内阻很小，近似忽略)。闭合时，看成导线；断开时，看成断路。

2.2 电压均衡过程分析

图3是其正常充电模式和均压充电模式。微机控制模块通过电压检测模块实时检测各单体电压值。在时刻系统检测到C1端电压达到额定值，系统驱动开关管S21闭合，S11体二极管反向截至形成断路(阻止电容C1短路)，其余电容继续充电。时刻，C2电压值达到额定值，S22闭合，C2被短接。恒流源仅对C3充电。当C3电压值也达到额定值时，恒流源停止充电，实现均压。开关管S具体工作过程如图4所示。

2.3 参数整定

该方法利用开关管S实现对各单体充电时间的控制，改变能量流动，实现各单体电压一致。其最关键的两个参数是单体间最大电压差值和均压充电时间。

图3 正常充电模式与均压充电模式

图4 充电均压模式开关管工作时序图

(1)单体间最大电压差值

单体间电压差值越大，所需的均压时间也越长。由图4可知在1时刻系统达到最大电压差电压最大/小值分别为，经整理变形得：

(2)均压充电时间

普通充电时，当电压值达到额定电压值时，恒流源停止充电。此时，各单体的储能利用率很低。通过上述方法实现均压充电，其充电时间由充电速度最慢的单体决定，均压充电时间即图4中的时间，满足：

2.4 仿真分析

用PSIM软件对三只超级电容器串联模块的充电过程进行仿真分析。超级电容器以KAMCAP为研究对象，其容量为16 F，额定电压为16 V，最大充电电流11 A，内阻与漏电流影响较小，此处忽略不计。

设定三只超级电容器C1、C2、C3容量及初始电压分别为14.4 F/0 V，16 F/0 V，20.8 F/0 V。图5给出在恒定10 A电流充电情况下，普通充电模式下，单体电压值、总电压值及充电电流与时间的关系曲线，分散性对三只超级电容器的影响，当C1充满时，C2、C3并未达到额定值，若继续充电，则C1会过充，将严重影响其使用寿命，反之影响整个系统能量利用率。23.08 s充电结束，各单体电压、总电压不再上升，恒流源停止充电，充电时长与理论计算值一致。

图6是均压充电模式下各单体电压、总电压、充电电流与时间的关系曲线。在33.35 s各单体电压值达到一致，完成均压，过程并没过压。当C1达到额定值，系统将其剔除停止充电，此时总电压下降，充电电流产生一定波动；当C2达到额定值，系统也将其剔除，此时总电压继续下降，充电电流又产生一次波动；最终，C3达到额定值，三只超级电容器都充满，系统停止工作，总电压将为0，实现均压。

图7是多飞渡电容电压均衡效果图。按照文献[5]中设置仿真参数，其超级电容器初始值同上。可见，该方法在均压过程会存在一定的过电压，这将严重影响超级电容器的使用寿命及整个储能系统的可靠性。

图5 普通充电时单体电压、总电压、充电电流与时间的关系曲线

图6 均压充电时单体电压、总电压、充电电流与时间关系曲线

图7 多飞渡电容法均压效果

将三只超级电容器分别通过普通充电、开关分流法、多飞渡电容法进行充电，对比结果如表1所示。普通充电所需时间最短，但其利用率低。多飞渡电容法利用多个飞渡电容，通过控制开关管反复通断，从而实现相邻单体间能量转移，以达到均压的目的。实际中均压过程会存在无效的能量流动，数量较多时均压效果大打折扣，该方法虽然提高了利用率，但均压过程中会存在一定过压，会严重影响超级电容器使用寿命，同时占空比固定，控制不够灵活，所需开关管较多，在快速大容量储能场合受到限制。开关分流法通过精准计算，严格控制充电时间，实现均压充电，且可以在充电过程中剔除异常单体，大大提高超级电容器利用率及可靠性。

表1 结果统计分析

3 总结

本文提出一种超级电容器电压均衡模型，并在此基础上提出一种新颖的开关分流电压均衡法，同时给出最大电压差值、均压充电时间、电容容量及充电电流之间的关系。仿真结果表明：开关分流法不仅有效地减小分散性引起的电压不均衡，且大大提高超级电容器能量利用率，并提高整个系统的可靠性。该方法不仅可以应用在超级电容器，还可以应用于其它电池，且在大容量快速储能领域有较高的实用价值。

[1]刘雪冰，程明，丁石川.超级电容器均压技术综述[J].电气应用，2012，31(5)：26-33.

[2]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.

[3]KIM T，QIAO W.Power electronics-enabled self-X multicell batteries:a design toward smart batteries[J].IEEE Transaction on Power Electronics，2012，27(11):4723-4733.

[4]MANENTI A，ABBA A，MERATI A，et al.A new BMS architecture based on cell redundancy[J].IEEE Transaction on Industrial Electronics，2011，58(9):4314-4322.

[5]赵艳雷.动态电压恢复器逆变单元的研究与实现[D].北京：中国科学院，2006.

Characterization research on voltage balancing of new series-connected ultra-capacitors

A model for ultra-capacitor voltage balancing strategy was introduced， and on this basis， a novel ultra-capacitor voltage balancing method was proposed，namely switching shunt voltage balancing method，which can directly change the energy flow of each ultra-capacitor to achieve the purpose of energy redistribution. The working principle and process of the proposed method were analyzed， and the parameter tuning principles were given.The simulation analysis and experiment of the module composed of three ultra-capacitors connected in series were performed based on PSIM， and was compared with multi flying-capacitive voltage equalizing method.The results show that the switching shunt voltage balancing method is fast，efficient，reliable and possesses high value for ultra-capacitor fast large capacity energy storage.

ultra-capacitors;voltage balancing;PSIM;switching shunt

TM 53

A

1002-087 X(2016)04-0799-04

2015-09-15

江苏省自然科学基金资助项目(BK20140467)；盐城工学院与江苏大学联合培养研究生(XKY2013053)

李超(1990—)，男，江苏省人，硕士研究生，主要研究方向为超级电容器电压均衡技术。