应用于舰船的超级电容器充电均压方案设计

胡家宁, 郭 燚

(1.上海海事大学 物流工程学院, 上海 201306; 2.国网浙江省电力公司舟山供电公司, 舟山 316022,浙江)

应用于舰船的超级电容器充电均压方案设计

胡家宁1,2, 郭 燚1

(1.上海海事大学 物流工程学院, 上海 201306; 2.国网浙江省电力公司舟山供电公司, 舟山 316022,浙江)

超级电容器是适用于为舰船脉冲负载供电的储能设备。当多个单体超级电容器串联充电时，存在充电电压不均衡问题，直接降低了超级电容的能量储存能力和使用寿命。为使舰船上的超级电容器安全、快速地完成均压充电，在传统DC-DC均压法基础上优化了电路结构，并增设了后备保护。均压仿真实验证明了该方案的可行性。

脉冲负载； 储能设备； 超级电容器； 均压充电

随着舰船制造技术的飞速发展，舰船上脉冲武器日益增多，如电磁炮、激光武器、高功率雷达等。这些脉冲负载的大规模使用，给舰船电力系统的安全稳定运行带来了严峻挑战。文献[1]中提出了在舰船综合电力系统中配备储能系统的想法。作为新型储能设备，超级电容器具有快速高功率充放电的特性[2]，正好满足舰船大功率脉冲负载的需求。

超级电容器单体额定电压较低,为了满足舰船脉冲负载对电压等级的要求，需要将多个超级电容器串联起来使用[3]。但是,单个超级电容的容量、初始电压和内阻等参数不一致，会造成充电过程中各电容单体充电速度不同,从而导致电压不均衡。数量众多的单体超级电容器串联充电时该问题更加凸显[4]。因此,在舰船上应当设计合理的均压方案，使多个超级电容在串联充电过程中电压保持一致，力求能在同一时刻所有超级电容器都完成充电[5-6]。

文献[7-8]中将常用的超级电容器电压均衡方案分为能耗型和回馈型两大类。稳压管电压均衡法是能耗型中的代表，电路结构简单，无需任何控制手段，操作方便[9];但若其中任何一个电容器两端的电压达到额定电压后，充电电流将全部流入稳压管，能量完全消耗在稳压管上，导致能量严重浪费。其他各种能耗型均压法也都无法避免能量浪费的情况。而舰船上能量来之不易，故用能耗型方法并不合适。

回馈型均压方法通过变换器将单体之间的偏差能量馈送回超级电容组或组中某些单体，可以使能量得到互补,避免舰船上能源浪费。文献[7]中总结了回馈型均压方法有DC-DC变换法、飞渡电容法、开关电感通断法等，并对开关电感通断法进行了深入研究。考虑到舰船上电力设备运行条件要比陆上更加严苛，应力求结构简单，安装方便，本文选择了结构较为简单的DC-DC变换法,并加以优化，使之更适合在舰船上使用。

1 基于传统DC-DC变换法的超级电容器均压优化设计

1.1 传统DC-DC变换法存在的问题

DC-DC变换法通过双向直流变换器将电压较高的单体电容的能量转移到电压较低的单体电容上，从而达到均压目的。常见的双向直流变换器有双向Buck/Boost、双向Cuk、双向Zeta-Sepic等[10-12]。其中,双向Buck/Boost直流变换器结构简单，转换效率高，在均压场合被广泛应用。其电路拓扑图如图1所示。 文献[7]中详细介绍了该变换器在超级电容器均压中的使用，但是该方案应用到舰船上时存在以下两个缺陷：(1) 没有对超级电容器进行充电后备保护，只单纯考虑了均压结束时间小于超级电容器到达额定电压时间的情况。若其中某个或多个超级电容器率先达到额定电压而其他电容器还在均压时，需要先切断主电源，使该超级电容器的能量转移给其他电容器，待其端电压下降后再接入主电源，否则,会导致超级电容器过充，严重影响寿命。(2) 大量使用开关管、电感等器件，控制比较复杂，成本也较高。

图1 双向Buck/Boost直流变换器

Fig.1 Bi-directional buck/boost converter

1.2 超级电容器均压优化设计

针对上述双向Buck/Boost直流变换器的不足，本文对其电路拓扑进行改进，有效减少其开关管数量;然后,引入后备保护模块，保证充电的安全性。传统DC-DC变换法均压拓扑图如图2所示。

图2 传统DC-DC变换法均压拓扑

DC-DC变换法均压工作原理如下:以超级电容器C1、C2为例，它们通过双向Buck/Boost直流变换器连接在一起。当直流电源给两者恒流充电时，若检测到C1两端电压高于C2，即开通与C1并联的MOSFET管，使C1上储存的能量通过MOSFET和电感L组成的回路释放到L上；然后，电感又通过C2与其反并联的二极管构成的回路对C2进行充电，从而使C1电压下降，C2电压上升。由于电路拓扑图上、下对称，故当C2电压高于C1时，可以用同样的方法使C2电压下降，C1电压上升，从而达到两者电压均衡的目的。

图2中，若检测到C2两端的电压高于C1则开通C2对应的开关管使C2的能量转移到C1；若检测到C2两端电压高于C3也可以采用同样的方法把能量转移给C3。也就是说，除了首、尾两个超级电容器外，所有超级电容器都可向前也可以向后传递能量，这就造成了没必要的浪费。本文优化了传统DC-DC变换法的均压拓扑结构。该结构在图2的基础上，用二极管代替部分MOSFET管，使能量实现单向传递，并在首、末端之间加装一个变比为1∶1的隔离变压器，从而在确保电容器均衡充电的前提下减少了50%的开关管元器件，降低了成本，简化了电路。优化后的拓扑结构图如图3所示。

图3 优化后的DC-DC变换法均压拓扑

后备保护模块工作原理如下:采用实时电压传感器监测每个电容的电压，当1个或多个超级电容器达到额定电压时，通过比较器和逻辑与门串联结构将电路总开关暂时断开，待这些超级电容器完成能量转移、电压下降后，再开通总开关继续充电；当所有超级电容器均达到额定电压时，通过比较器和逻辑与门串联结构将总开关永久断开，充电完成。

2 超级电容器数量及充电方式的确定

本文中的超级电容器主要用于给舰船大功率脉冲负载供电，故应结合脉冲负载特性，先确定单体超级电容器的规格和需要的数量。

Maxwell公司于2016年2月全新推出的3 V/3 kF的超级电容单体,有助于降低储能系统总成本和质量，并提升了运行效率，很适合在舰船大功率用电场合使用，本文沿用该规格作为超级电容器单体[11]。

图4给出了舰船脉冲负载特性曲线。

图4 脉冲负载特性曲线

由图可知，舰船脉冲负载的功率可以在很短时间(约几μs)内由0 MW上升至5 MW左右，故可通过能量约束法来确定需要使用的单体超级电容器数量。

参照文献[4]中使用的能量约束法，根据负载总功率需求来确定所需超级电容器的数量，即

(1)

式中,W为负载所需总能量;n为并联超级电容器个数;m为串联超级电容器的个数;Ue为超级电容器单体的额定电压(3 V);Cf为超级电容器单体的总容量(3 kF);Umin为超级电容允许的电压下限值,一般取额定电压的1/2。

整理式(1)，得

(2)

计算脉冲负载所需总能量为

W=Pt

(3)

式中,P为脉冲负载峰值功率;t为峰值功率持续时间。

按照P=5 MW，t=2 s计算，得W=10 MJ,故nm≈1 000,即约需要1 000个超级电容器，串、并联方案(n和m的个数)可根据具体情况自由调节。

考虑到一般舰船用的超级电容器组电压大多为600～900 V，而电容器组两端电压只与串联的超级电容器数量有关，同时借鉴文献[3]中对舰船超级电容器的应用设计，将1 000个超级电容器分为5组，每组有200个超级电容器单体串联(总电压为600 V)，再将这5组并联。舰船发电系统直接对超级电容器组进行充电，同时，超级电容器组储存的电能可释放供给舰船上的脉冲负载和其他负载。舰船电力系统各模块总体接线图如图5所示。

图5 舰船电力系统各模块总体示意图

超级电容器的充电方式有恒流充电、恒压充电及组合充电等[13-15]。其中，以恒流充电最为常用。超级电容器可以接受的充电电流范围较大，采用大电流对超级电容器进行恒流充电快速且安全。本文探讨的均压方案正是用于恒流充电中。

3 仿真实验与分析

在每组200个超级电容器中任意选择4个来完成均压仿真实验。结合图3与上文后备保护的设计思路，在PSIM软件中搭建仿真电路如图6所示。

用直流电源DC为超级电容器C1～C4充电。每个超级电容器均并联了电压传感器，通过电压传感器比较相邻超级电容器的实时充电电压，然后将结果转换成信号控制MOSFET管的通断，完成能量的转移。图6中最右侧的4个电压逻辑比较器为后备保护模块，每个比较器中都预设了超级电容器的额定电压值。将4个电压传感器监测到的电压值U1～U4依次输入到相应比较器，一旦U1～U4中任何一个超过额定电压，比较器都会通过逻辑与门控制总开关Q5关断。切除直流电源DC，达到防止超级电容器过充的目的。

图6 PSIM电路仿真图

Fig.6 Simulation circuit of PSIM

仿真前，先设定4个电容器的初始电压值。需要注意的是，根据超级电容器自身的特性，其充电初始电压不能设定为0 V，因此，设定C1～C4的初始电压分别为1.5 V、2 V、2.5 V、1.0 V；直流电源DC电流为1.5 kA，内阻R1为20 Ω，回路电感为10 μH，MOSFET管Q1～Q4的开关频率为20 kHz，占空比D=0.5，变压器T1变比为1∶1；后备保护电路中的每个电压逻辑比较器设定值为3 V，总比较器设定值为12 V，仿真时间为4 s。

图7给出了优化的超级电容器充电均压仿真结果。

图7 优化的超级电容器充电均压仿真结果

Fig.7 Simulation result of optimized supercapacitor equalizing charge

由图可见，4个初始电压不同的超级电容器约在1.8 s后电压达到一致。由于该均衡时间小于最后达到额定电压所需的时间，因此，后备电压保护装置并未启动。4个超级电容器的电压在2.4 s同时达到额定值，此时总电压达到12 V，开关管Q5关断，每个超级电容器的电压都保持在额定值不再上升，充电完成。

为验证后备保护的功能，设置C1、C2、C3初始电压为2.9 V，C4初始电压为1 V，其余各项参数均不变，重复上述仿真实验，结果如图8所示。

图8 后备保护动作下的均压仿真结果

由图8可见，仿真开始时，C4电压急剧上升，C3在0.3 s、C2在0.5 s内电压急剧跌落后迅速上升，这是由于C2和C3距离C4较近，率先将能量转移到了C4上，并随着C4电压的上升也开始充电。而C1由于距离C4较远，未来得及转移能量，约在0.2 s时充电至额定电压不再上升，这是由于后备保护动作使Q5关断，电源被切除；然后，C1电压维持在3 V不再上升；0.5 s时，C1电压开始下降，这是由于虽然主电源被切断，但是超级电容器之间的电压仍未一致，故能量转移依然进行，后备保护动作使Q5重新开通；C1约在0.9 s时第2次充电至额定电压不再上升，这是由于电源再次被切断。此时，C2、C3、C4电压继续上升，C2充电至额定电压，然后下降、再上升，如此出现循环往复，直到4个超级电容器都达到额定电压，即总电压达到12 V，此时，Q5永久关断，充电完成。

从仿真结果可以看出，该后备保护方案既防止了超级电容器过度充电，又维持了充电过程的持续性，是行之有效的。

4 结 语

本文提出用超级电容器为舰船大功率脉冲负载供电的想法，随后对超级电容器在舰船上充电时单体电压不均衡问题做了原因分析，在借鉴了几种传统均压方法的同时结合舰船特性，采用DC-DC变换法完成均压目的。但是，传统的DC-DC变换法存在器件众多和没有后备保护等问题，本文对该方法做了进一步优化，很好地解决了这些问题；同时，通过搭建PSIM仿真模型来验证该方案的可行性。由仿真结果可以看出，该方案用于舰船超级电容器充电均压是成功的。

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Design of Equalizing Charging Scheme for Ship-Borne Supercapacitor

HUJianing1,2,GUOYi1

(1. Logistics Engineering College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China; 2. Zhoushan Power Supply Company, State Grid Zhejiang Electric Power Company, Zhoushan 316022 Zhejiang, China)

Supercapacitors are suitable for ship-borne energy storage equipment with pulse loads. However, charging voltage imbalance may occur when several supercapacitors are charged in series. This can reduce the capacity of energy storage and service life. To achieve safe and fast on-ship charging, we optimize the circuit structure and add back-up protection based on a traditional DC-DC equalizing method. Simulation results show feasibility of the scheme.

pulse load; energy storage equipment; supercapacitor; equalizing charge

2016 -12 -17

胡家宁(1993-)，男，硕士生，主要研究方向为船舶储能系统，E-mail：747097671@qq.com

指导老师： 郭 燚(1971-)，男，副教授，主要研究方向为储能系统和MMC在船舶中压直流电力系统中的应用与控制， E-mail:yiguo@shmtu.edu.cn

2095 - 0020(2017)01 -0040 - 06

U 665.12

A