應用于艦船的超級電容器充電均壓方案設計

胡家寧, 郭 燚

(1.上海海事大學 物流工程學院, 上海 201306; 2.國網浙江省電力公司舟山供電公司, 舟山 316022,浙江)

應用于艦船的超級電容器充電均壓方案設計

胡家寧1,2, 郭 燚1

(1.上海海事大學 物流工程學院, 上海 201306; 2.國網浙江省電力公司舟山供電公司, 舟山 316022,浙江)

超級電容器是適用于為艦船脈沖負載供電的儲能設備。當多個單體超級電容器串聯充電時，存在充電電壓不均衡問題，直接降低了超級電容的能量儲存能力和使用壽命。為使艦船上的超級電容器安全、快速地完成均壓充電，在傳統DC-DC均壓法基礎上優化了電路結構，并增設了后備保護。均壓仿真實驗證明了該方案的可行性。

脈沖負載； 儲能設備； 超級電容器； 均壓充電

隨著艦船制造技術的飛速發展，艦船上脈沖武器日益增多，如電磁炮、激光武器、高功率雷達等。這些脈沖負載的大規模使用，給艦船電力系統的安全穩定運行帶來了嚴峻挑戰。文獻[1]中提出了在艦船綜合電力系統中配備儲能系統的想法。作為新型儲能設備，超級電容器具有快速高功率充放電的特性[2]，正好滿足艦船大功率脈沖負載的需求。

超級電容器單體額定電壓較低,為了滿足艦船脈沖負載對電壓等級的要求，需要將多個超級電容器串聯起來使用[3]。但是,單個超級電容的容量、初始電壓和內阻等參數不一致，會造成充電過程中各電容單體充電速度不同,從而導致電壓不均衡。數量眾多的單體超級電容器串聯充電時該問題更加凸顯[4]。因此,在艦船上應當設計合理的均壓方案，使多個超級電容在串聯充電過程中電壓保持一致，力求能在同一時刻所有超級電容器都完成充電[5-6]。

文獻[7-8]中將常用的超級電容器電壓均衡方案分為能耗型和回饋型兩大類。穩壓管電壓均衡法是能耗型中的代表，電路結構簡單，無需任何控制手段，操作方便[9];但若其中任何一個電容器兩端的電壓達到額定電壓后，充電電流將全部流入穩壓管，能量完全消耗在穩壓管上，導致能量嚴重浪費。其他各種能耗型均壓法也都無法避免能量浪費的情況。而艦船上能量來之不易，故用能耗型方法并不合適。

回饋型均壓方法通過變換器將單體之間的偏差能量饋送回超級電容組或組中某些單體，可以使能量得到互補,避免艦船上能源浪費。文獻[7]中總結了回饋型均壓方法有DC-DC變換法、飛渡電容法、開關電感通斷法等，并對開關電感通斷法進行了深入研究。考慮到艦船上電力設備運行條件要比陸上更加嚴苛，應力求結構簡單，安裝方便，本文選擇了結構較為簡單的DC-DC變換法,并加以優化，使之更適合在艦船上使用。

1 基于傳統DC-DC變換法的超級電容器均壓優化設計

1.1 傳統DC-DC變換法存在的問題

DC-DC變換法通過雙向直流變換器將電壓較高的單體電容的能量轉移到電壓較低的單體電容上，從而達到均壓目的。常見的雙向直流變換器有雙向Buck/Boost、雙向Cuk、雙向Zeta-Sepic等[10-12]。其中,雙向Buck/Boost直流變換器結構簡單，轉換效率高，在均壓場合被廣泛應用。其電路拓撲圖如圖1所示。 文獻[7]中詳細介紹了該變換器在超級電容器均壓中的使用，但是該方案應用到艦船上時存在以下兩個缺陷：(1) 沒有對超級電容器進行充電后備保護，只單純考慮了均壓結束時間小于超級電容器到達額定電壓時間的情況。若其中某個或多個超級電容器率先達到額定電壓而其他電容器還在均壓時，需要先切斷主電源，使該超級電容器的能量轉移給其他電容器，待其端電壓下降后再接入主電源，否則,會導致超級電容器過充，嚴重影響壽命。(2) 大量使用開關管、電感等器件，控制比較復雜，成本也較高。

圖1 雙向Buck/Boost直流變換器

Fig.1 Bi-directional buck/boost converter

1.2 超級電容器均壓優化設計

針對上述雙向Buck/Boost直流變換器的不足，本文對其電路拓撲進行改進，有效減少其開關管數量;然后,引入后備保護模塊，保證充電的安全性。傳統DC-DC變換法均壓拓撲圖如圖2所示。

圖2 傳統DC-DC變換法均壓拓撲

DC-DC變換法均壓工作原理如下:以超級電容器C1、C2為例，它們通過雙向Buck/Boost直流變換器連接在一起。當直流電源給兩者恒流充電時，若檢測到C1兩端電壓高于C2，即開通與C1并聯的MOSFET管，使C1上儲存的能量通過MOSFET和電感L組成的回路釋放到L上；然后，電感又通過C2與其反并聯的二極管構成的回路對C2進行充電，從而使C1電壓下降，C2電壓上升。由于電路拓撲圖上、下對稱，故當C2電壓高于C1時，可以用同樣的方法使C2電壓下降，C1電壓上升，從而達到兩者電壓均衡的目的。

圖2中，若檢測到C2兩端的電壓高于C1則開通C2對應的開關管使C2的能量轉移到C1；若檢測到C2兩端電壓高于C3也可以采用同樣的方法把能量轉移給C3。也就是說，除了首、尾兩個超級電容器外，所有超級電容器都可向前也可以向后傳遞能量，這就造成了沒必要的浪費。本文優化了傳統DC-DC變換法的均壓拓撲結構。該結構在圖2的基礎上，用二極管代替部分MOSFET管，使能量實現單向傳遞，并在首、末端之間加裝一個變比為1∶1的隔離變壓器，從而在確保電容器均衡充電的前提下減少了50%的開關管元器件，降低了成本，簡化了電路。優化后的拓撲結構圖如圖3所示。

圖3 優化后的DC-DC變換法均壓拓撲

后備保護模塊工作原理如下:采用實時電壓傳感器監測每個電容的電壓，當1個或多個超級電容器達到額定電壓時，通過比較器和邏輯與門串聯結構將電路總開關暫時斷開，待這些超級電容器完成能量轉移、電壓下降后，再開通總開關繼續充電；當所有超級電容器均達到額定電壓時，通過比較器和邏輯與門串聯結構將總開關永久斷開，充電完成。

2 超級電容器數量及充電方式的確定

本文中的超級電容器主要用于給艦船大功率脈沖負載供電，故應結合脈沖負載特性，先確定單體超級電容器的規格和需要的數量。

Maxwell公司于2016年2月全新推出的3 V/3 kF的超級電容單體,有助于降低儲能系統總成本和質量，并提升了運行效率，很適合在艦船大功率用電場合使用，本文沿用該規格作為超級電容器單體[11]。

圖4給出了艦船脈沖負載特性曲線。

圖4 脈沖負載特性曲線

由圖可知，艦船脈沖負載的功率可以在很短時間(約幾μs)內由0 MW上升至5 MW左右，故可通過能量約束法來確定需要使用的單體超級電容器數量。

參照文獻[4]中使用的能量約束法，根據負載總功率需求來確定所需超級電容器的數量，即

(1)

式中,W為負載所需總能量;n為并聯超級電容器個數;m為串聯超級電容器的個數;Ue為超級電容器單體的額定電壓(3 V);Cf為超級電容器單體的總容量(3 kF);Umin為超級電容允許的電壓下限值,一般取額定電壓的1/2。

整理式(1)，得

(2)

計算脈沖負載所需總能量為

W=Pt

(3)

式中,P為脈沖負載峰值功率;t為峰值功率持續時間。

按照P=5 MW，t=2 s計算，得W=10 MJ,故nm≈1 000,即約需要1 000個超級電容器，串、并聯方案(n和m的個數)可根據具體情況自由調節。

考慮到一般艦船用的超級電容器組電壓大多為600～900 V，而電容器組兩端電壓只與串聯的超級電容器數量有關，同時借鑒文獻[3]中對艦船超級電容器的應用設計，將1 000個超級電容器分為5組，每組有200個超級電容器單體串聯(總電壓為600 V)，再將這5組并聯。艦船發電系統直接對超級電容器組進行充電，同時，超級電容器組儲存的電能可釋放供給艦船上的脈沖負載和其他負載。艦船電力系統各模塊總體接線圖如圖5所示。

圖5 艦船電力系統各模塊總體示意圖

超級電容器的充電方式有恒流充電、恒壓充電及組合充電等[13-15]。其中，以恒流充電最為常用。超級電容器可以接受的充電電流范圍較大，采用大電流對超級電容器進行恒流充電快速且安全。本文探討的均壓方案正是用于恒流充電中。

3 仿真實驗與分析

在每組200個超級電容器中任意選擇4個來完成均壓仿真實驗。結合圖3與上文后備保護的設計思路，在PSIM軟件中搭建仿真電路如圖6所示。

用直流電源DC為超級電容器C1～C4充電。每個超級電容器均并聯了電壓傳感器，通過電壓傳感器比較相鄰超級電容器的實時充電電壓，然后將結果轉換成信號控制MOSFET管的通斷，完成能量的轉移。圖6中最右側的4個電壓邏輯比較器為后備保護模塊，每個比較器中都預設了超級電容器的額定電壓值。將4個電壓傳感器監測到的電壓值U1～U4依次輸入到相應比較器，一旦U1～U4中任何一個超過額定電壓，比較器都會通過邏輯與門控制總開關Q5關斷。切除直流電源DC，達到防止超級電容器過充的目的。

圖6 PSIM電路仿真圖

Fig.6 Simulation circuit of PSIM

仿真前，先設定4個電容器的初始電壓值。需要注意的是，根據超級電容器自身的特性，其充電初始電壓不能設定為0 V，因此，設定C1～C4的初始電壓分別為1.5 V、2 V、2.5 V、1.0 V；直流電源DC電流為1.5 kA，內阻R1為20 Ω，回路電感為10 μH，MOSFET管Q1～Q4的開關頻率為20 kHz，占空比D=0.5，變壓器T1變比為1∶1；后備保護電路中的每個電壓邏輯比較器設定值為3 V，總比較器設定值為12 V，仿真時間為4 s。

圖7給出了優化的超級電容器充電均壓仿真結果。

圖7 優化的超級電容器充電均壓仿真結果

Fig.7 Simulation result of optimized supercapacitor equalizing charge

由圖可見，4個初始電壓不同的超級電容器約在1.8 s后電壓達到一致。由于該均衡時間小于最后達到額定電壓所需的時間，因此，后備電壓保護裝置并未啟動。4個超級電容器的電壓在2.4 s同時達到額定值，此時總電壓達到12 V，開關管Q5關斷，每個超級電容器的電壓都保持在額定值不再上升，充電完成。

為驗證后備保護的功能，設置C1、C2、C3初始電壓為2.9 V，C4初始電壓為1 V，其余各項參數均不變，重復上述仿真實驗，結果如圖8所示。

圖8 后備保護動作下的均壓仿真結果

由圖8可見，仿真開始時，C4電壓急劇上升，C3在0.3 s、C2在0.5 s內電壓急劇跌落后迅速上升，這是由于C2和C3距離C4較近，率先將能量轉移到了C4上，并隨著C4電壓的上升也開始充電。而C1由于距離C4較遠，未來得及轉移能量，約在0.2 s時充電至額定電壓不再上升，這是由于后備保護動作使Q5關斷，電源被切除；然后，C1電壓維持在3 V不再上升；0.5 s時，C1電壓開始下降，這是由于雖然主電源被切斷，但是超級電容器之間的電壓仍未一致，故能量轉移依然進行，后備保護動作使Q5重新開通；C1約在0.9 s時第2次充電至額定電壓不再上升，這是由于電源再次被切斷。此時，C2、C3、C4電壓繼續上升，C2充電至額定電壓，然后下降、再上升，如此出現循環往復，直到4個超級電容器都達到額定電壓，即總電壓達到12 V，此時，Q5永久關斷，充電完成。

從仿真結果可以看出，該后備保護方案既防止了超級電容器過度充電，又維持了充電過程的持續性，是行之有效的。

4 結 語

本文提出用超級電容器為艦船大功率脈沖負載供電的想法，隨后對超級電容器在艦船上充電時單體電壓不均衡問題做了原因分析，在借鑒了幾種傳統均壓方法的同時結合艦船特性，采用DC-DC變換法完成均壓目的。但是，傳統的DC-DC變換法存在器件眾多和沒有后備保護等問題，本文對該方法做了進一步優化，很好地解決了這些問題；同時，通過搭建PSIM仿真模型來驗證該方案的可行性。由仿真結果可以看出，該方案用于艦船超級電容器充電均壓是成功的。

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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

胡家寧(1993-)，男，碩士生，主要研究方向為船舶儲能系統，E-mail：747097671@qq.com

指導老師： 郭 燚(1971-)，男，副教授，主要研究方向為儲能系統和MMC在船舶中壓直流電力系統中的應用與控制， E-mail:yiguo@shmtu.edu.cn

2095 - 0020(2017)01 -0040 - 06

U 665.12

A