超級電容系統中直流變換器的電壓均衡方法

董雪鵬

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.14.129

摘 要：針對超級電容系統中多電容共同工作時容易出現各電容之間互相干擾、混亂充放電的問題，在分析幾種常用的電壓均衡方法的特點后，給出了一種改進型的直流-直流變換器的電壓均衡方法，有效地解決了各電容器混充的局面，具有很好的電壓均衡性，對于工程實際應用具有較高的可行性。

關鍵詞：超級電容 直流-直流變換器 電壓均衡

中圖分類號：TM343 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（b）-0129-03

1 超級電容系統

超級電容是通過電化學的轉變實現儲能的電化學元件，具有很高的功率密度，超過一般的儲能元件或系統，工作過程中的充放電時間很短，能實現快速的能量存儲和釋放，循環利用的壽命長，能多次的充放電而不至于器件產生損壞，工作溫度范圍較寬，受外部環境的影響較小。目前，超級電容系統廣泛應用于電網系統、軌道交通多能源系統、電動汽車儲能系統等領域，具有很好的應用前景。

2 超級電容系統的電壓均衡方法

2.1 穩壓管電壓均衡法

穩壓管電壓均衡策略的電路結構簡單，各電容器的電壓從初始電壓開始以相同的斜率線性增加，在經過不同的時間后，分別增加到限值后電壓達到穩定，保持水平趨勢。

2.2 開關電阻均衡法

開關電阻均衡策略的電路結構與穩壓管電壓均衡法相比稍顯復雜，各電容器的電壓從初始電壓開始以相同的斜率線性增加，在經過不同的時間后，分別增加到基準電壓值，隨后各電容的電壓非線性增加，最終穩定在電壓限值，保持水平趨勢。

2.3 直流-直流變換器法

圖1為直流-直流變化器法框圖。與前面不同，充電電流為500 A，單體電容額定電壓Un和容量C均為4 V/1000 F，各回路電感L均取10 μH，開關頻率f取20 kHz，占空比D=0.5，則各電容器電壓變化曲線如圖2所示。電容1和電容2電壓首先非線性增加，隨后近似線性變化增加到4 V達到穩定，而電容3和電容4的變化復雜，但最終穩定都在4 V。

3 改進型的直流-直流變換器均衡策略及實現

通過上述分析，給出了一種改進型的直流-直流變換器電壓均衡策略，將最后一個單體電容器改為向前面所有的電容器進行能量傳遞，有效避免了系統減少隔離變壓器而帶來的短路問題，其結構如圖3所示。從圖中可以看出，當最后的電容Cn的電壓超出電容C1時，Cn首先將能量傳遞至最近的電感，然后通過該電感將能量向C1-Cn-1整體傳遞。

針對上述均衡策略的電路結構如圖4所示。假設電容C4相連的開關管S4的占空比設置為0.8，則2 s后各單體電容兩端電壓變化波形如圖5所示。從圖中可以看出，該策略中各電容器充電相對獨立，沒有出現圖2中的各電容器混充的局面，具有很好的電壓均衡性，對于工程實際應用具有較高的可行性。

4 結語

對于普通的穩壓管電壓均衡法、開關電阻均衡法和直流-直流變換器法對超級電容系統來說各有不同的特點，可根據應用場合和需求選擇不同的方式。雖然簡化的直流-直流變換器法的系統結構更為復雜，但在充電過程中避免了各電容器混充的局面，具有很好的電壓均衡性，對于工程實際應用具有較高的可行性。

參考文獻

[1] Chlodnicki Z，Koczara W.Supercapacitor storage application for reduction drive negative impact on supply grid[J].Compatibility in Power Electronics，IEEE Transactions，2005（1）：78-84.

[2] Ortuzar M，Dixon J.Design construction and performance of a buck-boost converter for an ultracapacitor-based auxiliary energy system for electric vehicles[J].Industrial Electronics Society，2003，3（22）：2889-2894.

[3] 張慧妍.超級電容器直流儲能系統分析與控制技術的研究[D].北京：中國科學院電工研究所，2006.