超級電容器電壓均衡技術(shù)研究

羅敏　宋艷春　賀辛樂

【摘 要】目前，超級電容器以其優(yōu)異的充放電性能、高效率以及較長的循環(huán)壽命等優(yōu)勢在軌道交通等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在節(jié)能儲能等領(lǐng)域做出較大貢獻(xiàn)，但在應(yīng)用過程中，容量等的差異易影響到組合電容器電壓均衡性能。文章從電容量、內(nèi)阻以及漏電流角度分析了造成電壓不均衡的主要因素，并介紹了傳統(tǒng)電壓均衡方案，針對存在的問題提出了改進(jìn)的超級電容器電壓均衡技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】超級電容器；均衡；技術(shù)

0 引言

超級電容器作為一類新型儲能元器件，是通過雙電層的儲能方式實現(xiàn)電能的儲存，具有安全環(huán)保、動態(tài)響應(yīng)性能較優(yōu)、壽命長的優(yōu)勢，現(xiàn)階段在新能源汽車、分布式能源系統(tǒng)、工業(yè)節(jié)能等領(lǐng)域有了較快的發(fā)展。然而，在發(fā)展過程中也暴露出其缺陷，即單體電壓較低的問題。在實際應(yīng)用中超級電容器往往以儲能模塊的方式出現(xiàn)，在多個電容器并聯(lián)過程中，由于無法保證各單體電容器的內(nèi)部參數(shù)（內(nèi)阻及電容值等）完全一致，常出現(xiàn)工作電壓不均衡的問題，對于系統(tǒng)整體的供儲電特性及可靠性造成一定的影響。因此，本文主要對于超級電容器電壓均衡技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)化探討。電容器電壓均衡的常用方法包括開關(guān)電阻法、穩(wěn)壓管法、變換器法等，由于上述方法在實際應(yīng)用中均存在一定的局限性，如電壓均衡精度低、控制系統(tǒng)復(fù)雜等，因此，文章在系統(tǒng)化分析的基礎(chǔ)上，通過對傳統(tǒng)電壓均衡方式的系統(tǒng)化分析，提出了改進(jìn)的超級電容器電壓均衡技術(shù)。

1 造成電壓不均衡的主要因素

1.1 電容量不同

在實際應(yīng)用中，各單體電容器電容量的差異會對電容器端電壓的升降速率產(chǎn)生影響，導(dǎo)致電容過充或過放，影響其使用壽命及穩(wěn)定性。在超級電容器中，其各參量存在以下的對應(yīng)關(guān)系：

式中，I、U、Q、W分別為超級電容器的電流、電壓、電量以及存儲能量。

由上式可發(fā)現(xiàn)，在恒流充電情況下，超級電容器模塊中各單體電容器電容量的差異將導(dǎo)致端電壓變化率的差異，并進(jìn)一步導(dǎo)致各單體儲存能量的差異。實際生產(chǎn)中由于電容器制作工藝復(fù)雜，因此各單體間電容量參數(shù)很難保證一致，一般偏差在±20%，計算得出串聯(lián)段電容變化比值為1.5左右，單體充電量的差異約為5：3，造成儲能裝置性能下降以及較大的能源浪費。

1.2 等效串聯(lián)內(nèi)阻（ESR）

超級電容器存在內(nèi)阻，可等效為并聯(lián)及串聯(lián)內(nèi)阻（ESR），在多次充放電后其ESR與傳統(tǒng)電容器間的差異逐漸增大，因此在充放電過程中，等效串聯(lián)內(nèi)阻值的大小直接影響電容端的電壓分布情況，影響正常的儲能性能。

1.3 漏電流

超級電容器存在并聯(lián)內(nèi)阻，因此會產(chǎn)生自放電效應(yīng)，存在漏電流，漏電流的大小反映著電容器端電壓的差異，漏電流大的電容器其放電過程較快，而漏電流小的電容器其充電過程較快。

因此，各單體電容器間參數(shù)的差異，將直接影響端電壓的均衡性，影響對電能的存儲，且在電壓不均衡的情況下工作時，由于電解液對電壓較敏感，將導(dǎo)致電解液的分解，進(jìn)而使電容量下降，內(nèi)阻增加，影響電容器的使用壽命及安全可靠性能。

2 傳統(tǒng)電壓均衡方案

在超級電容器的規(guī)模集成推廣應(yīng)用過程中，為保證較好的工作性能及運行可靠性，需維持電容器單體電壓的均衡性，在此方面有過不同的嘗試，但需依據(jù)具體應(yīng)用場合進(jìn)行合理選用，以最大限度發(fā)揮電容器模組的儲能優(yōu)勢。

最常用的方法為利用并聯(lián)電阻或穩(wěn)壓管對電壓進(jìn)行均衡處理，其中使用并聯(lián)穩(wěn)壓管進(jìn)行穩(wěn)壓處理的方式具有更小的耗能，因此應(yīng)用較廣泛。

在并聯(lián)穩(wěn)壓管均衡電壓法中，穩(wěn)壓管與單體電容器的額定電壓一致，在超級電容器充電過程中，各單體端電壓逐漸升高，達(dá)到其額定電壓時擊穿穩(wěn)壓管，可實現(xiàn)斷電，在各電容器充電完畢后，最終均達(dá)到均衡狀態(tài)。因此，本方法具有結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)簡單、造價低的優(yōu)勢，但存在較大的能量消耗：達(dá)到其額定電壓后，充電電流經(jīng)由穩(wěn)壓管進(jìn)行耗散，且電壓均衡時間較長。

3 改進(jìn)的超級電容器電壓均衡技術(shù)

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

從降低均壓系統(tǒng)能耗、提升效率的角度提出改進(jìn)的超級電容器電壓均衡技術(shù)。基于電壓倍增器的均衡技術(shù)中，其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括輸入電池及電壓倍增器兩部分，其中輸入部分可產(chǎn)生變幅值方波，可通過BOOST等各類變換器實現(xiàn)；而在倍增器電路中，可通過多個等電壓輸出完成對超級電容器的充電，達(dá)到電壓均衡的目的。此外，輸入電池亦可選用升壓斬波電路，結(jié)合了充電機(jī)均衡電路，可省略單體電壓檢測系統(tǒng)，在簡化電路結(jié)構(gòu)的同時，可實現(xiàn)較高的均壓精度，偏差約為5mV。基于軟開關(guān)技術(shù)提出的由串聯(lián)諧振逆變器與電壓增倍器組成的超級電容器組均壓電路，可省略額外的反饋控制電路，通過開關(guān)管的動作實現(xiàn)電壓均衡，均壓速度較快。

3.2 仿真與試驗

對于上述超級電容器均壓技術(shù)進(jìn)行了仿真，采用理想的脈沖信號模擬電壓倍增器的充電過程，超級電容器初始電壓分別為2/2.3/2.5V，simulink仿真參數(shù)如表 1 所示。

仿真結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，各電容器的平均電壓偏差率均在3%以內(nèi)，因此均壓精度較高。但由于單體電壓較小，均壓速度較慢，可通過增大輸入電壓，同時改變 MOSFET 開關(guān)管的開關(guān)頻率解決，以控制充電電流，達(dá)最大電壓后切換電源，直至額定電壓值。

4 結(jié)語

超級電容器在新能源汽車、分布式能源系統(tǒng)、工業(yè)節(jié)能等領(lǐng)域應(yīng)用較廣。但單體電壓較低常出現(xiàn)工作電壓不均衡的問題，影響系統(tǒng)可靠性，因此探索超級電容器電壓均衡技術(shù)是十分必要的。文章提出了改進(jìn)的超級電容器電壓均衡技術(shù)，并進(jìn)行相關(guān)模擬及實驗論證。

【參考文獻(xiàn)】

[1]趙洋，梁海泉，張逸成.電化學(xué)超級電容建模研究現(xiàn)狀與展望[J].電工技術(shù)學(xué)報，2012，27（3）：187-195.endprint