超級電容器電壓均衡技術研究

羅敏　宋艷春　賀辛樂

【摘 要】目前，超級電容器以其優異的充放電性能、高效率以及較長的循環壽命等優勢在軌道交通等領域得到了廣泛的應用，在節能儲能等領域做出較大貢獻，但在應用過程中，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，并介紹了傳統電壓均衡方案，針對存在的問題提出了改進的超級電容器電壓均衡技術。

【關鍵詞】超級電容器；均衡；技術

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電能的儲存，具有安全環保、動態響應性能較優、壽命長的優勢，現階段在新能源汽車、分布式能源系統、工業節能等領域有了較快的發展。然而，在發展過程中也暴露出其缺陷，即單體電壓較低的問題。在實際應用中超級電容器往往以儲能模塊的方式出現，在多個電容器并聯過程中，由于無法保證各單體電容器的內部參數（內阻及電容值等）完全一致，常出現工作電壓不均衡的問題，對于系統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進行系統化探討。電容器電壓均衡的常用方法包括開關電阻法、穩壓管法、變換器法等，由于上述方法在實際應用中均存在一定的局限性，如電壓均衡精度低、控制系統復雜等，因此，文章在系統化分析的基礎上，通過對傳統電壓均衡方式的系統化分析，提出了改進的超級電容器電壓均衡技術。

1 造成電壓不均衡的主要因素

1.1 電容量不同

在實際應用中，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生影響，導致電容過充或過放，影響其使用壽命及穩定性。在超級電容器中，其各參量存在以下的對應關系：

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。

由上式可發現，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致端電壓變化率的差異，并進一步導致各單體儲存能量的差異。實際生產中由于電容器制作工藝復雜，因此各單體間電容量參數很難保證一致，一般偏差在±20%，計算得出串聯段電容變化比值為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 等效串聯內阻（ESR）

超級電容器存在內阻，可等效為并聯及串聯內阻（ESR），在多次充放電后其ESR與傳統電容器間的差異逐漸增大，因此在充放電過程中，等效串聯內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內阻，因此會產生自放電效應，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，將導致電解液的分解，進而使電容量下降，內阻增加，影響電容器的使用壽命及安全可靠性能。

2 傳統電壓均衡方案

在超級電容器的規模集成推廣應用過程中，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，但需依據具體應用場合進行合理選用，以最大限度發揮電容器模組的儲能優勢。

最常用的方法為利用并聯電阻或穩壓管對電壓進行均衡處理，其中使用并聯穩壓管進行穩壓處理的方式具有更小的耗能，因此應用較廣泛。

在并聯穩壓管均衡電壓法中，穩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，達到其額定電壓時擊穿穩壓管，可實現斷電，在各電容器充電完畢后，最終均達到均衡狀態。因此，本方法具有結構及控制系統簡單、造價低的優勢，但存在較大的能量消耗：達到其額定電壓后，充電電流經由穩壓管進行耗散，且電壓均衡時間較長。

3 改進的超級電容器電壓均衡技術

3.1 關鍵技術

從降低均壓系統能耗、提升效率的角度提出改進的超級電容器電壓均衡技術。基于電壓倍增器的均衡技術中，其電路拓撲結構包括輸入電池及電壓倍增器兩部分，其中輸入部分可產生變幅值方波，可通過BOOST等各類變換器實現；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，結合了充電機均衡電路，可省略單體電壓檢測系統，在簡化電路結構的同時，可實現較高的均壓精度，偏差約為5mV。基于軟開關技術提出的由串聯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，通過開關管的動作實現電壓均衡，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進行了仿真，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仿真參數如表 1 所示。

仿真結果可發現，各電容器的平均電壓偏差率均在3%以內，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 開關管的開關頻率解決，以控制充電電流，達最大電壓后切換電源，直至額定電壓值。

4 結語

超級電容器在新能源汽車、分布式能源系統、工業節能等領域應用較廣。但單體電壓較低常出現工作電壓不均衡的問題，影響系統可靠性，因此探索超級電容器電壓均衡技術是十分必要的。文章提出了改進的超級電容器電壓均衡技術，并進行相關模擬及實驗論證。

【參考文獻】

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