基于雙向DC/DC的超級電容均壓電路盛

王哲俊+胡鴻飛+盛禎

摘 要：超級電容功率密度大、循環壽命長及工作溫度范圍寬等優點使其成為近年來備受青睞的一種新型儲能裝置。針對由于制造誤差、自放電率等因素引起的電容器單體間電壓差異，文章研究一種雙向DC/DC均壓電路實現超級電容電壓均衡。均壓電路實時采集兩組電容器電壓值進行比例運算，通過算法控制達到均壓效果。基于MATLAB/Simulink搭建電路仿真模型，驗證該方法的可行性。

關鍵詞：超級電容；雙向DC/DC；均壓

中圖分類號：TM53 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）34-0017-02

1 概述

與其他儲能元件相比，超級電容具有功率密度大、循環壽命長、使用溫度范圍寬等優點，具有很好的發展前景。超級電容具有雙電層結構，單體電壓一般為2.5～3.0V，為滿足電壓等級要求必須對其串并聯使用。但由于制造誤差和制造水平等限制，超級電容器單體儲存能力不一，因此需采用均壓措施使超級電容器單體電壓保持一致。

目前存在的均壓電路主要分為能耗型和能量轉移型。能耗型均壓法電路簡單易實現，但能量浪費嚴重。能量轉移型均壓方法通過中間元件傳輸能量，使超級電容器單體電壓達到均衡，具有能耗低的優點，但其控制方法復雜，成本較高。

針對上述問題，本文研究一種基于雙向DC/DC的超級電容均壓電路，利用并聯于超級電容器單體間的電感實現能量傳輸，最后達到均壓目的。

2 雙向DC/DC均壓電路

2.1 工作原理

如圖1所示雙向DC/DC均壓電路，在兩個超級電容器SC1、SC2間并聯一個電感，通過兩側開關控制兩條支路的關斷與接通，實現能量傳輸，到達均壓效果。

當SC1電壓高于SC2電壓時，開關S1導通，S2關斷，SC1向電感L充電，電感電流升高，SC1電壓降低，充電一段時間后，斷開S1接通S2，電感L向SC2放電，此時電感電流降低，SC2電壓升高，放電一段時間再次開通S1關斷S2，如此循環。

當SC2電壓高于SC1電壓時，開關S2導通，S1關斷，SC2向電感L充電，電感電流升高，SC2電壓降低，電感充電一段時間后，斷開S2接通S1，電感L向SC1放電，此時電感電流降低，SC1電壓升高，放電一段時間再次開通S2關斷S1，如此重復，最后達到電壓平衡。

2.2 控制策略

通過對電感電流采用滯環調節來實現對電感充放電時間即開關頻率的控制。控制電路結構如圖2所示。

滯環邏輯控制將電感電流檢測值與已設定好的參考電流值進行比較，當電流檢測值小于設定值與1/2環寬之差時，開關管S導通，電感L充電。當電感電流檢測值上升到設定值與1/2環寬之和時，關斷開關管S，電感L開始放電。

3 仿真分析

3.1系統參數設置

據上述控制要求在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型。

兩組超級電容器均由20個單體電壓為2.7V，容量350F的超級電容器串聯組成，串聯后超級電容器組電壓均為54V，容量為17.5F。兩個MOSFET管的開關頻率設置為35kHz。電感容量取800μH，計算出針對超級電容器組C2的比例運算器值為0.0089。據上述參考數據進行仿真。

3.2 仿真結果分析

C1初始電壓為10V，C2初始電壓為8V時（狀態1）兩組電容器電壓波形圖如圖3所示。

由圖3可知，開始時C1電壓值不斷降低，C2電壓值不斷升高，在70s時兩者均達到9.2V左右，此后兩者電壓保持相等且不變。

C1初始電壓為8V，C2初始電壓為10V時（狀態2）兩組電容器電壓波形圖如圖4所示。

分析圖4可知，在仿真進程中，C2電壓值不斷降低，C1電壓值不斷升高，在70s時兩者電壓達到8.8V左右，此后兩者電壓保持均衡。

4 結束語

針對超級電容器均壓問題研究了一種雙向DC/DC均壓電路實現超級電容器電壓均衡。通過仿真模型來檢驗電路的均壓效果。最終的仿真結果表明在參數取值恰當的情況下，可在較短時間內通過儲能元件轉移超級電容器上的能量，實現相鄰電容器間的電壓均衡。

參考文獻：

[1]王恩峰，龔學余，陽璞瓊.一種串聯超級電容器組的均壓電路設計[J].電源學報，2015，38（5）：1048-1051.

[2]裴勉，譚新玉，石玉潔，等.一種新型低損耗超級電容器均壓策略[J].電氣開關，2015（4）：37-40.

[3]高志剛，高瀚，廖曉鐘.基于零電壓開關的超級電容均壓技術[J].高電壓技術，2016，42（10）：3321-3327.

[4]張曉立，張輝，蘇冰.基于Zatas的串聯超級電容電壓均衡技術[J].電力電子技術，2013，47（5）：79-80.

[5]Msatoshi uno，Koji tanaka. A Single-Switch Equalization Charger Using Multiple Stacked Buck-Boost[J].Electrical Engineering in Japan， 2013，182（3）：1203-1211.

[6]Weidong Ma. Voltage Equalization in Super Capacitors Series[J]. Mechatronics and Automatic Control Systems，2014：401-410.endprint