一种新型低损耗超级电容器均压策略

裴勉，谭新玉，石玉洁，毛远军

(1.新能源微电网湖北省协同创新中心(三峡大学)，湖北 宜昌 443002;2.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)



一种新型低损耗超级电容器均压策略

裴勉1,2，谭新玉1，石玉洁2，毛远军2

(1.新能源微电网湖北省协同创新中心(三峡大学)，湖北 宜昌 443002;2.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

大规模串联超级电容器组中电容单体电压不均是影响超级电容储能技术发展的一个重要因素，实现超级电容串联时电压均衡是有效提高电容容量利用率，使用寿命，提高储能系统的可靠性。讨论了目前超级电容器均压的一般方法，并且提出了一种均压的新思路，同时省略了复杂的检测电路，从而减小了均压电路的复杂性，且详尽的分析了均压电路的工作原理，并且通过仿真验证了方法的可行性。

超级电容;容量;均压;可行性

1 引言

近年来，国内外学者对电力储能技术给予了极大的关注，电力的存储与转换技术在电力系统中、可再生能源发电中起着重要作用。超级电容器储能作为一种新的储能器件发展迅速，相对于以往的储能技术，超级电容器具有功率密度高、循环寿命长、充放电时间短以及工作温度范围宽、重复充放电次数可达近10万次等优点，因此，在一些需要短时间、大功率的场合及新能源领域得到了广泛的应用。然而超级电容器的单体充电电压较低，一般仅为2.5～3V。所以在实际的应用中，一般需要多个超级电容器串联起来形成超级电容器组来满足用户的耐压需求[1-5]。

由于超级电容器的制造工艺、技术的局限性，同一型号规格的超级电容器在电压、内阻、容量等一系列的参数上存在差异，这将导致串联超级电容器在串联组合使用时会出现单体超级电容器工作电压不均衡的问题。容量比较小的超级电容器会出现过压的现象，这将会使超级电容器内部的电解质发生分解，最终严重影响器件的寿命，因此通过适合的均压电路控制超级电容器组中单体电压保持一致具有重要意义[6-8]。

2 影响因素

2.1 超级电容器容量差对电容器组的影响

电容器单体一般存在-10%～+30%的容量偏差，如果单体容量偏差较大时，容量小的单体很快就可以达到额定电压，进入浮充状态，而此时容量大的单体一般只能达到额定容量的69%。超级电容器单体电压与储能关系如式(1)、(2)。

(1)

(2)

则容量最大单体与最小单体储能关系如式(3)：

(3)

其中Emax为最大电容的储能，Cmin为电容器组中容量最小的单体，Ue为电容器单体额定电压，则电容器组的平均储能为:

(4)

根据公式(4)发现电容器组的平均储能小于全部由单体最小的电容器构成的电容器组的总能量，与标准容量电容储能相比为:

(5)

2.2 漏电流对超级电容器组的影响

超级电容器组主要用于电力储能，对出充电之后电能的保存能力主要由漏电流决定，电容器组经过长时间放置后，漏电流小的电容器保存的能量明显高于漏电流较大的电容器。放电过程中，漏电流大的先结束放电过程；充电过程中，漏电流小的首先结束充电过程。超级电容器的充放电能量如式(6)所示。

(6)

式中：ΔU电容器电压差值，C电容容量。

2.3 等效串联电阻(ESR)的影响

一般情况下，超级电容器的ESR相对较大，在反复充电后，ESR逐渐增大，增加了电容器之间的差别，在充放电过程中，ESR较大的单体首先达到充放电规定电压，这样ESR相对较小的充放电则不充分。

通过以上几点的分析，大规模超级电容器组串联使用时，必须考虑到均压问题。

3 各种电压均衡方法

目前在超级电容器储能系统中主要存在以下的几种均压方法[9-14]。

(1)并联电阻法均压方法

直接并联电阻均压方法是一种容易实现的方法。如图1(a)，给每一个超级电容并联均压电阻，可以根据充电电流与超级电容器的额定电压选择均压电阻的大小，方法简单且成本低廉，但是均压电阻的选取会影响到超级电容器的充电与均压速度，从而影响到整个超级电容器组的工作效率。同时，并联的均压电阻会消耗系统的能量，且容易温度升高，从而将给超级电容器组带来安全问题，降低了系统的稳定可靠性。

(2)稳压管电压均压方法

每个超级电容器并联一个稳压管，当电容器电压超过稳压管的击穿电压时，则充电电流会流过稳压管而不在给该电容器充电，此时电容器电压不在上升。如图1(b)，该方法电路结构简单，成本低廉，但是充电能量大量消耗在稳压管，产生能量的浪费。

(3)DC/DC变换法

此种方法是通过电力电子技术方法实现均压的，在相邻的超级电容器间用Buck/Boost变化器链接。通过比较相邻电容器的电压，将电压高的电容器中的能量通过DC/DC变换器转移到电压低的电容中。N个单体组成的超级电容器组需要N-1个DC/DC变换器，如图1(c)，此种方法能量损耗低、均压速度快充放电状态下都能实现均压，但是电路中增加了电力电子器件，控制电路复杂，成本增加。

(4)开关电容法

该方法的实质是通过一个普通电容来传递不同超级电容器之间的能量，使电压高的电容单体中的能量通过普通电容转移到电压低的电容单体中，如图1(d)，在相邻的超级电容器之间放置一个普通电容，普通电容与超级电容器之间采用。

针对上述各种方法存在的问题，提出一种利用均压电阻与普通电容联合均压的方法，使超级电容器在能量转移动态过程中实现均压，该方法结构简单均压速度快，通过仿真分析验证了该方法的有效性与可行性。

4 工作原理

电压均衡电路的拓扑结构如图2，电路由超级电容器C1、C2、C3、电压源U、开关(S1，S2)、普通均压电容Ceq1、Ceq2、Ceq3组成。电路工作主要工作在两种状态。状态1，当开关S1断开、S2闭合，电源U均匀向超级电容器充电，电阻R在充电过程中起均压作用；状态2，当开关S1闭合、S2断开，电容Ceq1、Ceq2、Ceq3对超级电容器均压。开关S1、S2空中状态1与状态2之间的切换，为了控制单元在控制周期内有效的采集、处理信息，同时使开关管功率损耗相对较低选取开关频率2kHz，开关管触发脉冲占空比为50%，在开关切换过程中留有一定死区时间以防止电路短路。

图1 传统电压均衡电路

图2 均压电路拓扑结构

图3 均压电路工作等效图

(1)状态1如图3(a)所示。

此时，C1、C2、C3、Req1、Req2、Req3、Ceq1、Ceq2、Ceq3对应的电压分别为V1、V2、V3、Vr1、Vr2、Vr3、Veq1、Veq2、Veq3，如图可得下列关系：

Vr1=V1，Vr2=V2，Vr3=V3

(7)

Veq1=Veq2=Veq3

(8)

Vr1=Vr2=Vr3

(9)

由(7)、(9)得

V1=V2=V3

(2)状态2如图3(b)所示

此时，电路中各元件电压为

Vr1=Vr2=Vr3

V1=Veq1，V2=Veq2，V3=Veq3

(10)

由(8)、(10)得

V1=V2=V3

重复状态1与状态2之间的切换，超级电容器个体可以达到均压效果，一般根据超级电容器理想等效模型，较高的ESR使电荷传输变慢，而影响充放电速度的一致性，状态1时增大了并联电阻提高了充放电速度的一致性。在状态2时利用串联等效电容器均压，大大减少了并联电阻的能量消耗。状态1与状态2反复切换不但提高了充放电速度的一致性，而且大大减少了直接并联电阻的能量消耗。

5 仿真分析

为了分析上述方法电压均衡效果，利用MATLAB/Simulink仿真软件对3只超级电容器模块的充电过程进行仿真分析。串联超级电容器模块组初始条件，为了提高仿真速度，设3只超级电容器模块C1、C2、C3的容量和初始电压分别为9F/0V、11F/0V、13F/0V，电源电压11V。图(5)～(6)分别表示在充电状态下，无均压电路与有均压电路时电容C1、C2、C3三只超级电容器电压变化曲线，根据图(5)与图(6)得到电压统计数据表。

图4 无均压电路电容充电电压变化曲线

图5 有均压电路电容充电电压变化曲线

从图(4)发现，三只超级电容器串联充电过程中由于电容器容量的差别造成了充电曲线相差较大，稳定后彼此稳定电压不等。而启动均压电路后的充电过程后，观察图(5)电压曲线变化。电容单体C1、C2、C3电压迅速上升，1s后C1电容电压较高，C1此时开始释放能量，电容电压开始收敛，3.5s后电容电压差逐渐缩小到误差范围内，电压值趋于相等图(6)给出了电容充电过程中的电流波形，0s是由于电容无能量，所以充电瞬间充电电流很大，随着能量的不断增加，充电电流变小，在1s时C1基本充满，电压稳定，而C2、C3继续充电电压低于C1，所以C1释放能量，3.5s后由于电容电压趋于相等，充电电流趋于0A，仿真的结果表明，本文提出的均压方法，均压速度快，且达到了很好的均压效果，系统的性能得到一定的提高。

图6 有均压电容充电电流

6 结论

大规模超级电容器串联过程中各电容器单元的电压不均衡对超级电容器组的性能和可靠性造成较大的影响。若引入均压电路后，对电容器组的使用寿命及其稳定性都将得到提高。本文提出了一种新型的超级电容器串联过程中单体均压模型，并分析了该方法的原理，其最大的优点是不需要电压检测电路和电压比较电路，且电荷的转移并不通过超级电容，只需在均压电容中实现电荷的转移，为了确保均压效果以及均压速度，我们同时配合了普通的电阻均压电路，通过双向开关在均压电容与均压电阻间切换，降低了均压电路的复杂性，相对于传统的电阻均压电路也提高了工作效率且减少了能量消耗，此种电路模型在3.5s左右实现均压，因此该模型电路在电力储能系统中具有一定的应用前景。

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A New Kind of Voltage Sharing strategy of a Low Loss Supercapacitor

PEIMian1,2，TANXin-yu1，SHIYu-jie2，MAOYuan-jun2

(1.Hubei Provincial Collaborative Innovation Center for New Energy Microgrid，China Three Gorges University，Yichang 443002，China;2.College of Electrical Engineering & New Energy，China Three Gorges University，Yichang 443002,China)

A lot of cell to cell voltage imbalance of supercapacitors is one of main reasons for impeding the development of supercapacitors energy storage application,and voltage equalization can increase availability of supercapacitors capacity,prolong the lifetime of supercapacitor and improve the reliability of the energy storage system.this paper discussed several voltage balancing methods,and proposed a novel voltage imbalance idea,the idea has no voltage detection circuit,which significantly reduces the complexity of the systeam.Base on analyzing the operation principle of the voltage equilibrium circuit,and accreditation feasibility through simulation.

supercapacitor；capacity；voltage sharing；feasibility

1004-289X(2015)04-0037-04

TM53

B

2014-12-19

裴勉(1987.10-)，辽宁沈阳人，三峡大学在读研究生，研究领域：微电网储能技术。