新型超级电容组能量管理系统

（电子科技大学 微电子与固体电子学院，四川 成都 610054）

超级电容器是一种介于传统电容器和充电电池之间的新型储能器件，具有功率密度高、充放电速度快、使用寿命长、工作温度范围宽、低温性能好等优点，被广泛应用于电动汽车[1]、机车启动及制动能量回收系统[2]、电力电网[3]及可再生能源系统[4]等领域。

由于超级电容器单体工作电压普遍较低(一般为 1～3 V[5])。因此在实际应用中需要将多个单体串联使用，以满足不同的电压需求。但因制造工艺的差别，单个超级电容内部参数往往存在差异性，即使在多个单体电容串联前进行过参数的一致性筛选，其偏差也很难消除。在充放电过程中，直接进行串联使用，容易发生个别单体过充或过放的情况，使能量不能充分利用且损害超级电容器的使用寿命。电压均衡系统能有效防止因单体参数的离散性而导致的单体电压不一致的情况，最大限度地保证串联电容组的能量利用率和使用寿命，是串联超级电容组在实际应用中必不可少的模块。

现有的超级电容组均衡电路主要有两类：一类是能量消耗型，常见的是稳压管型和开关电阻型，这两种电路结构简单、成本低，但却存在能量浪费、效率低的缺点[6-8]；另一类是能量转移型，主要包括开关电容法[9]、Buck/Boost变换器法[10-11]、带隔离变压器的 DC-DC变换器[12]和单飞渡电容法[13]等。其中，开关电容的均衡速度取决于所有串联超级电容的均衡速度。故当相邻电容压差很小时，会导致整个电容组均衡速度下降[14]；Buck/Boost变换器中开关管和电感较多，当串联单体较多时，由于能量的逐级流动，会导致均衡速度下降，并增加能量损耗[15]；带隔离变压器的DC-DC变换存在磁路复杂、体积较大的问题[16]；单飞渡电容法可以直接将能量从最高单体转移到最低单体，均衡速度只取决于超级电容组中最大压差，但中间飞渡电容与储能单体相比容量有限，导致均衡时间较长，且能量经过中间飞渡电容也会有一定的损耗[17]。

本文提出了一种串联超级电容组电压均衡方法。电压采集模块实时监测各单体超容的电压并将采集的电压数据传输给主控制器 FPGA；经主控器分析处理后，选出某一时刻电压最大和最小的超级电容单体，并控制开关网络做出相应的关断或导通，使电压最大和最小的电容单体直接相连，能量直接从高电压单体流向低电压单体。均衡过程不需要其他中间暂存器件，有效减少了器件数量和能量损失，结构更简单，易于实现模块化。仿真和实际测试效果良好，进一步验证了该方案的可行性。

1 均衡电路的开关网络和均衡策略

1.1 开关网络

开关网络是均衡电路进行能量转移的核心单元，其原理图如图1所示。开关网络由超级电容单体(SC1，SC2，…SCn-1，SCn)，正/负极开关(第一正极开关 S11，第一负极开关 S12，第二正极开关S21，第二负极开关S22，第(n-1)正极开关S(n-1)1，第(n-1)负极开关S(n-1)2，第n正极开关Sn1，第n负极开关Sn2)和串联开关(第一串联开关S1，第二串联开关S2，…第(n-1)串联开关S(n-1))组成。其中正/负极开关和串联开关都为双向开关，即由一对带续流二极管的n-MOSFET反向串联(第一个n-MOSFE开关的源极与第二个n-MOSFET开关的源极相连，且两者栅极接在一起)构成的开关，目的是防止n-MOSFET通过续流二极管导通。超级电容单体SC1对应的正/负极开关分别为第一正极开关S11和第一负极开关S12，超级电容SC2所对应的正/负极开关分别为第二正极开关 S21和第二负极开关 S22，超级电容SCn对应的正/负极开关分别为第n正极开关Sn1和第n负极开关Sn2。同一超级电容对应的正/负极开关有相同的控制时序，即它们同时开通或关断。均衡开始前，所有正/负极开关都处于关断状态，所有串联开关都处于开通状态，以保证超级电容组能正常地充放电。

图1 开关网络原理图Fig.1 Schematic of switch network

1.2 均衡策略分析

电压均衡电路如图2所示，均衡电路包括超级电容组模块、电压采集模块、主控制器FPGA模块和开关网络模块。均衡过程分为两个阶段：1)检测阶段。电压采集模块将检测到的超级电容组中各单体电压数据送入主控制器模块。主控制器对送入的电压数据进行处理比较并按大小排序，找出其中电压最大和最小的超级电容，2)均衡阶段。主控器向开关网络发送均衡控制信号，断开原本处于电压最大单体和电压最小单体之间的任意一个串联开关，闭合电压最大单体和电压最小单体对应的正/负极开关。此时电压最大和电压最小的超级电容被连接起来，能量从高电压单体向低电压单体转移，经过一段时间后(0.5 ms)又闭合之前断开的串联开关，断开之前闭合的正/负极开关。经过多次开通与关断，最终使两者电压趋于一致。重复上述两个阶段，最终实现各个单体电压的均衡。在上述均衡过程中，主控制器发送给开关模块的均衡控制信号是占空比为0.5，工作频率为1 kHz的方波。

图2 电压均衡电路Fig.2 Voltage balancing circuit

均衡时能量转移过程如图3所示，假设超级电容单体SC1电压最大，超级电容单体SC3电压最小，则主控器会发出控制信号到开关网络，使开关S11，S12，S31，S32导通，S21，S22保持关断，同时断开第一串联开关S1或第二串联开关S2；此时SC1和SC3相连，电压高的SC1相当于电源给SC3充电，电流从SC1流到SC3，两者之间的压差逐渐减小。重复开关动作，最终实现电压的均衡。能量转移的等效图如图4所示。

图3 能量转移过程Fig.3 The energy transfer process

图4 能量转移等效图Fig.4 Equivalent circuit of energy transfer

2 仿真验证

利用PSIM软件对3个串联的超级电容进行仿真验证。表1给出了3个超级电容单体的初始电压和电容值，可以看到开始时超级电容组最大压差达到0.8 V。

表1 超级电容初始电压和电容值参Tab.1 Initial voltage and capacitance

开关网络中的各串联开关、正极开关、负极开关的导通电阻设置为13 mΩ，主控器发出的控制信号是占空比为0.5，频率为1 kHz的方波。均衡开始前所有正极开关、负极开关都处于关断状态，所有串联开关都处于开通状态。充电电流大小设为20 A，额定电压为3 V。图5给出了按照上述参数设置进行仿真的结果。可以看到，SC1电压上升慢于 SC3，因为均衡开始时，SC1的能量会向SC3转移，大约在第35 s时，SC1和SC3同时达到额定电压限，充电停止。此时SC2电压约为2.86 V。在停止充电后，均衡一直进行着，最终三者的电压会逐渐趋于一致。

图5 仿真结果Fig.5 The simulation result

3 实验测试

对提出的超级电容电压均衡电路刻板、焊接、调试并进行实际测试。调试好的系统如图6所示。表2给出了开关网络模块的元器件参数。实际测试中使用5个（400 F/2.7 V）超级电容单体串联来进行均衡验证。充电电流为2 A的恒流源，限压2.7 V。超级电容SC1，SC2，SC3，SC4，SC5的初始电压分别为0.4，0.7，0.65，0.81，0.42 V，最大电压差为0.41 V。实验测试时间都为10 min，测试中每隔30 s对各单体电压采样一次。

图6 超级电容均衡系统Fig.6 Photo of the super-capacitor voltage equalization system

表2 元器件参数Tab.2 Component parameter

图7显示了充电均衡的实际测试结果，其中图7(a)表示未启动均衡系统的结果。该情况下，超级电容组的最大电压差从最开始的0.41 V逐渐增大到最后的0.55 V。这在实际使用中很容易导致超级电容出现过充或者过放的情况。图7(b)表示启动均衡系统后的结果，在启动均衡系统后超级电容组的最大电压差逐渐降低，从最初的0.41 V变为最后的0.2 V，且任意两个单体间的压差都趋于减小的状态。超级电容组各单体电压的一致性有比较显著的改善。

4 结论

图7 五个超容串联的测试结果Fig.7 Test results of five supercapacitors in series

本文针对串联超级电容组存在电压分配不均，容易出现过充、过放的情况提出了一种新的电压均衡方法。该方法特点在于均衡时能量转移不需要通过中间暂存器件，而是直接从电压最高单体流向电压最低单体。通过主控器FPGA接收并处理各单体电容电压信号，控制开关网络做出相应动作，使电压最高和最低单体直接相连，能量从电压高的单体流向电压低的单体，最终实现模块电压均衡。分析了该方法的均衡原理，通过软件仿真和实际测试的结果进一步证明所提出均衡方法的可行性。实验结果表明：该均衡系统均衡速度较快，结构简单，易于模块化，展现出较高的应用价值。虽然该系统在超级电容浮置及充电状态都有较好均衡效果，但不适用于放电过程，该缺点还有待进一步改进。

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