超级电容储能电源开机均衡的实现及应用

(中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412001)

1 概述

有轨电车或无轨电车超级电容储能电源是由几百个超级电容单体串并联组成。储能电源内部一般是由模组串联组成，而模组是取6个或8个并联节进行串联。延长超级电容单体的使用寿命是延长储能电源的使用寿命的关键所在。

因超级电容单体漏电特性及容量的差异性，在储能电源应用中会产生各串联节间的电压差，日积月累，电压差会越来越大。串联节电压不一致，在充放电过程中就可能造成串联节电压过高而导致单体损坏，进而影响超级电容储能电源的使用寿命，电压均衡由此而来。

本文所论述的是电压均衡的一种模式，主要均衡控制参数是模组电压，致力于模组间的电压一致性均衡。因为此均衡模式作用时间集中在系统启动开机的前段，称之为开机均衡。

超级电容模组漏电参数(根本上是单体的参数)不一致导致的模组电压不一致，会增加超级电容储能电源在充放电过程中的均衡负担，而开机均衡的目的就是减轻这部分负担，在开机时即对储能电源内电压进行均衡，使之在进入储能电源充放电过程前尽量保持各模组电压一致性处于可接受的程度。

2 开机均衡原理

超级电容储能电源的每个模组配置一件电压均衡单元，用于模组电压的采集及均衡执行。配置一主控单元，用于收集所有模组电压并分析电压的一致性程度。如果一致性水平不满足条件，则对相应模组下发对应的开启均衡指令。网络上的电压均衡单元接到开机均衡指令后，对模组内各串联节的电压进行放电。开机均衡基本原理框图如图1所示。

3 具体实现

储能电源系统内配置模组数为x，设计在开机均衡过程中最大允许参与均衡的模组数为n(一般n

主控单元获取储能电源内所有电压均衡单元采集的模组电压数据，获取完有效的模组电压数据U1～Ux后，对U1～Ux进行从大到小排序，同时记录模组电压对应的电压均衡单元编号。判断所获取的所有模组电压最大压差是否大于设定阈值，如果满足该条件，则对高n个模组电压对应的电压均衡单元发送开机均衡指令，同时开启计时，在设定开机均衡时间内结束指令发送。如果所获取的所有模组电压最大压差不大于设定阈值，则不发送开机均衡指令，即认为模组电压一致性水平满足设计要求，不需启动开机均衡。开机均衡流程图如图2所示。在开机均衡指令发送过程中，主控单元实时判断所有模组电压最大压差与阈值的大小关系，当满足设计要求时，即关闭开机均衡，不再向均衡单元发送开机均衡指令。

图1 开机均衡基本原理框图

图2 开机均衡软件流程

4 工程应用

以马来西亚HMU项目储能电源为例，该项目储能电源共配置42个模组，选取开机均衡时间为10 min，参与开机均衡的模组数量为12，开机均衡阈值设置为50 mV，及模组电压最大差值不大于50 mV时，则关闭开机均衡。

选取HMU第1台储能电源作为测试对象，在应用开机均衡前，通过上位机获取模组电压并记录，之后主控单元和电压均衡单元增加开机均衡功能。在车辆试验1月后，再次通过上位机获取模组电压并记录。数据统计分析如图3和表1所示。

图3 HMU储能电源模组电压数据对比图

表1 储能电源模组电压数据分析

由图3及表1可见，该储能电源在应用开机均衡后，模组间最大压差从0.933 V降到了0.166 V，效果明显。

5 结语

本文设计了一种用于系统启动时的电压均衡方法-开机均衡，通过以上论述可知，开机均衡是一种耗电式的均衡，通过损耗高电压的模组能量而达到电压水平一致的目的，弥补了模组内电压均衡所带来的不足。

在实际应用过程中，所设计的开机均衡策略方法有效可行，在项目中应用效果良好，在其他项目研发设计中，可根据具体项目选用的超级电容单体及均衡单元部件参数的不同，设定合适的均衡时间；根据系统的模组配置及实际需求设定参与开机均衡的模组数量。