一種新型低損耗超級電容器均壓策略

裴勉，譚新玉，石玉潔，毛遠(yuǎn)軍

(1.新能源微電網(wǎng)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心(三峽大學(xué))，湖北 宜昌 443002;2.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

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一種新型低損耗超級電容器均壓策略

裴勉1,2，譚新玉1，石玉潔2，毛遠(yuǎn)軍2

(1.新能源微電網(wǎng)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心(三峽大學(xué))，湖北 宜昌 443002;2.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

大規(guī)模串聯(lián)超級電容器組中電容單體電壓不均是影響超級電容儲能技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要因素，實(shí)現(xiàn)超級電容串聯(lián)時(shí)電壓均衡是有效提高電容容量利用率，使用壽命，提高儲能系統(tǒng)的可靠性。討論了目前超級電容器均壓的一般方法，并且提出了一種均壓的新思路，同時(shí)省略了復(fù)雜的檢測電路，從而減小了均壓電路的復(fù)雜性，且詳盡的分析了均壓電路的工作原理，并且通過仿真驗(yàn)證了方法的可行性。

超級電容;容量;均壓;可行性

1 引言

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對電力儲能技術(shù)給予了極大的關(guān)注，電力的存儲與轉(zhuǎn)換技術(shù)在電力系統(tǒng)中、可再生能源發(fā)電中起著重要作用。超級電容器儲能作為一種新的儲能器件發(fā)展迅速，相對于以往的儲能技術(shù)，超級電容器具有功率密度高、循環(huán)壽命長、充放電時(shí)間短以及工作溫度范圍寬、重復(fù)充放電次數(shù)可達(dá)近10萬次等優(yōu)點(diǎn)，因此，在一些需要短時(shí)間、大功率的場合及新能源領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而超級電容器的單體充電電壓較低，一般僅為2.5～3V。所以在實(shí)際的應(yīng)用中，一般需要多個(gè)超級電容器串聯(lián)起來形成超級電容器組來滿足用戶的耐壓需求[1-5]。

由于超級電容器的制造工藝、技術(shù)的局限性，同一型號規(guī)格的超級電容器在電壓、內(nèi)阻、容量等一系列的參數(shù)上存在差異，這將導(dǎo)致串聯(lián)超級電容器在串聯(lián)組合使用時(shí)會出現(xiàn)單體超級電容器工作電壓不均衡的問題。容量比較小的超級電容器會出現(xiàn)過壓的現(xiàn)象，這將會使超級電容器內(nèi)部的電解質(zhì)發(fā)生分解，最終嚴(yán)重影響器件的壽命，因此通過適合的均壓電路控制超級電容器組中單體電壓保持一致具有重要意義[6-8]。

2 影響因素

2.1 超級電容器容量差對電容器組的影響

電容器單體一般存在-10%～+30%的容量偏差，如果單體容量偏差較大時(shí)，容量小的單體很快就可以達(dá)到額定電壓，進(jìn)入浮充狀態(tài)，而此時(shí)容量大的單體一般只能達(dá)到額定容量的69%。超級電容器單體電壓與儲能關(guān)系如式(1)、(2)。

(1)

(2)

則容量最大單體與最小單體儲能關(guān)系如式(3)：

(3)

其中Emax為最大電容的儲能，Cmin為電容器組中容量最小的單體，Ue為電容器單體額定電壓，則電容器組的平均儲能為:

(4)

根據(jù)公式(4)發(fā)現(xiàn)電容器組的平均儲能小于全部由單體最小的電容器構(gòu)成的電容器組的總能量，與標(biāo)準(zhǔn)容量電容儲能相比為:

(5)

2.2 漏電流對超級電容器組的影響

超級電容器組主要用于電力儲能，對出充電之后電能的保存能力主要由漏電流決定，電容器組經(jīng)過長時(shí)間放置后，漏電流小的電容器保存的能量明顯高于漏電流較大的電容器。放電過程中，漏電流大的先結(jié)束放電過程；充電過程中，漏電流小的首先結(jié)束充電過程。超級電容器的充放電能量如式(6)所示。

(6)

式中：ΔU電容器電壓差值，C電容容量。

2.3 等效串聯(lián)電阻(ESR)的影響

一般情況下，超級電容器的ESR相對較大，在反復(fù)充電后，ESR逐漸增大，增加了電容器之間的差別，在充放電過程中，ESR較大的單體首先達(dá)到充放電規(guī)定電壓，這樣ESR相對較小的充放電則不充分。

通過以上幾點(diǎn)的分析，大規(guī)模超級電容器組串聯(lián)使用時(shí)，必須考慮到均壓問題。

3 各種電壓均衡方法

目前在超級電容器儲能系統(tǒng)中主要存在以下的幾種均壓方法[9-14]。

(1)并聯(lián)電阻法均壓方法

直接并聯(lián)電阻均壓方法是一種容易實(shí)現(xiàn)的方法。如圖1(a)，給每一個(gè)超級電容并聯(lián)均壓電阻，可以根據(jù)充電電流與超級電容器的額定電壓選擇均壓電阻的大小，方法簡單且成本低廉，但是均壓電阻的選取會影響到超級電容器的充電與均壓速度，從而影響到整個(gè)超級電容器組的工作效率。同時(shí)，并聯(lián)的均壓電阻會消耗系統(tǒng)的能量，且容易溫度升高，從而將給超級電容器組帶來安全問題，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性。

(2)穩(wěn)壓管電壓均壓方法

每個(gè)超級電容器并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓管，當(dāng)電容器電壓超過穩(wěn)壓管的擊穿電壓時(shí)，則充電電流會流過穩(wěn)壓管而不在給該電容器充電，此時(shí)電容器電壓不在上升。如圖1(b)，該方法電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，但是充電能量大量消耗在穩(wěn)壓管，產(chǎn)生能量的浪費(fèi)。

(3)DC/DC變換法

此種方法是通過電力電子技術(shù)方法實(shí)現(xiàn)均壓的，在相鄰的超級電容器間用Buck/Boost變化器鏈接。通過比較相鄰電容器的電壓，將電壓高的電容器中的能量通過DC/DC變換器轉(zhuǎn)移到電壓低的電容中。N個(gè)單體組成的超級電容器組需要N-1個(gè)DC/DC變換器，如圖1(c)，此種方法能量損耗低、均壓速度快充放電狀態(tài)下都能實(shí)現(xiàn)均壓，但是電路中增加了電力電子器件，控制電路復(fù)雜，成本增加。

(4)開關(guān)電容法

該方法的實(shí)質(zhì)是通過一個(gè)普通電容來傳遞不同超級電容器之間的能量，使電壓高的電容單體中的能量通過普通電容轉(zhuǎn)移到電壓低的電容單體中，如圖1(d)，在相鄰的超級電容器之間放置一個(gè)普通電容，普通電容與超級電容器之間采用。

針對上述各種方法存在的問題，提出一種利用均壓電阻與普通電容聯(lián)合均壓的方法，使超級電容器在能量轉(zhuǎn)移動態(tài)過程中實(shí)現(xiàn)均壓，該方法結(jié)構(gòu)簡單均壓速度快，通過仿真分析驗(yàn)證了該方法的有效性與可行性。

4 工作原理

電壓均衡電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2，電路由超級電容器C1、C2、C3、電壓源U、開關(guān)(S1，S2)、普通均壓電容Ceq1、Ceq2、Ceq3組成。電路工作主要工作在兩種狀態(tài)。狀態(tài)1，當(dāng)開關(guān)S1斷開、S2閉合，電源U均勻向超級電容器充電，電阻R在充電過程中起均壓作用；狀態(tài)2，當(dāng)開關(guān)S1閉合、S2斷開，電容Ceq1、Ceq2、Ceq3對超級電容器均壓。開關(guān)S1、S2空中狀態(tài)1與狀態(tài)2之間的切換，為了控制單元在控制周期內(nèi)有效的采集、處理信息，同時(shí)使開關(guān)管功率損耗相對較低選取開關(guān)頻率2kHz，開關(guān)管觸發(fā)脈沖占空比為50%，在開關(guān)切換過程中留有一定死區(qū)時(shí)間以防止電路短路。

圖1 傳統(tǒng)電壓均衡電路

圖2 均壓電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 均壓電路工作等效圖

(1)狀態(tài)1如圖3(a)所示。

此時(shí)，C1、C2、C3、Req1、Req2、Req3、Ceq1、Ceq2、Ceq3對應(yīng)的電壓分別為V1、V2、V3、Vr1、Vr2、Vr3、Veq1、Veq2、Veq3，如圖可得下列關(guān)系：

Vr1=V1，Vr2=V2，Vr3=V3

(7)

Veq1=Veq2=Veq3

(8)

Vr1=Vr2=Vr3

(9)

由(7)、(9)得

V1=V2=V3

(2)狀態(tài)2如圖3(b)所示

此時(shí)，電路中各元件電壓為

Vr1=Vr2=Vr3

V1=Veq1，V2=Veq2，V3=Veq3

(10)

由(8)、(10)得

V1=V2=V3

重復(fù)狀態(tài)1與狀態(tài)2之間的切換，超級電容器個(gè)體可以達(dá)到均壓效果，一般根據(jù)超級電容器理想等效模型，較高的ESR使電荷傳輸變慢，而影響充放電速度的一致性，狀態(tài)1時(shí)增大了并聯(lián)電阻提高了充放電速度的一致性。在狀態(tài)2時(shí)利用串聯(lián)等效電容器均壓，大大減少了并聯(lián)電阻的能量消耗。狀態(tài)1與狀態(tài)2反復(fù)切換不但提高了充放電速度的一致性，而且大大減少了直接并聯(lián)電阻的能量消耗。

5 仿真分析

為了分析上述方法電壓均衡效果，利用MATLAB/Simulink仿真軟件對3只超級電容器模塊的充電過程進(jìn)行仿真分析。串聯(lián)超級電容器模塊組初始條件，為了提高仿真速度，設(shè)3只超級電容器模塊C1、C2、C3的容量和初始電壓分別為9F/0V、11F/0V、13F/0V，電源電壓11V。圖(5)～(6)分別表示在充電狀態(tài)下，無均壓電路與有均壓電路時(shí)電容C1、C2、C3三只超級電容器電壓變化曲線，根據(jù)圖(5)與圖(6)得到電壓統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表。

圖4 無均壓電路電容充電電壓變化曲線

圖5 有均壓電路電容充電電壓變化曲線

從圖(4)發(fā)現(xiàn)，三只超級電容器串聯(lián)充電過程中由于電容器容量的差別造成了充電曲線相差較大，穩(wěn)定后彼此穩(wěn)定電壓不等。而啟動均壓電路后的充電過程后，觀察圖(5)電壓曲線變化。電容單體C1、C2、C3電壓迅速上升，1s后C1電容電壓較高，C1此時(shí)開始釋放能量，電容電壓開始收斂，3.5s后電容電壓差逐漸縮小到誤差范圍內(nèi)，電壓值趨于相等圖(6)給出了電容充電過程中的電流波形，0s是由于電容無能量，所以充電瞬間充電電流很大，隨著能量的不斷增加，充電電流變小，在1s時(shí)C1基本充滿，電壓穩(wěn)定，而C2、C3繼續(xù)充電電壓低于C1，所以C1釋放能量，3.5s后由于電容電壓趨于相等，充電電流趨于0A，仿真的結(jié)果表明，本文提出的均壓方法，均壓速度快，且達(dá)到了很好的均壓效果，系統(tǒng)的性能得到一定的提高。

圖6 有均壓電容充電電流

6 結(jié)論

大規(guī)模超級電容器串聯(lián)過程中各電容器單元的電壓不均衡對超級電容器組的性能和可靠性造成較大的影響。若引入均壓電路后，對電容器組的使用壽命及其穩(wěn)定性都將得到提高。本文提出了一種新型的超級電容器串聯(lián)過程中單體均壓模型，并分析了該方法的原理，其最大的優(yōu)點(diǎn)是不需要電壓檢測電路和電壓比較電路，且電荷的轉(zhuǎn)移并不通過超級電容，只需在均壓電容中實(shí)現(xiàn)電荷的轉(zhuǎn)移，為了確保均壓效果以及均壓速度，我們同時(shí)配合了普通的電阻均壓電路，通過雙向開關(guān)在均壓電容與均壓電阻間切換，降低了均壓電路的復(fù)雜性，相對于傳統(tǒng)的電阻均壓電路也提高了工作效率且減少了能量消耗，此種電路模型在3.5s左右實(shí)現(xiàn)均壓，因此該模型電路在電力儲能系統(tǒng)中具有一定的應(yīng)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-)，遼寧沈陽人，三峽大學(xué)在讀研究生，研究領(lǐng)域：微電網(wǎng)儲能技術(shù)。