超級(jí)電容儲(chǔ)能電源開(kāi)機(jī)均衡的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

(中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司，湖南 株洲 412001)

1 概述

有軌電車(chē)或無(wú)軌電車(chē)超級(jí)電容儲(chǔ)能電源是由幾百個(gè)超級(jí)電容單體串并聯(lián)組成。儲(chǔ)能電源內(nèi)部一般是由模組串聯(lián)組成，而模組是取6個(gè)或8個(gè)并聯(lián)節(jié)進(jìn)行串聯(lián)。延長(zhǎng)超級(jí)電容單體的使用壽命是延長(zhǎng)儲(chǔ)能電源的使用壽命的關(guān)鍵所在。

因超級(jí)電容單體漏電特性及容量的差異性，在儲(chǔ)能電源應(yīng)用中會(huì)產(chǎn)生各串聯(lián)節(jié)間的電壓差，日積月累，電壓差會(huì)越來(lái)越大。串聯(lián)節(jié)電壓不一致，在充放電過(guò)程中就可能造成串聯(lián)節(jié)電壓過(guò)高而導(dǎo)致單體損壞，進(jìn)而影響超級(jí)電容儲(chǔ)能電源的使用壽命，電壓均衡由此而來(lái)。

本文所論述的是電壓均衡的一種模式，主要均衡控制參數(shù)是模組電壓，致力于模組間的電壓一致性均衡。因?yàn)榇司饽Ｊ阶饔脮r(shí)間集中在系統(tǒng)啟動(dòng)開(kāi)機(jī)的前段，稱(chēng)之為開(kāi)機(jī)均衡。

超級(jí)電容模組漏電參數(shù)(根本上是單體的參數(shù))不一致導(dǎo)致的模組電壓不一致，會(huì)增加超級(jí)電容儲(chǔ)能電源在充放電過(guò)程中的均衡負(fù)擔(dān)，而開(kāi)機(jī)均衡的目的就是減輕這部分負(fù)擔(dān)，在開(kāi)機(jī)時(shí)即對(duì)儲(chǔ)能電源內(nèi)電壓進(jìn)行均衡，使之在進(jìn)入儲(chǔ)能電源充放電過(guò)程前盡量保持各模組電壓一致性處于可接受的程度。

2 開(kāi)機(jī)均衡原理

超級(jí)電容儲(chǔ)能電源的每個(gè)模組配置一件電壓均衡單元，用于模組電壓的采集及均衡執(zhí)行。配置一主控單元，用于收集所有模組電壓并分析電壓的一致性程度。如果一致性水平不滿足條件，則對(duì)相應(yīng)模組下發(fā)對(duì)應(yīng)的開(kāi)啟均衡指令。網(wǎng)絡(luò)上的電壓均衡單元接到開(kāi)機(jī)均衡指令后，對(duì)模組內(nèi)各串聯(lián)節(jié)的電壓進(jìn)行放電。開(kāi)機(jī)均衡基本原理框圖如圖1所示。

3 具體實(shí)現(xiàn)

儲(chǔ)能電源系統(tǒng)內(nèi)配置模組數(shù)為x，設(shè)計(jì)在開(kāi)機(jī)均衡過(guò)程中最大允許參與均衡的模組數(shù)為n(一般n

主控單元獲取儲(chǔ)能電源內(nèi)所有電壓均衡單元采集的模組電壓數(shù)據(jù)，獲取完有效的模組電壓數(shù)據(jù)U1～Ux后，對(duì)U1～Ux進(jìn)行從大到小排序，同時(shí)記錄模組電壓對(duì)應(yīng)的電壓均衡單元編號(hào)。判斷所獲取的所有模組電壓最大壓差是否大于設(shè)定閾值，如果滿足該條件，則對(duì)高n個(gè)模組電壓對(duì)應(yīng)的電壓均衡單元發(fā)送開(kāi)機(jī)均衡指令，同時(shí)開(kāi)啟計(jì)時(shí)，在設(shè)定開(kāi)機(jī)均衡時(shí)間內(nèi)結(jié)束指令發(fā)送。如果所獲取的所有模組電壓最大壓差不大于設(shè)定閾值，則不發(fā)送開(kāi)機(jī)均衡指令，即認(rèn)為模組電壓一致性水平滿足設(shè)計(jì)要求，不需啟動(dòng)開(kāi)機(jī)均衡。開(kāi)機(jī)均衡流程圖如圖2所示。在開(kāi)機(jī)均衡指令發(fā)送過(guò)程中，主控單元實(shí)時(shí)判斷所有模組電壓最大壓差與閾值的大小關(guān)系，當(dāng)滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，即關(guān)閉開(kāi)機(jī)均衡，不再向均衡單元發(fā)送開(kāi)機(jī)均衡指令。

圖1 開(kāi)機(jī)均衡基本原理框圖

圖2 開(kāi)機(jī)均衡軟件流程

4 工程應(yīng)用

以馬來(lái)西亞HMU項(xiàng)目?jī)?chǔ)能電源為例，該項(xiàng)目?jī)?chǔ)能電源共配置42個(gè)模組，選取開(kāi)機(jī)均衡時(shí)間為10 min，參與開(kāi)機(jī)均衡的模組數(shù)量為12，開(kāi)機(jī)均衡閾值設(shè)置為50 mV，及模組電壓最大差值不大于50 mV時(shí)，則關(guān)閉開(kāi)機(jī)均衡。

選取HMU第1臺(tái)儲(chǔ)能電源作為測(cè)試對(duì)象，在應(yīng)用開(kāi)機(jī)均衡前，通過(guò)上位機(jī)獲取模組電壓并記錄，之后主控單元和電壓均衡單元增加開(kāi)機(jī)均衡功能。在車(chē)輛試驗(yàn)1月后，再次通過(guò)上位機(jī)獲取模組電壓并記錄。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析如圖3和表1所示。

圖3 HMU儲(chǔ)能電源模組電壓數(shù)據(jù)對(duì)比圖

表1 儲(chǔ)能電源模組電壓數(shù)據(jù)分析

由圖3及表1可見(jiàn)，該儲(chǔ)能電源在應(yīng)用開(kāi)機(jī)均衡后，模組間最大壓差從0.933 V降到了0.166 V，效果明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種用于系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的電壓均衡方法-開(kāi)機(jī)均衡，通過(guò)以上論述可知，開(kāi)機(jī)均衡是一種耗電式的均衡，通過(guò)損耗高電壓的模組能量而達(dá)到電壓水平一致的目的，彌補(bǔ)了模組內(nèi)電壓均衡所帶來(lái)的不足。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，所設(shè)計(jì)的開(kāi)機(jī)均衡策略方法有效可行，在項(xiàng)目中應(yīng)用效果良好，在其他項(xiàng)目研發(fā)設(shè)計(jì)中，可根據(jù)具體項(xiàng)目選用的超級(jí)電容單體及均衡單元部件參數(shù)的不同，設(shè)定合適的均衡時(shí)間；根據(jù)系統(tǒng)的模組配置及實(shí)際需求設(shè)定參與開(kāi)機(jī)均衡的模組數(shù)量。