一种超级电容器组均压电路研究

Science &Technology Vision科技视界0引言超级电容因其具有功率密度高、循环寿命长、大电流放电能力强、能量转换效率高、环保无污染等优点,已经在电力机车、电力系统功率补偿设备等短时、大功率的应用场合得到了广泛应用。

超级电容的单体电压较低,一般只有2.7V,因此在实际应用中,需要将多个超级电容串联起来提供高工作电压。

由于材料和制作工艺的不同,超级电容在串联过程中单体间容量、等效串联电阻、漏电流等差异将导致串联系统中单体电压的不均衡,从而使超级电容出现过充或过放现象,降低能量的利用率。

为了更加高效的利用超级电容,需要采用电压均衡策略以减小或者消除单体间的不均衡。

本文详细分析了TLVH431的工作特性,设计基于其特性的超级电容电压均衡电路,通过分析芯片的工作原理,解析了均衡电路各部分参数。

该均压电路结构简单,不需要闭环控制,充电过程中,单体出现电压失衡时均压自动完成,该电路可以长时间工作,并且可以在多种场合中应用。

1TLVH431简介TLVH431是德州仪器公司生产的一个有良好热稳定性能的精密三端并联稳压二极管并联稳压器。

如图1所示,TLVH431由一个V ref =1.24V 的精密基准电压源、一个电压比较器和一个输出开关管等组成。

参考端R 2的输出电压与1.24V 的精密基准电压源比较,调节R 1、R 2的阻值,当R 2端电压V r 达到或超过1.24V 时,TLVH431阴极向阳极方向立即导通,即V o =V ref ,精确控制R 2端电压,就可以精确控制其阴极向阳极方向的开关状态。

其中R 1、R 2设定参考如下:V ref =R 2R 1+R 2V i(1)该器件的典型动态阻抗为0.25Ω,在很多应用中可以用它代替齐纳二极管,例如数字电压表、运放电、可调压电源开关电源等。

图1TLVH431参考图2均压电路分析本文针对串联超级电容组设计的均衡电路框图如图2所示,其基本原理为在基础的充电电路中加入超级电容并联电路,当电容单体电压达到设定值时,与电容并联的电路导通,继续为其他电容充电,直到所有电容电压达到设定值,充电工作结束。

第２３卷㊀第１１期２０１９年１１月㊀电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报Ｅｌｅｃｔｒｉｃ㊀Ｍａｃｈｉｎｅｓ㊀ａｎｄ㊀Ｃｏｎｔｒｏｌ㊀Ｖｏｌ ２３Ｎｏ １１Ｎｏｖ.２０１９㊀㊀㊀㊀㊀㊀一种串联超级电容器均压电路何圣仲ꎬ㊀覃福班ꎬ㊀何晓琼ꎬ㊀徐英雷ꎬ㊀周柬成(西南交通大学电气工程学院ꎬ四川成都６１００３１)摘㊀要:针对串联超级电容器组在实际使用中出现各单体电压不一致的问题ꎬ提出一种结合同步整流反激变换器㊁隔直电容和全桥整流的电压均衡电路ꎮ电压均衡电路从超级电容器组汲取能量并存储于耦合变压器中ꎬ再将变压器中存储的能量分配给电压较低的超级电容器ꎬ最终使各超级电容器单体电压相等ꎬ达到均衡电压的目的ꎮ所提的均压电路没有大量的磁性元件或开关管ꎬ可实现自动均压功能ꎬ电路结构和控制方法简单ꎻ主开关器件可实现零电压导通ꎬ降低变换器的功率损耗ꎮ详细地阐述了电路的工作原理ꎬ给出了主要参数设计方法ꎬ并采用此电路进行了电压均衡实验ꎬ实验结果验证了理论分析的正确性ꎮ关键词:超级电容器ꎻ反激变换器ꎻ全桥整流ꎻ电压均衡ꎻ零电压开关ＤＯＩ:１０.１５９３８/ｊ.ｅｍｃ.２０１９.１１.００５中图分类号:ＴＭ５３文献标志码:Ａ文章编号:１００７－４４９Ｘ(２０１９)１１－００３３－０９㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:２０１８－０４－１１基金项目:国家自然科学基金(６１３７１０３３)ꎻ成都市科技惠民技术研发项目(２０１６－ＨＭ０１－００１３９－ＳＦ)ꎻ磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室开放课题基金ꎬ四川省科技计划资助(２０１９ＹＪ０２４１)ꎻ四川省科技计划资助(２０１９ＪＤＴＤ０００３)作者简介:何圣仲(１９７５ )ꎬ男ꎬ博士ꎬ硕士生导师ꎬ研究方向为开关电源技术和开关变换器动力学行为分析等ꎻ覃福班(１９９３ )ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向为电池管理技术ꎻ何晓琼(１９７４ )ꎬ女ꎬ教授ꎬ研究方向为轨道交通电气化与自动化ꎻ徐英雷(１９７３ )ꎬ男ꎬ副教授ꎬ研究方向为电工理论新技术ꎻ周柬成(１９９４ )ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向为宽输出的ＬＬＣ型谐振变换器ꎮ通信作者:何圣仲Ｖｏｌｔａｇｅｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｆｏｒｓｅｒｉｅｓ￣ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓＨＥＳｈｅｎｇ￣ｚｈｏｎｇꎬ㊀ＱＩＮＦｕ￣ｂａｎꎬ㊀ＨＥＸｉａｏ￣ｑｉｏｎｇꎬ㊀ＸＵＹｉｎｇ￣ｌｅｉꎬ㊀ＺＨＯＵＪｉａｎ￣ｃｈｅｎｇ(ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＣｈｅｎｇｄｕ６１００３１ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｄｕｒｉｎｇｔｈｅｕｓｅｏｆａｓｅｒｉｅｓ￣ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓｔａｃｋꎬｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｂｅｔｗｅｅｎｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓｉｓｉｎｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ.Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅꎬａｃｉｒｃｕｉｔｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｆｏｒｅｑｕａｌｉｚｉｎｇｓｅｒｉｅｓ￣ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓｔａｃｋꎬｗｈｉｃｈｃｏｍｂｉｎｅｓｆｌｙｂａｃｋｃｏｎｖｅｒｔｅｒｗｉｔｈｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｒｅｃｔｉｆｉｅｒꎬｂｌｏｃｋｉｎｇｃａｐａｃｉｔｏｒａｎｄｂｒｉｄｇｅｒｅｃｔｉｆｉｅｒ.Ｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｄｒａｗｓｅｎｅｒｇｙｆｒｏｍｔｈｅｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓｔａｃｋａｎｄｓｔｏｒｅｓｉｔｉｎｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇｔｒａｎｓ￣ｆｏｒｍｅｒꎬａｎｄｔｈｅｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｓｔｈｅｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒｅｄｉｎｔｈｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｔｏｔｈｅｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓｗｉｔｈｌｏｗｅｒｖｏｌｔａｇｅꎬｓｏｔｈａｔｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｓｏｆｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓａｒｅｔｈｅｓａｍｅｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｏｆｖｏｌｔａｇｅｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ.Ｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｃｉｒｃｕｉｔｎｅｅｄｓｌｅｓｓｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓａｎｄｓｗｉｔｃｈｅｓꎬａｎｄｃａｎａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙｒｅａｌｉｚｅｖｏｌｔａｇｅｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎꎬｔｈｕｓｉｔｉｓｎｏｔｏｎｌｙｅａｓｙｔｏｃｏｎｔｒｏｌｂｕｔａｌｓｏｈａｓａｓｉｍｐｌｅｔｏｐｏｌｏｇｙ.Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｙꎬｓｗｉｔｃｈｅｓｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｚｅｒｏｖｏｌｔａｇｅｓｗｉｔｃｈｉｎｇｔｕｒｎ￣ｏｎｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｃｏｎｖｅｒｔｅｒ.Ｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｗａｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄꎬａｎｄｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ.Ｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｗａｓｐｅｒ￣ｆｏｒｍｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｃｉｒｃｕｉｔꎬａｎｄｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｖｅｒｉｆｙｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙ￣ｓｉｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒꎻｆｌｙｂａｃｋｃｏｎｖｅｒｔｅｒꎻｆｕｌｌｂｒｉｄｇｅｒｅｃｔｉｆｉｅｒꎻｖｏｌｔａｇｅｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎꎻｚｅｒｏｖｏｌｔａｇｅｓｗｉｔｃｈｉｎｇ０㊀引㊀言随着环境污染和能源危机问题日渐凸显ꎬ世界各国对电动汽车的发展愈加重视[１]ꎮ动力电池组是电动汽车的能量来源ꎬ是决定整车性能的一个关键因素[２]ꎮ超级电容器(ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒꎬＳＣ)具有充放电电流大㊁工作温度范围宽㊁循环充放电次数多等优点[３]ꎬ适合作为城市电动公交车㊁电动出租车等需要频繁启停㊁便于充电的短距离运行车辆的动力电池ꎮ由于串联超级电容器单体的储能容量㊁直流内阻㊁自放电率等参数和工作环境温度存在差异ꎬ超级电容器组在实际使用过程中ꎬ经过多次充放电后出现各单体电压不一致的问题[４－５]ꎮ电压不一致不仅使超级电容器容量没有得到充分利用ꎬ还可能导致部分单体过充放电而对电容器内部结构造成损害ꎬ使得电容器循环寿命缩短ꎬ甚至部分电容器由于电压过高引起爆炸ꎬ存在安全隐患ꎮ因此ꎬ应当采取电压均衡技术避免超级电容器组出现电压不均衡现象[６－７]ꎮ目前研究人员已经提出了多种针对储能单元串联使用的电压均衡技术ꎬ并证明了这些技术能够削弱甚至消除储能单元间电压不均衡现象ꎮ与开关电阻法[８]㊁稳压管法[９]等把电压较高的储能单元中部分能量以热能的形式直接消耗掉的耗能型均衡电路不同ꎬ能量转移型均衡电路通过储能元件把能量从电压较高的储能单元转移到电压较低的储能单元中ꎬ实现串联的各储能单元电压均衡ꎬ均衡效率高ꎬ成为研究的热点ꎮ开关电容法[１０－１１]由于结构简单㊁不需要闭环控制成为常用的能量转移型均衡方法ꎬ但存在开关管数量随着储能单元数目的增加而成比例增长ꎬ当储能单元的电压差较小时均衡速度慢ꎬ效率降低等缺点ꎮ基于双向Ｂｕｃｋ￣Ｂｏｏｓｔ变换器的均衡电路通过开关网络选通对应的储能单元ꎬ实现能量从电压高的储能单元向电压低的储能单元直接转移ꎬ均衡路径短㊁速度快㊁效率高ꎬ但需要采集每个储能单元的电压进行反馈控制ꎬ控制复杂[１２－１３]ꎮ文献[１４－１５]使用多绕组变压器实现电压均衡ꎬ有效地减小开关管的数目ꎬ不需要采集各储能单元电压ꎬ但存在次边绕组一致性难以达到和扩展性差等问题ꎮ单开关电压均衡器已经被提出[１６]ꎬ结合多输出Ｂｕｃｋ￣Ｂｏｏｓｔ变换器和倍压整流电路ꎬ均衡器只需要一个开关管ꎬ不需要闭环控制ꎬ但它仍然需要数量众多的电感ꎬ且存在无效均衡回路ꎮ本文提出了一种结合同步整流反激变换器[１７－１８]㊁隔直电容和全桥整流的串联超级电容器均压电路ꎮ同步整流反激变换器使均压电路具有电气隔离和结构简单的特点ꎮ由隔直电容和全桥整流电路组成的均衡单元独立性良好ꎬ具有自动均压特性ꎬ使均压电路具有控制简单㊁易扩展的特点ꎮ相对于文献[１６]提出的均衡器ꎬ本文提出的均压电路不需要电感元件ꎬ不存在无效均衡回路ꎬ在串联超级电容器组电压均衡的场合中ꎬ该均压电路具有可靠性高㊁成本低的优点ꎮ１㊀均压电路及工作原理１.１㊀均压电路本文提出的串联超级电容器组电压均衡电路如图１所示ꎬ包括同步整流反激变换器ＤＣ￣ＡＣ逆变单元㊁隔直电容㊁全桥整流电路和超级电容器组四部分ꎮ图１㊀ｎ个串联超级电容器的均压电路Ｆｉｇ.１㊀ＶｏｌｔａｇｅｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｆｏｒｎＳＣｓ与传统的反激变换器相比ꎬ去除了输出滤波电容ꎬ同步整流反激变换器ＤＣ￣ＡＣ逆变单元将续流二极管换成了具有双向导电性的开关管ꎬ主要由耦合变压器Ｔｒ㊁开关管Ｓ１和Ｓ２㊁ＲＣＤ漏感吸收电路构成ꎮ漏感吸收电路由电阻Ｒ１㊁电容Ｃ１和二极管Ｄ１组成ꎮ每两个隔直电容为一组ꎬ如Ｃ１ｉ和Ｃ２ｉ为第ｉ组(ｉ＝１ꎬ２ꎬ３ꎬ ꎬｎꎻ下文同)ꎬ共ｎ组ꎬ连接到ＡＢ母线ꎮ整流二极管Ｄ１ｉ㊁Ｄ２ｉ㊁Ｄ３ｉ和Ｄ４ｉ组成ｎ个全桥整流电路ꎮ超级电容器组是由超级电容器ＳＣ１~ＳＣｎ串联而成的ꎬ每个超级电容器对应一组隔直电容和一个全桥整流电路ꎮ开关管Ｓ１和Ｓ２以固定的占空比互补导通ꎬ两路互补驱动信号存在一定的死区时间以实现开关管的零电压导通(ｚｅｒｏｖｏｌｔａｇｅｓｗｉｔｃｈｉｎｇꎬＺＶＳ)ꎮ在开关管Ｓ１或其体二极管导通期间ꎬ超级电容器组４３电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第２３卷㊀给耦合变压器一次侧的励磁电感和漏感充电ꎻ在开关管Ｓ２或其体二极管导通期间ꎬ存储在励磁电感中的能量通过耦合变压器释放到全桥整流电路ꎬ电压低的超级电容器对应的整流电路工作ꎬ能量转移到电压低的超级电容器中ꎬ最终各超级电容器单体的电压趋于一致ꎮ漏感中的能量通过ＲＣＤ吸收电路释放ꎬ保证电路正常工作ꎮ１.２㊀工作模态为方便对工作原理的描述ꎬ忽略耦合变压器的漏感Ｌｋ和ＲＣＤ吸收电路ꎬ并作如下假设:１)隔直电容Ｃ１ｉ和Ｃ２ｉ的容值相等ꎬ且其两端的纹波电压远小于平均电压ꎻ２)整流二极管的正向导通压降相同ꎻ３)开关频率高ꎬ在一个开关周期内超级电容器的端电压不变ꎮ在稳态下电压均衡电路主要工作波形如图２所示ꎬ其中Ｔｓ为开关周期ꎮ在一个开关周期内ꎬ电压均衡电路工作过程可以分为４个模态ꎬ模态１~４经历的时间分别为Ｔａ㊁Ｔｂ㊁Ｔｃ㊁Ｔｄꎮ不同工作模态时的等效电路如图３所示ꎮ图２㊀均压电路关键工作波形Ｆｉｇ.２㊀Ｋｅｙｏｐｅｒａｔｉｎｇｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｅｑｕａｌ￣ｉｚａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ图３㊀不同工作模态的等效电路Ｆｉｇ.３㊀Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｐｅｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｓ５３第１１期何圣仲等:一种串联超级电容器均压电路㊀㊀模态１[ｔ０~ｔ１]:在ｔ０时刻ꎬ开关管Ｓ２关断ꎬ变压器二次侧电流ｉ２从二次侧转移到一次侧ꎬ一次侧电流ｉ１为负ꎮ由于开关管Ｓ１的驱动信号为低电平ꎬ开关管Ｓ１的体二极管续流导通ꎬ两端电压近似为零ꎮ死区时间结束后开通开关管Ｓ１ꎬ实现Ｓ１的ＺＶＳ导通ꎮ在此期间ꎬ超级电容器组的正㊁负极通过开关管Ｓ１分别连接到变压器一次侧绕组两端ꎮ变压器一次侧电压为超级电容器组总电压ＶＳＣꎬ二次侧电压Ｖ２为－ＶＳＣ/Ｎ(Ｎ为变压器变比)ꎮ励磁电感Ｌｍ向超级电容器组释放能量ꎬｉ１从负值线性上升ꎮ流过超级电容器ＳＣｉ的电流ｉＳＣｉ和ｉ１大小相等ꎬ方向相反ꎮ在ｔ１时刻ꎬｉ１线性上升到零ꎬ工作模态１结束ꎮ模态２[ｔ１~ｔ２]:开关管Ｓ１继续保持导通状态ꎬ变压器一次侧电流ｉ１线性上升为正ꎬ二次侧电流ｉ２仍为零ꎮ在此期间ꎬ超级电容器组总电压通过导通的开关管Ｓ１加在变压器一次侧绕组两端ꎬ超级电容器组对变压器励磁电感Ｌｍ充电ꎬｉ１从零开始线性上升ꎬ超级电容器电流ｉＳＣｉ线性下降ꎮ在ｔ２时刻ꎬ开关管Ｓ１关断ꎬ工作模态２结束ꎮ设Ｄ为开关管Ｓ１导通和导通前的死区时间与周期Ｔｓ的比值ꎬＤᶄ为１－Ｄꎮ由前述分析可知ꎬ在ＤＴｓ期间ꎬ变压器一次侧电流ｉ１流经超级电容器ＳＣｉꎬ呈线性变化ꎬ斜率为ＶＳＣ/Ｌｍꎮ超级电容器电流ｉＳＣｉ在此期间的波形如图４所示ꎮ图４㊀ＤＴｓ期间的超级电容器电流波形Ｆｉｇ.４㊀ＣｕｒｒｅｎｔｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆＳＣｉｄｕｒｉｎｇＤＴｓ从图４可见ꎬ在Ｔａ期间超级电容器ＳＣｉ充电电荷量Ｑａｉ为Ｑａｉ＝ʏｔ１ｔ０ｉＳＣｉ(ｔ)ｄｔꎮ(１)在Ｔｂ内取一个时间点ｔ１２ꎬ令ｔ１２－ｔ１等于ｔ１－ｔ０ꎬ则在Ｔｂ期间超级电容器ＳＣｉ放电电荷总量Ｑｂｉ为Ｑｂｉ＝Ｑｂ１ｉ＋Ｑｂ２ｉ＝ʏｔ１２ｔ１ｉＳＣｉ(ｔ)ｄｔ＋ʏｔ２ｔ１２ｉＳＣｉ(ｔ)ｄｔ(２)又Ｑａｉ＝－Ｑｂ１ｉꎬ结合式(１)和式(２)ꎬ则在ＤＴｓ期间可将超级电容器ＳＣｉ看作一个放电过程ꎮ设超级电容器ＳＣｉ在一个开关周期内的平均放电流为Ｉｉꎬ由于每个超级电容器的放电电量一样ꎬ则超级电容器组的平均放电电流Ｉ等于ＩｉꎮＩ＝Ｉｉ＝１Ｔｓ(Ｑｂｉ－Ｑａｉ)＝１ＴｓＱｂ２ｉ＝１Ｔｓʏｔ２ｔ１２ｉＳＣｉ(ｔ)ｄｔꎮ(３)模态３[ｔ２~ｔ３]:在ｔ２时刻ꎬ开关管Ｓ１关断ꎬｉ１迅速下降到零ꎮ变压器一次侧电流转移到二次侧ꎬｉ２由零变为正ꎬ开关管Ｓ２的体二极管续流导通ꎮＡＢ母线电压和二次侧端电压相等ꎮ开关管Ｓ２的体二极管导通压降接近于零ꎬ死区时间结束后开通开关管Ｓ２ꎬ实现ＺＶＳ导通ꎮ在此期间ꎬ二极管Ｄ１ｉ和Ｄ３ｉ导通ꎬ电流ｉ２通过隔直电容和整流电路分配给各超级电容器ꎮ因隔直电容Ｃ１ｉ和Ｃ２ｉ的电流总是一样ꎬ把隔直电容Ｃ１ｉ和Ｃ２ｉ等效为电容Ｃｉꎬ其容值为Ｃ１ｉＣ２ｉ/(Ｃ１ｉ＋Ｃ２ｉ)ꎮ由于ＡＢ母线电压近似不变ꎬ电流ｉ２线性下降ꎬ流过各超级电容器的电流ｉＳＣｉ也线性下降ꎮ在模态３期间ꎬＶＣｉ－ｍａｘ为等效电容Ｃｉ的端电压ꎬＶ２ｃ为变压器二次侧电压ꎬ由图３(ｃ)可列出Ｔｃ期间的回路电压方程ＶＣ１－ｍａｘＶＣ２－ｍａｘ⋮ＶＣｎ－ｍａｘéëêêêêêùûúúúúú＝Ｖ２ｃα－ＶＤ１１＋ＶＤ３１ＶＤ１２＋ＶＤ３２⋮ＶＤ１ｎ＋ＶＤ３ｎéëêêêêêùûúúúúú－ＶＳＣ１ＶＳＣ２⋮ＶＳＣｎéëêêêêêùûúúúúúꎮ(４)式中ꎬα为ｎ阶单位列向量ꎮｔ３时刻ꎬ电流ｉｓ线性下降到０ꎬ工作模态３结束ꎮ模态４[ｔ３~ｔ４]:开关管Ｓ２继续导通ꎬ变压器二次侧电流ｉ２下降到零并开始反向流动ꎬｉ１仍为零ꎮ在此期间ꎬ二极管Ｄ２ｉ和Ｄ４ｉ导通ꎬ类似模态３ꎬ电流ｉ２分配给各超级电容器ꎬ流过超级电容器ＳＣｉ电流为ｉＳＣｉ＝ｉ２/ｎꎮｉ２负向线性增大ꎬｉＳＣｉ也线性增大ꎮ在模态４期间ꎬＶＣｉ－ｍｉｎ为等效电容Ｃｉ的端电压ꎬＶ２ｄ为变压器二次侧电压ꎬ由图３(ｄ)可列出Ｔｄ期间的回路电压方程ＶＣ１－ｍｉｎＶＣ２－ｍｉｎ⋮ＶＣｎ－ｍｉｎéëêêêêêùûúúúúú＝Ｖ２ｄα＋ＶＤ２１＋ＶＤ４１ＶＤ２２＋ＶＤ４２⋮ＶＤ２ｎ＋ＶＤ４ｎéëêêêêêùûúúúúú＋ＶＳＣ１ＶＳＣ２⋮ＶＳＣｎéëêêêêêùûúúúúúꎮ(５)ｔ４时刻ꎬ开关管Ｓ２关断ꎬ工作模态４结束ꎬ电压均衡电路进入下一个工作周期ꎮ６３电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第２３卷㊀１.３㊀直流等效电路根据所作假设ꎬ二极管的正向导通压降均为ＶＤꎬ可由式(４)和式(５)导出在Ｔｄ期间等效电容Ｃｉ端电压的变化量ΔＶＣｉ为ΔＶＣ１ΔＶＣ２⋮ΔＶＣｎéëêêêêêùûúúúúú＝(Ｖ２ｃ－Ｖ２ｄ－４ＶＤ)α－２ＶＳＣ１ＶＳＣ２⋮ＶＳＣｎéëêêêêêùûúúúúúꎮ(６)由电容电压与电荷量间的基本关系Ｖ＝Ｑ/Ｃ＝Ｉˑ(ｔ/Ｃ)ꎬ式(６)可整理为ＩＣｄ１Ｒｅｄ１ＩＣｄ２Ｒｅｄ２⋮ＩＣｄｎＲｅｄｎéëêêêêêùûúúúúú＝(Ｖ２ｃ－Ｖ２ｄ－４ＶＤ)α－２ＶＳＣ１ＶＳＣ２⋮ＶＳＣｎéëêêêêêùûúúúúúꎮ(７)式中ꎬＩＣｄｉ为Ｔｄ期间流过等效电容Ｃｉ的平均电流ꎬＲｅｄｉ＝Ｔｄ/Ｃｉ为Ｔｄ期间的等效电阻ꎮ则在一个开关周期内ꎬ由式(７)有ＩＣ１Ｒｅ１ＩＣ２Ｒｅ２⋮ＩＣｎＲｅｎéëêêêêêùûúúúúú＝(Ｖ２ｃ－Ｖ２ｄ－４ＶＤ)α－２ＶＳＣ１ＶＳＣ２⋮ＶＳＣｎéëêêêêêùûúúúúúꎮ(８)式中ꎬ等效电阻变换为Ｒｅｉ＝Ｒｅｄｉ(Ｔｓ/Ｔｄ)＝Ｔｓ/ＣｉꎬＩＣｉ为在一个开关周期内流过等效电容Ｃｉ的电流平均值ꎬ其表达式为ＩＣｉ＝ＩＣｄｉＴｄＴｓꎮ稳态时ꎬ在一个开关周期内流入和流出等效电容Ｃｉ的平均电流相等ꎬ而流经等效电容Ｃｉ的电流都以充电的形式流入超级电容器ＳＣｉꎮ因此ꎬ在一个开关周期内通过整流电路流入超级电容器ＳＣｉ的电流ＩＳＣｉ为２ＩＣｉꎬ有ＩＳＣ１Ｒｅｑ１ＩＳＣ２Ｒｅｑ２⋮ＩＳＣｎＲｅｑｎéëêêêêêùûúúúúú＝(Ｖ２ｃ－Ｖ２ｄ２－２ＶＤ)α－ＶＳＣ１ＶＳＣ２⋮ＶＳＣｎéëêêêêêùûúúúúúꎮ(９)式中ꎬＲｅｑｉ＝Ｒｅｉ/４ꎮ式(３)表示超级电容器组以电流Ｉ放电ꎬ用一个受控电流源表示ꎬ式(９)表达了一个电压为(Ｖ２ｃ－Ｖ２ｄ)/２的电压源通过两个二极管和一个电阻给超级电容器单体充电ꎬ因此可以导出均压电路的直流等效电路ꎬ如图５所示ꎮ直流等效电路表明:在超级电容器组均衡过程中ꎬ端电压较低的超级电容器单体的均衡电流较大ꎬ端电压上升ꎬ电压较高的超级电容器单体的端电压下降ꎬ最终所有超级电容器的端电压都将相等ꎬ完成电压均衡过程ꎮ图５㊀均压电路的直流等效电路Ｆｉｇ.５㊀ＤＣｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｏｆｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｃｉｒｃｕｉｔ２㊀主要参数设计２.１㊀等效电阻Ｒｅｑｉ由图５可见ꎬ等效电阻Ｒｅｑｉ在均衡过程中消耗能量ꎬ为了使均压电路的效率得到保障ꎬ应使Ｒｅｑｉ尽可能小ꎮ由前文的推导可知ꎬ等效电阻Ｒｅｑｉ＝Ｔｓ４Ｃｉ＝Ｔｓ４Ｃ１ｉ＋Ｃ２ｉＣ１ｉＣ２ｉꎮ(１０)由式(１０)可见ꎬ隔直电容Ｃ１ｉ和Ｃ２ｉ㊁周期Ｔｓ对Ｒｅｑｉ均有影响ꎬ因此ꎬ通过合理选择器件和调整开关频率可以减小等效电阻Ｒｅｑｉ的阻值ꎮ２.２㊀时间Ｔａ的设计由图２可见ꎬ时间Ｔａ的长短决定了开关管Ｓ１的ＺＶＳ导通的难易程度ꎮ为了方便求解Ｔａꎬ定义直流偏置电压Ｖ２ｍｉｄ＝(Ｖ２ｃ＋Ｖ２ｄ)/２ꎬ并先求得Ｖ２ｍｉｄꎬ忽略隔直电容的纹波电压ꎬ根据电压均衡电路在ＤᶄＴｓ期间的导通回路可得Ｖ２ｃ＝Ｖ２ｍｉｄ＋ＶＣＤꎬＶ２ｄ＝Ｖ２ｍｉｄ－ＶＣＤꎮ}(１１)其中ꎬＶＣＤ为超级电容器组中端电压最低的单体电压与两个二极管的导通电压之和ꎮ由图２可见ꎬ开关管Ｓ１关断后的时间ＤᶄＴｓ被分成了Ｔｃ和Ｔｄꎬ且满足以下关系Ｔｃ＋Ｔｄ＝ＤᶄＴｓꎮ(１２)稳态时耦合变压器实现磁复位ꎬ类似电感工作７３第１１期何圣仲等:一种串联超级电容器均压电路于平衡状态ꎬ可对其使用伏秒平衡ＶＳＣＤＴｓ＝ＮＶ２ｃＴｃ＋ＮＶ２ｄＴｄꎮ(１３)从模态分析中可知ｉＳＣｉ在Ｔｃ和Ｔｄ期间的变化斜率分别为ｋｃ＝１ｎＶ２ｃＬｍ/Ｎ２ꎬｋｄ＝１ｎＶ２ｄＬｍ/Ｎ２ꎮ在ＤᶄＴｓ期间ꎬ电流ｉＳＣｉ全部流过等效电容Ｃｉꎬ存在安秒平衡ꎬ结合图２可知ꎬ安秒平衡表达为ｉＳＣｉ分别与Ｔｃ㊁Ｔｄ所围的面积相等１２ｋｃＴ２ｃ＝１２ｋｄＴ２ｄꎮ(１４)联合式(１１)~式(１４)ꎬ可得到直流偏置电压Ｖ２ｍｉｄ表达式如下Ｖ３２ｍｉｄ－ＶＣＤＶ２２ｍｉｄ－(Ｖ２ＣＤ＋(ＶＳＣＤＮＤᶄ)２)Ｖ２ｍｉｄ＋Ｖ３ＣＤ＋ＶＣＤ(ＶＳＣＤＮＤᶄ)２＝０ꎮ(１５)结合式(１１)~式(１３)和式(１５)ꎬ可以得到Ｔｄ表达式为Ｔｄ＝－ＤＶＳＣ＋ＮＤᶄ(Ｖ２ｍｉｄ＋ＶＣＤ)２ＮＶＣＤＴｓꎮ(１６)根据变压器一次侧电流是二次侧电流１/Ｎ倍的特性ꎬ并已知在Ｔａ和Ｔｄ期间作用于一次侧㊁二次侧绕组的电压分别为ＶＳＣ和Ｖ２ｍｉｄ－ＶＣＤꎬ结合式(１５)㊁式(１６)可求得Ｔａ＝－ＤＶＳＣ＋ＮＤᶄ(Ｖ２ｍｉｄ＋ＶＣＤ)２ＶＣＤＶ２ｍｉｄ－ＶＣＤＶＳＣＴｓꎮ(１７)因此ꎬ为了更容易实现开关管Ｓ１的ＺＶＳ导通ꎬ时间Ｔａ不能太短ꎮ根据式(１７)ꎬ取ＶＳＣ＝１３.６Ｖ㊁ＶＣＤ＝２.４Ｖ时ꎬＴａ与时间比Ｄ㊁变压器变比Ｎ的关系如图６所示ꎬ从图中可以看出ꎬＴａ随着Ｄ的增大而增大ꎬ同时随着Ｎ的增大而减小ꎮ图６㊀时间Ｔａ随Ｄ和Ｎ的变化曲线Ｆｉｇ.６㊀ＣｕｒｖｅｏｆＴａｃｈａｎｇｉｎｇｗｉｔｈＤａｎｄＮ３㊀仿真分析与实验验证为了验证理论分析结果ꎬ选取表１中的仿真参数ꎬ建立４个超级电容器均压电路仿真模型ꎬ对均压电路进行电路仿真分析ꎬ仿真波形如图７所示ꎮ其中ꎬ４个超级电容器单体的端电压分别为ＶＳＣ１＝１.４８Ｖ㊁ＶＳＣ２＝２.６３Ｖ㊁ＶＳＣ３＝２.４９Ｖ㊁ＶＳＣ４＝２.３５Ｖꎮ图７㊀仿真波形Ｆｉｇ.７㊀Ｓｉｍｕｌａｔｉｖｅｗａｖｅｆｏｒｍｓ根据图１的拓扑结构研制了一台由四个串联超级电容器组成的电压均衡原理样机ꎮ开关管Ｓ１㊁Ｓ２型号为ＩＲＦ５４０Ｎꎬ整流二极管Ｄ１ｉ~Ｄ４ｉ为肖特基二极管ＳＳ３４ꎬ二极管Ｄ１型号为ＳＳ２４ꎬ样机的其余参数８３电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第２３卷㊀详见表１ꎬ电压均衡电路的开关频率为２５ｋＨｚꎬＤ固定为０.５ꎮ图８为电压均衡实验平台ꎮ图８㊀电压均衡实验平台Ｆｉｇ.８㊀Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｌａｔｆｏｒｍｆｏｒｅｑｕａｌｉｚｉｎｇｖｏｌｔａｇｅ表１㊀样机参数Ｔａｂｌｅ１㊀Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｃｉｒｃｕｉｔ参数数值隔直电容Ｃ１ｉ㊁Ｃ２ｉ１００μＦ/２５Ｖ耦合变压器ＴｒＮ＝２ꎬＬｍ＝０.４ｍＨＲ１/ｋΩ２０Ｃ１１０ｎＦ/５０Ｖ超级电容器ＳＣｉ７００Ｆ/２.７Ｖ电压均衡电路主要实验波形如图９所示ꎬＶＤＳ１和ＶＤＳ２分别为开关管Ｓ１和Ｓ２源漏极电压ꎮ对比图８和图９可知ꎬ仿真和实验结果一致ꎮ图９(ａ)中开关管Ｓ１和Ｓ２都实现了ＺＶＳ导通ꎬ有效降低了开关损耗ꎻ图９(ｂ)中变压器一次侧电流呈线性变化ꎬ二次侧电压在Ｔｃ和Ｔｄ期间的幅值分别为两个稳定值ꎮ从图９可知ꎬ均衡电路的主要实验波形与图２中的理论波形一致ꎮ由图９(ｃ)可见ꎬ在ＤᶄＴｓ期间变压器二次侧电流进行重新分配ꎬ超级电容器ＳＣ１由于端电压最低而流过大部分的二次侧电流ꎬ超级电容器ＳＣ２㊁ＳＣ３和ＳＣ４流入极少电流ꎬ实验结果与推导得到的直流等效电路特性一致ꎮ为验证２.２小节对Ｔａ随Ｄ和Ｎ的变化规律分析ꎬ使用样机进行实验ꎬ在改变Ｄ㊁Ｎ下获得实验数据Ｔａꎬ如表２所示ꎮ从表２中可以看出ꎬＴａ随着Ｄ的增大而增大ꎬ随着Ｎ的增大而减小ꎬ结果与图６一致ꎮ图１０是４个串联超级电容器在静置均衡实验中端电压的变化曲线ꎮ在初始时刻超级电容器组处于电压不均衡状态ꎬ超级电容器ＳＣ１~ＳＣ４的电压分别为:１.４８Ｖ㊁２.６３Ｖ㊁２.４９Ｖ㊁２.３５Ｖꎮ在均衡过程中电压较高的超级电容器呈放电状态ꎬ端电压下降ꎬ电压最低的超级电容器呈充电状态ꎬ端电压上升ꎬ经过１２０ｍｉｎ后所有超级电容器的端电压趋于一致(最大电压差小于１０ｍＶ)ꎬ超级电容器组达到电压均衡ꎮ图９㊀实验波形Ｆｉｇ.９㊀Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｗａｖｅｆｏｒｍｓ表２㊀Ｔａ随着Ｄ和Ｎ变化实验数据Ｔａｂｌｅ２㊀ＴｈｅｄａｔａｏｆＴａｃｈａｎｇｉｎｇｗｉｔｈＤａｎｄＮＮＤ０.２０.３０.４０.５０.６０.７０.８１２.１２４.６０６.８１８.９７１１.０７１３.５８１５.５０２１.６９３.５３５.６２７.９９１０.３４１２.７４１５.１６３１.２１２.７０４.７３７.００９.５６１２.１４１４.７６４０.９４２.２３４.００６.１５８.６４１１.３７１４.２７９３第１１期何圣仲等:一种串联超级电容器均压电路图１０㊀四个串联超级电容器的静置均衡实验波形Ｆｉｇ.１０㊀ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｗａｖｅｆｏｒｍｆｏｒｆｏｕｒＳＣｓｉｎｓｅｒｉｅｓ㊀㊀图１１为串联超级电容器在充电和放电均衡实验中端电压的变化曲线ꎬ由图可见ꎬ最后各单体端电压相等ꎬ实现了动态均衡ꎮ图１１㊀充放电均衡时超级电容器电压曲线Ｆｉｇ.１１㊀ＶｏｌｔａｇｅｃｕｒｖｅｓｏｆＳＣｓｗｈｅｎｃｈａｒｇｉｎｇａｎｄｄｉｓ￣ｃｈａｒｇｉｎｇｗｉｔｈｖｏｌｔａｇｅｅｑｕａｌｉｚｅｒ４㊀结㊀论本文提出了一种结合同步整流反激变换器㊁隔直电容和全桥整流的电压均衡电路ꎬ对均衡电路工作原理进行了理论分析ꎬ以及主要参数设计ꎮ相对于传统均压电路ꎬ所提均压电路的优点在于极大地减小了磁性元件和开关管的数量ꎬ不存在无效均衡回路ꎻ同时ꎬ不需要额外检测超级电容器的单体电压ꎬ在开环状态下便可实现自主均压ꎮ为了有效降低开关器件的功率损耗ꎬ在主开关管控制信号中加入死区时间ꎬ实现开关管Ｓ１和Ｓ２的ＺＶＳ导通ꎮ最后研制了一台均压电路实验样机ꎬ实现静态和动态均衡实验ꎬ验证了理论分析的正确性ꎮ参考文献:[１]㊀吴晓刚ꎬ侯维祥ꎬ帅志斌ꎬ等.电动汽车复合储能系统的功率分配优化研究[Ｊ].电机与控制学报ꎬ２０１７ꎬ２１(１１):１１０.ＷＵＸｉａｏｇａｎｇꎬＨＯＵＷｅｉｘｉａｎｇꎬＳＨＵＡＩＺｈｉｂｉｎꎬｅｔａｌ.Ｐｏｗｅｒｄｉｓ￣ｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｆｏｒｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｓｗｉｔｈｈｙｂｒｉｄｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒ￣ａｇｅｓｙｓｔｅｍ[Ｊ].ＥｌｅｃｔｒｉｃＭａｃｈｉｎｅｓａｎｄＣｏｎｔｒｏｌꎬ２０１７ꎬ２１(１１):１１０.[２]㊀徐顺刚ꎬ钟其水ꎬ朱仁江.动力电池均衡充电控制策略研究[Ｊ].电机与控制学报ꎬ２０１２ꎬ１６(２):６２.ＸＵＳｈｕｎｇａｎｇꎬＺＨＯＮＧＱｉｓｈｕｉꎬＺＨＵＲｅｎｊｉａｎｇ.Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｅ￣ｑｕａｌｉｚｉｎｇｃｈａｒｇｅｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｆｏｒｐｏｗｅｒｂａｔｔｅｒｙ[Ｊ].ＥｌｅｃｔｒｉｃＭａｃｈｉｎｅｓａｎｄＣｏｎｔｒｏｌꎬ２０１２ꎬ１６(２):６２.[３]㊀ＢＵＲＫＥＡ.Ｕｌｔｒａｃａｐａｃｉｔｏｒｓ:ｗｈｙꎬｈｏｗꎬａｎｄｗｈｅｒｅｉｓｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏ￣ｇｙ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｏｗｅｒＳｏｕｒｃｅｓꎬ２０００ꎬ９１(６):３７.[４]㊀ＳＰＹＫＥＲＲＬꎬＮＥＬＭＳＲＭ.Ｃｌａｓｓｉｃａｌｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｐａｒａｍｅ￣ｔｅｒｓｆｏｒａｄｏｕｂｌｅ￣ｌａｙｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒ[Ｊ].ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＡｅｒｏ￣ｓｐａｃｅａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｙｓｔｅｍｓꎬ２０００ꎬ３６(３):８２９.[５]㊀ＨＵＲＬＥＹＷＧꎬＷＯＮＧＹＳꎬＷＯＬＦＬＥＷＨ.Ｓｅｌｆ￣ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｃｅｌｌｖｏｌｔａｇｅｓｔｏｐｒｏｌｏｎｇｔｈｅｌｉｆｅｏｆＶＲＬＡｂａｔｔｅｒｉｅｓｉｎｓｔａｎｄｂｙａｐｐｌｉ￣ｃａｔｉｏｎｓ[Ｊ].ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｄｕｓｔｒｙＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓꎬ２００９ꎬ５６(６):２１１５.[６]㊀刘征宇ꎬ孙庆ꎬ马亚东ꎬ等.基于Ｂｕｃｋ￣Ｂｏｏｓｔ电路的能量转移型均衡方案[Ｊ].电机与控制学报ꎬ２０１７ꎬ２１(９):７３.ＬＩＵＺｈｅｎｇｙｕꎬＳＵＮＱｉｎｇꎬＭＡＹａｄｏｎｇꎬｅｔａｌ.Ｅｎｅｒｇｙ￣ｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｂａｓｅｄｏｎＢｏｏｓｔ￣Ｂｕｃｋｃｉｒｃｕｉｔｅｌｅｃｔｒｉｃｍａｃｈｉｎｅｓａｎｄｃｏｎｔｒｏｌꎬ２０１７ꎬ２１(９):７３.[７]㊀武国良ꎬ朱春波ꎬ陈清泉.一个带衰减因子的电池分段数学模型研究[Ｊ].电机与控制学报ꎬ２００９ꎬ１３(Ｓ１):１８８.ＷＵＧｕｏｌｉａｎｇꎬＺＨＵＣｈｕｎｂｏꎬＣＨＥＮＱｉｎｇｑｕａｎ.Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎａｐｉｅｃｅｗｉｓｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｗｉｔｈｄｅｃａｙｆａｃｔｏｒｆｏｒｂａｔｔｅｒｙ[Ｊ].Ｅ￣ｌｅｃｔｒｉｃＭａｃｈｉｎｅｓａｎｄＣｏｎｔｒｏｌꎬ２００９ꎬ１３(Ｓ１):１８８.[８]㊀ＯＫＡＭＵＲＡＭ.Ａｂａｓｉｃｓｔｕｄｙｏｎｐｏｗｅｒｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍｓ[Ｊ].Ｅｌｅｃ￣ｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｉｎＪａｐａｎꎬ１９９６ꎬ１１５(３):４０.[９]㊀祁新春ꎬ李海冬ꎬ齐智平.双电层电容器电压均衡技术综述[Ｊ].高电压技术ꎬ２００８ꎬ３４(２):２９３.ＱＩＸｉｎｃｈｕｎꎬＬＩＨａｉｄｏｎｇꎬＱＩＺｈｉｐｉｎｇ.Ｏｖｅｒｖｉｅｗｏｆｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ[Ｊ].ＨｉｇｈＶｏｌｔａｇｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２００８ꎬ３４(２):２９３.[１０]㊀ＰＡＳＣＵＡＬＣꎬＫＲＥＩＮＰＴ.Ｓｗｉｔｃｈｅｄｃａｐａｃｉｔｏｒｓｙｓｔｅｍｆｏｒａｕｔｏ￣０４电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第２３卷㊀ｍａｔｉｃｓｅｒｉｅｓｂａｔｔｅｒｙｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ[Ｃ]//ＡｐｐｌｉｅｄＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ＆Ｅｘｐｏｓｉｔｉｏｎꎬ１９９７ꎬ２(２):８４８.[１１]㊀ＢＡＵＧＨＭＡＮＡＣꎬＦＥＲＤＯＷＳＩＭ.Ｄｏｕｂｌｅｔｉｅｒｅｄｓｗｉｔｃｈｅｄ￣ｃａ￣ｐａｃｉｔｏｒｂａｔｔｅｒｙｃｈａｒｇｅｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅ[Ｊ].ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃ￣ｔｉｏｎｓｏｎＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓꎬ２００８ꎬ５５(６):２２７７. [１２]㊀ＬＥＥＹＳꎬＣＨＥＮＧＭＷ.Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｂａｔｔｅｒｙｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎｆｏｒｓｅｒｉｅｓｃｏｎｎｅｃｔｅｄｌｉｔｈｉｕｍ￣ｉｏｎｂａｔｔｅｒｙｓｔｒｉｎｇｓ[Ｊ].ＩＥＥＥＴｒａｎｓ￣ａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓꎬ２００５ꎬ５２(５):１２９７. 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基于TLVH431的超级电容组均压电路研究作者：李伟路廷镇薛海峰牛余朋来源：《科技视界》2015年第24期【摘要】本文介绍一种基于TLVH431的超级电容电压均衡电路，实现对多个串联单体的快速有效均衡。

该电路利用TLVH431作为基准电压源，使得超级电容单体电压控制在设定范围之内，最终实现整个串联电容系统的电压均衡。

该电路结构简单，成本低廉，控制方便，能量损耗低。

文中详细分析了电路的工作原理及工作特性，解析电路各部分参数，并用实验予以验证。

实验结果证明了该电路优良的均压性能。

【关键词】TLVH431；电压均衡；自动均压0 引言超级电容因其具有功率密度高、循环寿命长、大电流放电能力强、能量转换效率高、环保无污染等优点，已经在电力机车、电力系统功率补偿设备等短时、大功率的应用场合得到了广泛应用。

超级电容的单体电压较低，一般只有2.7V，因此在实际应用中，需要将多个超级电容串联起来提供高工作电压。

由于材料和制作工艺的不同，超级电容在串联过程中单体间容量、等效串联电阻、漏电流等差异将导致串联系统中单体电压的不均衡，从而使超级电容出现过充或过放现象，降低能量的利用率。

为了更加高效的利用超级电容，需要采用电压均衡策略以减小或者消除单体间的不均衡。

本文详细分析了TLVH431的工作特性，设计基于其特性的超级电容电压均衡电路，通过分析芯片的工作原理，解析了均衡电路各部分参数。

该均压电路结构简单，不需要闭环控制，充电过程中，单体出现电压失衡时均压自动完成，该电路可以长时间工作，并且可以在多种场合中应用。

1 TLVH431简介TLVH431是德州仪器公司生产的一个有良好热稳定性能的精密三端并联稳压二极管并联稳压器。

如图1所示，TLVH431由一个Vref=1.24V的精密基准电压源、一个电压比较器和一个输出开关管等组成。

参考端R2的输出电压与1.24V的精密基准电压源比较，调节R1、R2的阻值，当R2端电压Vr达到或超过1.24V时，TLVH431阴极向阳极方向立即导通，即Vo=Vref，精确控制R2端电压，就可以精确控制其阴极向阳极方向的开关状态。

超级电容器串联应用中的均压问题及解决方案摘要：本文详尽的分析了超级电容器串联应用中影响各单体电容器上电压的一致性的原因，对不同的电压均衡的方法及存在的问题，提出使用的电压均衡电路单元，最后给出了实验结果。

关键词：超级电容器电压均衡温度系数Abstract: In this papper the reason has been analysed that si the ultra capacitor in series infkuence the consistency of the voltage of each unit capacitor in detailed .For different methods of the voltage balance and the questions existing,the voltage balance citcuit unit and the test result has been provided .Keywords: Ultra Capacitor Voltage Balance Temperature Coeffcient1. 问题的提出超级电容器的额定电压很低（不到3V），在应用中需要大量的串联。

由于应用中常需要大电流充放电，因此串联中的各个单体电容器上电压是否一致是至关重要的。

如果不采取必要的均压措施，会引起各个单体电容器上电压较大，采取更多的串联数来解决问题是不可取的。

影响均压的因素主要有：1.1 容量的偏差对电容器组的影响通常超级电容器容量偏差为-10%--+30%，上下偏差1.44。

当电容器组中出现容量偏差较大时，在充电时容量最小的电容器首先到达额定电压而电容量偏差最大的仅充到69%的额定电压，其储能为最小容量电容器的0.69%。

如式（1）（1）其中C min为最大负偏差电容量。

电容器组的平均储能为：（2）比全部由下偏容量超级电容器构成的电容器组还小，为标称值电容器的76%，即，其中C com为标称电容量。

超级电容器均压电路状况与展望摘要：本文分析了现有的超级电容器限幅型均压电路和动态均压电路的特点与实用性以及存在的问题，其本质就是均压电流远低于充电电流，导致分流效果差。

针对这些问题提出了改进的方法，采用加大均压电流方式减缓单体电压在充电过程中可能出现的过电压。

最后提出非能量损耗型均压电路是解决超级电容器电压均分的最好方法。

关键词：超级电容器；限幅型均压电路；动态均压电路；非能量损耗型均压电路引言超级电容器的额定电压很低（不到3V），在应用中需要大量的串联。

由于应用中常需要大电流充、放电，因此串联中的各个单体电容器上电压是否一致是至关重要的。

影响超级电容器电压是否均分的因素主要有：电容量、ESR、漏电流等，尽管超级电容器在应用初期这些参数对超级电容器的电压均分的影响比较小，但是在超级电容器应用的中后期，随着这些参数的离散性变大，对超级电容器电压均分的影响越来越大，最终导致超级电容器寿命的急剧缩短。

如果不采取必要的均压措施，会引起各个单体电容器上电压较大，采取更多的串联数来解决问题是不可取的。

1 超级电容器常用的均压方法及存在的问题目前超级电容器均压电路主要有两种：限幅型均压电路和动态电压均压电路。

1.1 限幅型均压电路及特点限幅型均压电路如图1。

从图中可以看到，当电压低于转折电压时，电路处于“阻断”状态，仅有很小的漏电流；而电压达到并超过转折电压后，流过电路的电流将随电压的增加而急剧增加，呈现稳压二极管特性，以达到分流充电电流或泄放过充的电荷，最终超级电容器的电压被限制在转折电压以下。

图1 限幅型均压电路这种电路的优点是电路工作原理简单，工作可靠，参数一致性好，一般的最大工作电流在1A以下。

这种特性也带来了应用时的问题，也就是充电过程超级电容器组中的某些超级电容器单体会出现比较严重的过电压。

例如，应用2.7V/600F、ESR0.8Ω超级电容器144只串联的390V/4F超级电容器组用7A电流充电到390V时，最高的单体电压达到2.95V，最低的仅仅2.45V。

基于双向DC／DC的超级电容均压电路盛超级电容功率密度大、循环寿命长及工作温度范围宽等优点使其成为近年来备受青睐的一种新型储能装置。

针对由于制造误差、自放电率等因素引起的电容器单体间电压差异，文章研究一种双向DC/DC均压电路实现超级电容电压均衡。

均压电路实时采集两组电容器电压值进行比例运算，通过算法控制达到均压效果。

基于MATLAB/Simulink搭建电路仿真模型，验证该方法的可行性。

标签：超级电容；双向DC/DC；均压1 概述與其他储能元件相比，超级电容具有功率密度大、循环寿命长、使用温度范围宽等优点，具有很好的发展前景。

超级电容具有双电层结构，单体电压一般为2.5～3.0V，为满足电压等级要求必须对其串并联使用。

但由于制造误差和制造水平等限制，超级电容器单体储存能力不一，因此需采用均压措施使超级电容器单体电压保持一致。

目前存在的均压电路主要分为能耗型和能量转移型。

能耗型均压法电路简单易实现，但能量浪费严重。

能量转移型均压方法通过中间元件传输能量，使超级电容器单体电压达到均衡，具有能耗低的优点，但其控制方法复杂，成本较高。

针对上述问题，本文研究一种基于双向DC/DC的超级电容均压电路，利用并联于超级电容器单体间的电感实现能量传输，最后达到均压目的。

2 双向DC/DC均压电路2.1 工作原理如图1所示双向DC/DC均压电路，在两个超级电容器SC1、SC2间并联一个电感，通过两侧开关控制两条支路的关断与接通，实现能量传输，到达均压效果。

当SC1电压高于SC2电压时，开关S1导通，S2关断，SC1向电感L充电，电感电流升高，SC1电压降低，充电一段时间后，断开S1接通S2，电感L向SC2放电，此时电感电流降低，SC2电压升高，放电一段时间再次开通S1关断S2，如此循环。

当SC2电压高于SC1电压时，开关S2导通，S1关断，SC2向电感L充电，电感电流升高，SC2电压降低，电感充电一段时间后，断开S2接通S1，电感L 向SC1放电，此时电感电流降低，SC1电压升高，放电一段时间再次开通S2关断S1，如此重复，最后达到电压平衡。

基于改进型简易DCDC变换器的超级电容均压电路研究*针对超级电容器电压均衡策略中出现的能源浪费、效率低、发热等问题，文章开展了不同电压均衡策略控制超级电容器充放电的研究，通过比较分析集中电压均衡策略的优缺点，提出了改进型的简化DCDC变换器法来平衡电压，设计并搭建了充电电压均衡和放电稳压方案的硬件电路，通过分析测得的实验数据，验证了方案具有一定的可行性和较高的实用价值。

标签：超级电容；储能；电压均衡；简易DCDC变换器引言随着国家大电网工程和分布式供能系统的大力推进，形成了基于新能源、智能控制技术的集中和分布式供电的微电网系统，是多领域、多气候、多能源综合利用的优选方式，对未来电网具有突破性的推动。

在微电网中，短期的储能装置对于更高效的利用电能、解决微电网突发故障、缓解用电矛盾具有重要意义。

超级电容器在储能领域应用非常广泛，可以改善分布式发电系统的稳定性、提高配电网的电能质量。

近年来，国外发达国家在超级电容器方面开展了大量的研究工作，取得的研究成果已经开始应用，保持着该领域的领先地位。

国内一些大学和科研院所也开展了对该领域相关工作的研究，但与国外的技术相比存在着不小的差距。

目前，超级电容器在工程中应用一般采用多个单体电容组合使用，常见的多为串联方式。

这种组合式超级电容器组在充电和放电时，因为每个单体电容的参数和性能多少会存在差异，输出的性能不能保持完全同步和一致，存在离散性，会产生电压的不均衡，整体应用时会导致某个单体电容器出现充电过裕或放电过低的问题，长期如此运行会导致整个超级电容器的寿命降低，稳定性下降，影响整体输出电压的稳定性，不利于负载的运行稳定。

因此，开展超级电容器储能系统电压均衡策略的研究具有重要意义。

文章针对串联超级电容器储能系统的电压均衡策略进行研究，在分析影响电压非均衡分布的相关因素的基础上，从不同电压均衡策略进行仿真分析，提出了改进型的简化DCDC变换器法来平衡电压，完成了软硬件的设计，并搭建了试验仿真平台对该方法进行验证，为超级电容器串联运行时电压平衡策略的选取和优化提供参考意见。

专利名称：一种超级电容器组均压电路专利类型：实用新型专利
发明人：赵晓玲
申请号：CN201520114100.7
申请日：20150217
公开号：CN204538731U
公开日：
20150805
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型涉及一种均压电路，尤其是一种超级电容器组均压电路。

它包括相连接的串联谐振逆变电路和电压倍增器；串联谐振逆变电路由第一开关管、第二开关管、谐振电感、谐振电容和变压器组成；电压倍增器由第一耦合电容、第二耦合电容、第三耦合电容、第四耦合电容和第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管以及第一超级电容、第二超级电容、第三超级电容、第四超级电容组成。

本实用新型通过串联谐振逆变电路和电压倍增器来实现超级电容均压，该电路与传统的均压电路相比，不需要庞大的电压检测电路和复杂的控制电路及反馈电路，使电路得到简化，降低了成本且可靠性高。

申请人：山东明大电器有限公司
地址：274000 山东省菏泽市开发区济南路999号
国籍：CN
代理机构：青岛致嘉知识产权代理事务所
代理人：刘晓
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超级电容器电压均衡电路研究
胡景泰;吴婷;梁海泉;陈宇飞
【期刊名称】《低压电器》
【年(卷),期】2016(000)005
【摘要】超级电容器具有功率密度大、充放电速度快、循环寿命长、效率高等优点,为轨道交通、电动汽车等产业的节能储能技术发展提供了重要的创新基础.但由于制造工艺引起的单体容量差异,组合使用的超级电容器极易发生电压不均衡和单体过充现象,影响超级电容器组的系统安全性、系统寿命及效率.在现有超级电容器均压技术的基础上,深入分析了其均压技术的特点并进行了仿真验证,对各种均衡方法的使用场合进行了评估.
【总页数】7页(P65-71)
【作者】胡景泰;吴婷;梁海泉;陈宇飞
【作者单位】同济大学铁道与城市轨道交通研究院,上海201804;同济大学铁道与城市轨道交通研究院,上海201804;同济大学铁道与城市轨道交通研究院,上海201804;同济大学电子与信息工程学院,上海201804
【正文语种】中文
【中图分类】TM53
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1.超级电容器电压均衡电路研究 [J], 胡景泰;吴婷;梁海泉;陈宇飞;
2.超级电容器组件的电压均衡控制电路设计 [J], 李忠学;陈杰
3.超级电容器组快速电压均衡方法研究 [J], 张政;刘仁金;刘世林
4.超级电容器组电压均衡研究 [J], 张国军; 田永锋; 韩静静; 任荣
5.超级电容器组快速电压均衡方法研究 [J], 张政[1];刘仁金[2];刘世林[2]
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