超级电容组的均压问题

基于多重SEPIC斩波电路的超级电容均压策略孙健【摘要】串联超级电容器组中的单体电压不均衡会降低电容器的储存能量,缩短其使用寿命.传统的电压均衡方法电路拓扑结构复杂、开关器件和磁性元件数量较多、体积较大.鉴于这些不足之处,采用一种基于多重SEPIC斩波电路的电压均衡策略,电路结构简单,而且当系统工作在DCM模式时,开关频率和占空比固定,不需要反馈控制环节.分析了系统在DCM模式下的电压均衡原理,并推导出均压时间.最后将四个超级电容器串联起来进行实验测试,结果表明:此电压均衡策略具有均压速度快且效率高的优点.【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2014(038)006【总页数】4页(P1110-1113)【关键词】电压均衡;SEPIC;DCM;超级电容【作者】孙健【作者单位】中煤科工集团重庆研究院,重庆400037【正文语种】中文【中图分类】TM53超级电容器是利用双层原理直接储存电能的新型储能元件，具有充电速度快、循环使用寿命长、大电流放电能力强、能量转换效率高等优点，已经在电力机车等场合得到了广泛的应用，是一种具有良好发展前景的电力储能技术。

超级电容器的工作电压一般为1～3 V，当其用作储能单元时，必须将多个超级电容器串联起来才能满足负载电压等级的需求。

在使用过程中，由于超级电容器内阻抗、容量偏差、放电次数的不同会导致储能系统中的单体电压不均衡，从而使一些超级电容器出现过充或过放现象，降低了能量利用率，因此串联超级电容器组的均压问题越来越受到重视[1-2]。

目前，稳压二极管法和开关电阻法等能耗型电压均衡策略的电路结构简单、成本低，但由于使用了耗能型器件，均压过程消耗能量大，且系统可靠性差。

开关电容器法、Buck-Boost变换器法和Cuk变换器法等回馈型电压均衡策略在均压过程中能量转换速度快，但电路中需要驱动IC、光电耦合器和一些无源器件等，系统控制方法较复杂。

针对上述电压均衡策略所存在的不足，本文采用了一种基于多重SEPIC 斩波电路的电压均衡策略。

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。

10A级超级电容器均压技术的研究
邹颖;陈之勃;曹明辉;郑率
【期刊名称】《辽宁工业大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2016(036)002
【摘要】分析了超级电容器串联应用中单体电压均衡问题和影响各单体电容器上电压均衡的原因;指出了现有的电压均衡技术调整管工作在线性状态导致了均衡电流不能过高,大电流充电过程会出现个别单体超级电容器过电压问题.改变调整管工作状态为开关状态,降低了调整管损耗,可以大幅度提高均衡电流.
【总页数】4页(P96-98,102)
【作者】邹颖;陈之勃;曹明辉;郑率
【作者单位】辽宁工业大学电子与信息工程学院,辽宁锦州 121001;辽宁工业大学电子与信息工程学院,辽宁锦州 121001;辽宁工业大学电子与信息工程学院,辽宁锦州 121001;国网辽宁检修公司,辽宁锦州 121000
【正文语种】中文
【中图分类】TM46
【相关文献】
1.串联超级电容器组充电特性研究及均压电路设计 [J], 凌斯;黄智慧;孟庆欢
2.关于超级电容器的一种新型均压技术的研究 [J], 张媛;智泽英;武宏亮;胡雪琳
3.超级电容器充电过程中的双重均压研究 [J], 芮丽莹;黄学文;朱孔军;谢维泰;吴义鹏
4.超级电容器充电过程中的双重均压研究 [J], 芮丽莹;黄学文;朱孔军;谢维泰;吴义
鹏
5.串联超级电容器组的均压控制分析与研究 [J], 戴志兰;叶玉凤;秦晓飞
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基于多路开关的串联超级电容器均压方法
彭思敏;袁婕;张道涵;胥峥
【期刊名称】《电力电子技术》
【年(卷),期】2018(052)006
【摘要】针对单体电压不均衡或异常导致串联超级电容器寿命降低、可靠性下降等问题,提出一种基于多路开关的串联超级电容器均压控制方法.该方法引入多路开关器件,通过检测各电容器单体端电压,利用充放电均压控制单元来判断单体是否异常或故障,并自动控制多路开关的导通与关断来实现对各单体的均压控制.分析了系统主要电路结构及其工作原理,进行了开关器件参数设计,仿真及实验结果表明该方法在不影响其他单体充放电效果前提下,可剔除故障单体且实现充放电均压控制.【总页数】3页(P46-48)
【作者】彭思敏;袁婕;张道涵;胥峥
【作者单位】盐城工学院,电气工程学院,江苏盐城224051;盐城工学院,电气工程学院,江苏盐城224051;盐城工学院,电气工程学院,江苏盐城224051;国网盐城供电公司,江苏盐城224005
【正文语种】中文
【中图分类】TM53
【相关文献】
1.超级电容器串联分组均压法的设计与仿真 [J], 杨泽明;王超;张小华;郑浪
2.串联超级电容器组充电特性研究及均压电路设计 [J], 凌斯;黄智慧;孟庆欢
3.改进的串联超级电容器组充电均压方法的研究 [J], 邓欢欢
4.一种串联超级电容器均压电路 [J], 何圣仲; 覃福班; 何晓琼; 徐英雷; 周柬成
5.串联超级电容器组的均压控制分析与研究 [J], 戴志兰;叶玉凤;秦晓飞
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超级电容器目前存在问题
超级电容器是一种介于传统物理电容器件和电池之间的新型器件。

它工作条件友好，工作时无污染、无排放，绿色环保，性能优越，其应用日益广泛，市场前景不可估量，必将对电力电子技术的发展产生深远的影响.
但是超级电容的电压不够造成使用方面的许多困扰。

超级电容器大多使用水性电解液，但水性电解液的工作电压低，只有大约1V左右，使得超级电容器达不到应用时的高工作电压状态，这是超级电容器应用时要解决的问题之一。

为解决这个问题，人们往往把数个超级电容器串联起来使用，来提高超级电容器的工作电压。

但这样会造成单体超级电容器的电压不均衡问题，这是因为在超级电容器制作材料、制作过程的不一致性，造成了超级电容器在充放电过程中各个单体之间电压不一致。

随着循环次数的增大，这种不一致性会严重影响超级电容器的性能。

一般要求单体之间的电压差别不超过5%。

如果差别过大，在充电过程中会使得某个单体电压过高，造成超级电容器的失效，在放电过程中会使得某个单体过放电，也会造成超级电容器失效。

因此，超级电容器应用时要妥善解决电压不均衡的问题。

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文献综述超级电容器的现状及发展趋势目录1 前言2 超级电容器发展现状3 超级电容的特点4 超级电容器电压均衡技术解决方案5 超级电容器的发展趋势与展望6 小结21.前言随着化石能源资源的日益匮乏和人们强烈的环保意识，有力地促进了太阳能和风能等可再生能源的发展。

但太阳能、风能具有波动性和间歇性，需要有效的储能装置保证其能够稳定的在电网中并网工作。

同时，电动汽车产业的快速发展也迫切需要发展低沉本、环境友好、能量密度高的储能装置。

超级电容器也叫做双电层电容器是一种具有高能量密度的新型储能元器件，它可提供大功率并具有超长寿命，是一种兼备电容和电池特性的新型元件，在混合动力电动车、脉冲电源系统和应急电源等领域具有广泛的应用前景。

而对于大功率系统来说，由于超级电容单体的电压值和能量都比较低，不能满足应用系统功率、放电时间及电压要求。

为满足实际应用工况的电压需求，需将多个单体串并联以提高储能模块的工作电压，单体电容器参数的分散性是制约超级电容器模块寿命和可靠性的主要因素。

然而市面上同一型号规格的超级电容器在电压、内阻、容量等参数上存在着不一致，并且在超级电容器使用过程中，工作环境不同以及电压不均匀的积累又加剧了超级电容器的参数不一致性。

这种离散性极易造成超级电容的过充或过放，从而影响系统的使用寿命和可靠性。

因此，研究和实现超级电容器的电压均衡对于提高超级电容器的整体性能是十分必要和关键的技术。

基于此本文将主要对超级电容器的发展现状、优缺点、电压均衡方法及未来的发展趋势进行阐述。

2.发展现状超级电容器利用双电层原理直接存储电能，其容量可达数万法拉，是介于蓄电池和传统电容器之间的一种新型储能装置。

超级电容器储存的能量E=25.0V C ⨯⨯，与容量C 和工作电压V 的平方成正比，具有较大的比电容、充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保的特点。

同时，与化学电源相比较，超级电容具有跟高的比功率，能够在短时间内释放化学电源所难达到的大电流，这一性质很好带地满足了某些电设备对瞬时大电流的需求，具有很大的发展潜能。

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。