李洪珠，王旭生，陳淑涵，祁 鱗

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，遼寧葫蘆島125105)

一種新型電壓均衡方法在串聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用

李洪珠，王旭生，陳淑涵，祁 鱗

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，遼寧葫蘆島125105)

超級(jí)電容串聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)的單體電壓不均衡會(huì)影響超級(jí)電容的使用壽命和能量利用率?，F(xiàn)有DC-DC電壓均衡方法中所采用的傳統(tǒng)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，電路中開(kāi)關(guān)管、電感、變壓器等元器件的數(shù)量較多。采用一種基于Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電壓均衡充電系統(tǒng)，由于其單開(kāi)關(guān)、單電感的Boost電路結(jié)構(gòu)降低了電壓均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)可靠性。分析了電路的均衡過(guò)程，利用推導(dǎo)的等效電路分析了電壓均衡原理，并給出了恒電流輸入-恒壓充電方法。通過(guò)對(duì)3個(gè)超級(jí)電容組成的串聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果驗(yàn)證了充電系統(tǒng)具有均較高的效率。

超級(jí)電容;電壓不均衡;均衡電路

1 引言

超級(jí)電容［1］又叫黃金電容、法拉電容，它是介于傳統(tǒng)電容和電池之間的一種儲(chǔ)能元件，因此它既有傳統(tǒng)電容器大電流充放電特性也具有電池的儲(chǔ)能特性。由于其儲(chǔ)能的過(guò)程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其過(guò)程是可逆的，因此超級(jí)電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬(wàn)次。

超級(jí)電容單體的額定電壓很低，當(dāng)其用作電源時(shí)要將多個(gè)超級(jí)電容單體串聯(lián)在一起使用，來(lái)滿(mǎn)足電壓的需求。但超級(jí)電容的容量偏差、漏電流以及等效電阻對(duì)其影響很大，充電時(shí)容量小、漏電流小、等效電阻大的超級(jí)電容器都會(huì)出現(xiàn)過(guò)充電［2］，因此超級(jí)電容在串聯(lián)應(yīng)用中就必須考慮均壓?jiǎn)栴}。

目前，超級(jí)電容的均壓方法主要分為能耗型均壓和回饋型均壓。能耗型均壓包括并聯(lián)穩(wěn)壓二極管法和開(kāi)關(guān)電阻法［3］，這種類(lèi)型均壓方法的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、成本低;缺點(diǎn)是二極管和電阻在充電過(guò)程中消耗能量，能量浪費(fèi)嚴(yán)重?；仞佇途鶋喊―C-DC變換器法和開(kāi)關(guān)電容法［4］。該類(lèi)型均壓方法的優(yōu)點(diǎn)是能量消耗低、能量轉(zhuǎn)換速度快;缺點(diǎn)是由于加入的電子元器件，不僅會(huì)增加電路的復(fù)雜性，也會(huì)使系統(tǒng)在控制上產(chǎn)生一定難度。

本文采用一種應(yīng)用于串聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)中的基于Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電壓均衡充電系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的回饋型均衡系統(tǒng)相比，本充電系統(tǒng)的單開(kāi)關(guān)、單電感結(jié)構(gòu)能明顯降低電路的復(fù)雜性。

2 Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的均壓原理分析

Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的均壓充電電路如圖1所示。兩個(gè)串聯(lián)的二極管與每個(gè)超級(jí)電容單體并聯(lián)，能量傳遞電容C1～C3連接在串聯(lián)二極管連接處，電路的充電電流如圖2所示。

在開(kāi)關(guān)Q導(dǎo)通階段，超級(jí)電容單體B1、B2通過(guò)圖1中D1、D3、D5二級(jí)管放電。超級(jí)電容單體B1～B3的容量遠(yuǎn)大于電容C1、C3，因此在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中B1～B3的電壓VB1～VB3的變化足夠小，可以忽略不計(jì)。電容C1～C3的電壓VC1A～VC3A在開(kāi)關(guān)Q關(guān)斷前可以表示為

式中，VDi(i=1，2，3，4，5，6)為二極管上的管壓降。

在開(kāi)關(guān)Q關(guān)斷階段，電源對(duì)B1～B3進(jìn)行充電。開(kāi)關(guān)Q兩端電壓VQ可表示為

圖1 應(yīng)用在串聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)中均衡充電系統(tǒng)Fig．1 Application of equalization charger in energy storage system

圖2 各階段均衡充電系統(tǒng)的電流方向Fig．2 Current directions of equalization charger in each period

式中，d是開(kāi)關(guān)占空比;電容C1～C3的電壓VC1B～VC3B在開(kāi)關(guān)Q導(dǎo)通前可以表示為

假設(shè)VDi=VD，由式(1)和式(3)得 C1～C3在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的電壓變化量 ΔVC1～ΔVC3可表示為

超級(jí)電容傳遞的平均能量可表示為

則式(4)可表示為

式中，f是開(kāi)關(guān)頻率。

由于傳遞電容容量和開(kāi)關(guān)頻率的乘積Cif的倒數(shù)可表示為等效電阻Ri［5］，則式(6)可以表示為

式中，ICiRi為等效電阻Ri上的壓降;2VD是串聯(lián)二極管上的壓降。根據(jù)歐姆定律，圖1充電系統(tǒng)等效電路如圖3所示。由等效電路圖可見(jiàn)B1～B3通過(guò)兩個(gè)二極管和一個(gè)等效電阻連接在直流電壓源VQ上。當(dāng)Bi上電壓和等效電阻Ri為確定值時(shí)，流過(guò)Bi的充電電流相等。當(dāng)Bi初始電壓不同時(shí)，電壓低的超級(jí)電容單體優(yōu)先充電，充電結(jié)束后所有超級(jí)電容單體的電壓大小均為VQ－2VD。

圖3 均衡充電器的等效電路圖Fig．3 Equivalent circuit of equalization charger

3 恒輸入電流-恒壓充電控制方法

恒流-恒壓(CC-CV)是儲(chǔ)能系統(tǒng)最常用的一種充電模式。對(duì)于圖1充電系統(tǒng)，由式(7)可知當(dāng)VDi相同時(shí)所有超級(jí)電容單體的電壓理論上是相等的。因此在恒壓充電時(shí)，只需對(duì)一個(gè)超級(jí)電容單體進(jìn)行電壓檢測(cè)，而傳統(tǒng)的變換器均壓法需要三個(gè)這樣的檢測(cè)電路。另一方面，恒流充電時(shí)必須通過(guò)檢測(cè)每個(gè)超級(jí)電容單體電流來(lái)控制充電電流。若本系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的恒流充電，則需要三個(gè)電流檢測(cè)電路。本文提出了一種通過(guò)檢測(cè)輸入電流來(lái)代替檢測(cè)超級(jí)電容單體電流的一種方法，本文稱(chēng)之為恒電流輸入充電方法(CIC)，CIC通過(guò)控制輸入電流，使圖1充電系統(tǒng)工作在一個(gè)恒電流輸入的充電模式。CIC充電工作在恒定的輸入電壓情況下，超級(jí)電容單體的電流便會(huì)維持在某個(gè)范圍之內(nèi)。這時(shí)CIC充電模式便可以等效為恒功率(CP)充電模式，因此本系統(tǒng)所需要的電流檢測(cè)電路也就變成一個(gè)。

該系統(tǒng)的控制原理圖如圖4所示，超級(jí)電容單體電壓Ut和輸入電流it與給定的電壓U*、電流i*比較后獲得電壓和電流偏差信號(hào)ΔU和Δi，二者通過(guò)功率控制環(huán)節(jié)獲得控制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管Q。在CIC充電時(shí)，充電開(kāi)始時(shí)有相對(duì)較大的電流流過(guò)超級(jí)電容單體，輸入電流的大小隨著超級(jí)電容單體電壓的上升而下降。

圖4 系統(tǒng)控制原理圖Fig．4 System control schematics

4 樣機(jī)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

樣機(jī)的輸入電壓Vin為1.5V，超級(jí)電容采用錦州凱美公司生產(chǎn)的HP-2R7-J307UY，單體容量為300F，額定電壓為2.7V，電感值為22μH，電容值為22μF，二極管為肖特基二極管，MOSFET管選用HAT 2266H，開(kāi)關(guān)控制器IC為L(zhǎng)T C1624，樣機(jī)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率為200kHz。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，三個(gè)超級(jí)電容單體的初始電壓分別為1.9V、2.1V和2.3V。圖5給出了超級(jí)電容單體電流、電壓和標(biāo)準(zhǔn)差的曲線圖。

圖5 初始電壓不同的串聯(lián)超級(jí)電容進(jìn)行均衡充電的實(shí)驗(yàn)曲線圖Fig．5 Experimental charge profiles of series connected SCs charged from initially voltage-imbalance condition

在每次充電開(kāi)始時(shí)，電壓最低的超級(jí)電容單體先開(kāi)始充電。因此在實(shí)驗(yàn)最開(kāi)始只有B1有電流流過(guò)，其他的超級(jí)電容單體沒(méi)有電流流過(guò)。當(dāng)VB1超過(guò)VB2時(shí)B2開(kāi)始有電流流過(guò)，VB2開(kāi)始上升，最后每個(gè)超級(jí)電容單體電壓就會(huì)相同并且一起上升。

由于超級(jí)電容單體是在CIC模式充電，因此隨著電壓上升，電壓的上升率隨之下降，最后所有超級(jí)電容單體的電壓為2.7V。在進(jìn)行CIC模式充電時(shí)，剛開(kāi)始所有超級(jí)電容單體電壓的標(biāo)準(zhǔn)差在相等之前迅速下降。在超級(jí)電容單體的電壓相等時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差曲線趨于穩(wěn)定。當(dāng)充電模式由CIC轉(zhuǎn)為CV之后，所有的超級(jí)電容單體的電流開(kāi)始變得微弱，標(biāo)準(zhǔn)差又明顯下降。在實(shí)驗(yàn)最后標(biāo)準(zhǔn)差大約為5mV。

在CIC充電模式下獲得圖6所示的轉(zhuǎn)換效率、輸出電流隨總輸出電壓變化的波形圖。由于系統(tǒng)工作在CIC模式，所以輸出電流隨著總輸出電壓的上升而下降。轉(zhuǎn)換效率隨輸出電流的上升而下降。由圖6可以看出平均的轉(zhuǎn)換效率大約為88%。

圖6 均壓后轉(zhuǎn)換效率、輸出電流隨總輸出電壓變化Fig．6 Efficiency performance and output current as function of total output voltage after equalization

5 結(jié)論

提出了一種在超級(jí)電容串聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)中采用單開(kāi)關(guān)、單電感的均衡充電方法。單開(kāi)關(guān)、單電感的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的均衡器相比明顯降低了電路的復(fù)雜性;通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出均衡器的等效電路;采用了一種適合本系統(tǒng)的CIC-CV充電模式。利用該均衡充電方法，對(duì)三個(gè)串聯(lián)的超級(jí)電容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，三個(gè)超級(jí)電容的初始電壓設(shè)置為不同值，通過(guò)圖5可以看出電壓低的儲(chǔ)能模塊先充電，隨著充電的進(jìn)行電壓不平衡被消除，最后所有儲(chǔ)能模塊的電壓達(dá)到了同一值，實(shí)現(xiàn)電壓均衡的效果，且轉(zhuǎn)換效率大約為88%。

［1］桂長(zhǎng)清 (Gui Changqing)．新型儲(chǔ)能元件超級(jí)電容(New type of energy storage element supercapacitance)［J］．船電技術(shù) (Marine Electric＆Electronic Technology)，2003，(1):23-26．

［2］王東 (Wang Dong)．超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)電壓均衡技術(shù)的研究 (Research on voltage balance of supercapacitor storage energy system)［D］．大連:大連理工大學(xué)(Dalian:Dalian University of Technology)，2008．

［3］孟麗囡，陳永真，寧武 (Meng Li’nan，Chen Yongzhen，Ning Wu)．超級(jí)電容器串聯(lián)應(yīng)用中的均壓?jiǎn)栴}及解決方案 (Solution to voltage balance of series ultra capacitor)［J］．遼寧工學(xué)院學(xué)報(bào) (Journal of Liaoning Institute of Technology)，2005，25(1):1-3．

［4］李海冬，齊智平，馮之鉞 (Li Haidong，Qi Zhiping，F(xiàn)eng Zhiyue)．超級(jí)電容器電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的電壓均衡策略 (Voltage balancing strategy for super capacitor power storage system)［J］．電網(wǎng)技術(shù) (Power System Technology)，2007，31(3):19-23．

［5］丘關(guān)源 (Qiu Guanyuan)．電路 (The circuit) ［M］．北京:高等教育出版社 (Beijing:Higher Education Press)，1999．

Novel voltage balancing charger for series-connected energy storage system

LI Hong-zhu，WANG Xu-sheng，CHEN Shu-han，QI Lin

(College of Electrical and Control Engineering，Liaoning Technical University，Huludao 125105，China)

In the series-connected energy storage modules of super capacitors(SCs)the monomer voltage imbalance can lead to premature deterioration of modules，such as decrease of life span and energy efficiency．However，the conventional topologies in DC-DC voltage equalization approach consist of numerous switches，inductor，or transformers，so the circuit size and complexity are prone to increase with the number of series connections．This paper proposes a voltage equilibrium system which is based on Boost topology structure．Due to the single-switch single-inductor topology equalization charger structure，the proposed equalization can dramatically reduce the circuit size and improve the reliability of the system．The equilibrium process and the equilibrium principle of the circuit are analyzed using an equivalent circuit and gives out the constant current constant voltage charging method．An experimental charge test was implemented for 3 series-connected SC modules，and the result showed that the proposed equalization charger has a higher efficiency．

super capacitor;voltage imbalance;equivalent circuit

TM53

A

1003-3076(2014)07-0077-04

2012-10-30

李洪珠(1974-)，男，黑龍江籍，副教授，碩士，主要從事電力電子和電力系統(tǒng)領(lǐng)域的研究;王旭生(1987-)，男(滿(mǎn)族)，遼寧籍，碩士研究生，主要從事電力儲(chǔ)能新技術(shù)的研究。