摘 要：針對(duì)超級(jí)電容器電壓均衡策略中出現(xiàn)的能源浪費(fèi)、效率低、發(fā)熱等問題，文章開展了不同電壓均衡策略控制超級(jí)電容器充放電的研究，通過比較分析集中電壓均衡策略的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了改進(jìn)型的簡(jiǎn)化DCDC變換器法來(lái)平衡電壓，設(shè)計(jì)并搭建了充電電壓均衡和放電穩(wěn)壓方案的硬件電路，通過分析測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了方案具有一定的可行性和較高的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：超級(jí)電容；儲(chǔ)能；電壓均衡；簡(jiǎn)易DCDC變換器

引言

隨著國(guó)家大電網(wǎng)工程和分布式供能系統(tǒng)的大力推進(jìn)，形成了基于新能源、智能控制技術(shù)的集中和分布式供電的微電網(wǎng)系統(tǒng)，是多領(lǐng)域、多氣候、多能源綜合利用的優(yōu)選方式，對(duì)未來(lái)電網(wǎng)具有突破性的推動(dòng)。在微電網(wǎng)中，短期的儲(chǔ)能裝置對(duì)于更高效的利用電能、解決微電網(wǎng)突發(fā)故障、緩解用電矛盾具有重要意義。

超級(jí)電容器在儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，可以改善分布式發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、提高配電網(wǎng)的電能質(zhì)量。近年來(lái)，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在超級(jí)電容器方面開展了大量的研究工作，取得的研究成果已經(jīng)開始應(yīng)用，保持著該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。國(guó)內(nèi)一些大學(xué)和科研院所也開展了對(duì)該領(lǐng)域相關(guān)工作的研究，但與國(guó)外的技術(shù)相比存在著不小的差距。目前，超級(jí)電容器在工程中應(yīng)用一般采用多個(gè)單體電容組合使用，常見的多為串聯(lián)方式。這種組合式超級(jí)電容器組在充電和放電時(shí)，因?yàn)槊總€(gè)單體電容的參數(shù)和性能多少會(huì)存在差異，輸出的性能不能保持完全同步和一致，存在離散性，會(huì)產(chǎn)生電壓的不均衡，整體應(yīng)用時(shí)會(huì)導(dǎo)致某個(gè)單體電容器出現(xiàn)充電過裕或放電過低的問題，長(zhǎng)期如此運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致整個(gè)超級(jí)電容器的壽命降低，穩(wěn)定性下降，影響整體輸出電壓的穩(wěn)定性，不利于負(fù)載的運(yùn)行穩(wěn)定。因此，開展超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)電壓均衡策略的研究具有重要意義。

文章針對(duì)串聯(lián)超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的電壓均衡策略進(jìn)行研究，在分析影響電壓非均衡分布的相關(guān)因素的基礎(chǔ)上，從不同電壓均衡策略進(jìn)行仿真分析，提出了改進(jìn)型的簡(jiǎn)化DCDC變換器法來(lái)平衡電壓，完成了軟硬件的設(shè)計(jì)，并搭建了試驗(yàn)仿真平臺(tái)對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證，為超級(jí)電容器串聯(lián)運(yùn)行時(shí)電壓平衡策略的選取和優(yōu)化提供參考意見。

1 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)電壓均衡策略

組合式超級(jí)電容器組在充點(diǎn)和放電時(shí)，因?yàn)槊總€(gè)單體電容的參數(shù)和性能多少會(huì)存在差異，輸出的性能不能保持完全同步和一致，存在離散性，會(huì)產(chǎn)生電壓的不均衡，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)超級(jí)電容器的壽命降低，穩(wěn)定性下降，影響整體輸出電壓的穩(wěn)定性，不利于負(fù)載的運(yùn)行穩(wěn)定。因此，電壓均衡是維系超級(jí)電容器正常穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素，不同場(chǎng)合使用不同的均衡策略是發(fā)揮超級(jí)電容器儲(chǔ)能優(yōu)越性的最優(yōu)方法。

目前常用的幾種方法中，穩(wěn)壓管電壓均衡策略采用4個(gè)超級(jí)電容器串接而成；開關(guān)電阻均衡策略的電路結(jié)構(gòu)單體電容，各電容器電壓從初始電壓線性升高到基準(zhǔn)電壓，達(dá)到基準(zhǔn)電壓值后，開關(guān)電阻并入電路形成并聯(lián)之路，分走部分電流，使得各電容器的充電電流降低，電壓上升趨勢(shì)變緩，最終達(dá)到額定電壓；DCDC變換器均衡策略的電路結(jié)構(gòu)與前面不同，充電初期，電壓高的電容處于放電狀態(tài)，電壓低的電容處于充電狀態(tài)，低電壓的電容電壓上升速率高于線性，可見此時(shí)高電壓的電容也同時(shí)放電給低電壓的電容充電，直至4個(gè)電容器的電壓值相當(dāng)，并同步達(dá)到額定值。綜合對(duì)比上述三種電壓平衡策略可以看出，采用穩(wěn)壓管和開關(guān)電阻的方法電路結(jié)構(gòu)比較容易實(shí)現(xiàn)，操控簡(jiǎn)潔，材料成本較低，但是不能采用大電流充電，能源利用率低，且器件的散熱沒有很好的解決；DCDC能量變換均衡策略實(shí)現(xiàn)了大電流充電，能量的利用率提高，且極大地縮短了充電時(shí)間，但控制器件增多，過程繁雜，也增加了材料的成本。

2 改進(jìn)型的DCDC變換器均衡策略及實(shí)現(xiàn)

通過上述分析，文章提出了一種改進(jìn)型的DCDC變換器電壓均衡策略，將最后一個(gè)單體電容器改為向前面所有的電容器進(jìn)行能量傳遞，有效避免了系統(tǒng)減少隔離變壓器而帶來(lái)的短路問題。該策略中各電容器充電相對(duì)獨(dú)立，具有很好的電壓均衡性，對(duì)于工程實(shí)際應(yīng)用具有較高的可行性。

為了驗(yàn)證該策略的可行性，文章設(shè)計(jì)了改進(jìn)型的DCDC變換器控制策略的模塊：R=180Ω，Rsc=0.2Ω，L=1mH，Ct=1000pF，Ci=100uF，Co=200uF，R1=1kΩ，R2=20kΩ。模塊電路圖和樣品如圖1所示。

對(duì)模塊進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)輸入電壓從3V～20V變化時(shí)，模塊的輸出電壓基本保持不變，見表1所示。模塊的基本維持在26V左右，但隨著輸入電壓的降低，最大輸出電流逐漸減小，帶負(fù)載能力下降。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)超級(jí)電容器不同的電壓均衡策略的研究，提出了改進(jìn)型的簡(jiǎn)化DCDC變換器控制策略，實(shí)現(xiàn)了各電容器的獨(dú)立充電，解決了各電容器混充的局面，具有很好的電壓均衡性，對(duì)于工程實(shí)際應(yīng)用具有較高的可行性。

參考文獻(xiàn)

[1]孟麗囡，陳永真，寧武.超級(jí)電容器串聯(lián)應(yīng)用中的均壓?jiǎn)栴}及解決方案[J].遼寧工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，25（1）：1-2.

[2]高云，陳永真，王春霞.超級(jí)電容器組單體電壓的動(dòng)態(tài)均衡[J].電源世界，2007，3：45-47.