趙凱岐，齊志遠(yuǎn)，高福隆

（哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江　哈爾濱　150001）

基于軟開關(guān)全橋逆變器的超級(jí)電容均壓電路

趙凱岐，齊志遠(yuǎn)，高福隆

（哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

超級(jí)電容儲(chǔ)能元件具有功率密度大，壽命長和效率高等優(yōu)點(diǎn)，是高功率緩沖和再生制動(dòng)能量存儲(chǔ)的首選。但串聯(lián)超級(jí)電容電壓不均衡是一個(gè)值得注意的問題。提出一種新的基于軟開關(guān)控制的全橋逆變器和電壓乘法器的動(dòng)態(tài)均壓電路，結(jié)構(gòu)簡單，自主均壓，速度快，開關(guān)損耗小。針對(duì)4個(gè)串聯(lián)超級(jí)電容進(jìn)行了均壓實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致，從而論證了該電路的有效性。

超級(jí)電容；均壓器；全橋逆變器；電壓乘法器；移相全橋；軟開關(guān)

在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中，制動(dòng)瞬間的能量是巨大的。超級(jí)電容作為一種先進(jìn)的高能量儲(chǔ)存元件，具有充放電速度快、效率高、壽命長、功率密度大、串并聯(lián)組合方便以及對(duì)環(huán)境無污染等特點(diǎn)［1］，能夠提供和吸收瞬間大功率。然而超級(jí)電容單體電壓通常比較低（1～3 V），需要將超級(jí)電容進(jìn)行串并聯(lián)組合作為儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行能量存儲(chǔ)。由于材料和制造工藝水平的限制，超級(jí)電容內(nèi)部參數(shù)具有離散性，因此在串聯(lián)工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)電壓不均衡，影響電容器的壽命和整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)也影響電容器組的儲(chǔ)能容量，使容量不能充分利用，存在浪費(fèi)。

目前已有多種超級(jí)電容均壓電路被提出［2-3］。其中能耗型均壓器結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)，是最常見的方法［4］。但由于它是通過耗能元件釋放電壓過高電容器單元中的能量來實(shí)現(xiàn)電壓均衡的，在均壓過程中產(chǎn)生了能量損耗，降低了能源效率，還可能會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)和管理。

能量轉(zhuǎn)移型均壓器通過在串聯(lián)超級(jí)電容單體之間轉(zhuǎn)移能量以實(shí)現(xiàn)均壓［5-6］，實(shí)現(xiàn)了更高的能量效率，但它需要更復(fù)雜的電路。常見的無耗散均壓器是基于多個(gè)獨(dú)立的雙向DC-DC變換器，比如升降壓變換器［7］和開關(guān)電容變換器［8-9］；所需開關(guān)器件的數(shù)量和電容串聯(lián)的數(shù)量成正比。而開關(guān)器件需要輔助的驅(qū)動(dòng)控制電路，電路結(jié)構(gòu)會(huì)十分復(fù)雜。

本文提出一種基于軟開關(guān)技術(shù)的新型超級(jí)電容串聯(lián)均壓電路。與傳統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)移型的均壓器相比，它降低了電路的復(fù)雜度、尺寸和重量，尤其是對(duì)于需要大量超級(jí)電容串并聯(lián)的應(yīng)用場(chǎng)合更為適用。

1　新型均壓器的運(yùn)行分析

本文以4個(gè)串聯(lián)超級(jí)電容均壓器為例進(jìn)行分析，如圖1所示。均壓器包括2個(gè)功能模塊：全橋逆變器和電壓乘法器。其中，電壓乘法器由能量轉(zhuǎn)移電容C1～C4，二極管D1～D8和超級(jí)電容SC1～SC4組成［10-12］。全橋逆變器的開關(guān)器件兩端分別并聯(lián)諧振電容，配合移相全橋PWM控制方案，實(shí)現(xiàn)開關(guān)器件的軟開關(guān)［13-14］。全橋逆變器的輸入和電壓乘法器的輸出相連接，為超級(jí)電容中的能量提供一個(gè)流通的回路，這是均壓器工作的前提條件。該均壓器通過超級(jí)電容存儲(chǔ)的能量在全橋逆變器和電壓乘法器中的循環(huán)流動(dòng)來實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容中能量的轉(zhuǎn)移和重新分配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)串聯(lián)超級(jí)電容的自動(dòng)均壓。

圖1　基于移相全橋控制的新型均壓電路Fig.1　The circuit of voltage equalizing

設(shè)移相角α為零，電路的主要波形和電流分析分別如圖2和圖3所示。如圖2a所示，場(chǎng)效應(yīng)管Q1（或Q2）和Q3（或Q4）是用小于0.5的固定占空比的極性相反的驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)的。它的運(yùn)行可以分為4個(gè)模式：A（Q1和Q4開關(guān)開通），B（Q1 和Q4關(guān)斷，Q2和Q3未開通），C（Q2和Q3開關(guān)開通）和D（Q2和Q3關(guān)斷，Q1和Q4未開通）。下面的分析基于以下假設(shè)，即開關(guān)器件的導(dǎo)通壓降幾乎為零，并且在1個(gè)開關(guān)周期內(nèi)Ci的電壓變化和SCi的電壓相比足夠小。

在模式A期間，Q1和Q4導(dǎo)通，變壓器漏感Lkg的電流幾乎線性增長。電壓乘法器中奇數(shù)號(hào)的二極管導(dǎo)通，給電容C1～C4充電，如圖3a所示。隨著電流iLkg的增加，電容Ci的電流iCi和奇數(shù)號(hào)二極管電流iD-odd也隨著增加。

圖2　新型串聯(lián)超級(jí)電容均壓電路波形Fig.2　The waveforms of the proposed circuit

當(dāng)Q1和Q4的門極信號(hào)為低電平時(shí)，由于電容CQ1和CQ4的存在，Q1和Q4的端電壓為零，開關(guān)器件零電壓關(guān)斷。在Q1和Q4關(guān)斷之后，模式B開始，開關(guān)管Q2和Q4的反并聯(lián)二極管開通如圖3b所示，電容CQ2和CQ3開始放電，電壓降低。漏感Lkg的電流iLkg減小，iCi和iD-odd也隨之減小。當(dāng)iLkg降到零時(shí)，模式B結(jié)束，電容CQ2和CQ3的端電壓已經(jīng)降到接近為零。

變壓器初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的電壓：VP和VS。在圖3a和圖3b中，VP和VS的平均電壓VP-AB和VS-AB為

圖3　模式A，B，C，D期間的電流流向Fig.3　The current flowing in different modes

式中：N為變壓器匝數(shù)比；VCi為Ci的平均電壓；VDk為Dk的正向壓降；ICi-AB為流過Ci的平均電流；ri為Ci的等效串聯(lián)電阻；rDk為二極管Dk的正向電阻。

Lkg為平均電流ILkg-AB由下式給出：

如圖3c所示，當(dāng)iLkg降到零時(shí)，Q2和Q3在零電壓下開通，模式C開始。電流iLkg和iCi反向增長，偶數(shù)號(hào)的二極管開始導(dǎo)通，電流iD-even開始增長。關(guān)斷Q2和Q3，進(jìn)入模式D。由于電容CQ2和CQ3的存在，Q2和Q3在零電壓下關(guān)斷，如圖3d所示。Q1和Q4的反并聯(lián)二極管導(dǎo)通，電容CQ1和CQ4進(jìn)行放電。模式D一直持續(xù)到iLkg為零為止，此時(shí)電容CQ1和CQ4的電壓接近為零。

同理可推出CD模式下的相關(guān)電流方程。Ci的電荷平衡方程為

式中：ICi-CD為模式C和D的平均電流；TA～TD分別是模式A～D的周期。

變壓器繞組的平均電壓在穩(wěn)定的條件下一定為零。因?yàn)門A+TB=TC+TD；因此，由式（3）得：

將式（4）代入式（2）中，得：

假設(shè)VDk=VD和rDk=rD，則式（1）、式（4）可化為

將式（4）和式（6）代入式（1）中，得：

式（2）和式（7）表明，ILkg流經(jīng)C1～C4，大小由VSC1～VSC4決定。假如VSC1是VSC1～VSC4中最低的，則IC1變?yōu)樽畲?，以致式?）中IC1（r1+rD）變大，而其它項(xiàng)變小，比如：IC2（r2+rD）-IC4（r4+rD）。

2　仿真驗(yàn)證

仿真參數(shù)為：Ci=330 μF，VD=0.36 V，rD= 150 mΩ，Lkg=20 μH，Cbk=200 μF，N=4，SC1～SC4容量值為0.01 F，初始值不均衡分別為2.5 V，2 V，1.5 V和1 V。設(shè)置導(dǎo)通電阻為零的理想場(chǎng)效應(yīng)管以0.46的固定占空比運(yùn)行在 f=50 kHz的開關(guān)頻率上。仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。圖4為能量轉(zhuǎn)移電容電壓波形，與理論推導(dǎo)式（6）相一致。

圖4　能量轉(zhuǎn)移電容的電壓波形Fig.4　The voltage waveforms of the Ci

圖5　新型串聯(lián)超級(jí)電容均壓電路的均壓波形圖Fig.5　The voltage equalizing waveforms of the circuit

仿真結(jié)果顯示，電壓低的電容由于從電壓乘法器接收能量而得到了充電，電壓較高的電容給全橋逆變器提供能量放電。隨著時(shí)間的進(jìn)行，電壓VSC1～VSC4完全得到了均衡，并且均壓的速度較快。注意到VSC1～VSC4在電壓不均衡消除后還會(huì)繼續(xù)下降，這是由電壓乘法器中的損耗和二極管的壓降引起的。仿真結(jié)果很好地驗(yàn)證了新型均壓電路的可行性和有效性。

3　結(jié)論

本文提出了一種新型的基于軟開關(guān)全橋逆變器的均壓電路，由一個(gè)全橋逆變器和電壓乘法器組成。在全橋逆變器中的開關(guān)器件兩端并聯(lián)了諧振電容，并以移相全橋PWM控制開關(guān)器件的開通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)器件的軟開關(guān)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該電路的均壓性能良好，加快了動(dòng)態(tài)均壓的速度；實(shí)現(xiàn)了零電壓開通和零電壓關(guān)斷，降低了開關(guān)損耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地驗(yàn)證了新型均壓電路的可行性和有效性。

此外，由于該均壓器僅需要4個(gè)開關(guān)器件和1個(gè)變壓器，因此電路的復(fù)雜性和尺寸與傳統(tǒng)均壓器相比大大減小。由于該均壓器可以實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容電壓的自主均壓，所以它不需要反饋控制環(huán)，進(jìn)一步簡化了電路。它非常適用于需要大量的超級(jí)電容串并聯(lián)的應(yīng)用場(chǎng)合，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

［1］Marie Francoise J N，Gualous H，Berthon A.Supercapacitor Thermal-and-electrical-behavior Modeling Using ANN［J］. Electric Power Applications，2006，153（2）：255-262.

［2］Cao J，Schofield N，Emadi A.Battery Balancing Methods：A Comprehensive Review［C］//in Proc.IEEE Veh.Power Pro?pulsion Conf.2008：1-6.

［3］Guo K Z，Bo Z C，Gui LR.Comparison and Evaluation of Charge Equalization Technique for Series Connected Batteries ［C］//in Proc.IEEE Power Electron.Spec.Conf.，2006：1-6.

［4］ Uno M.Interactive Charging Performance of a Series Connect?ed Battery with Shunting Equalizers［C］//IEEE Trans.on Ve?hicular Technology，2009：1-4.

［5］Baughman A C，F(xiàn)erdowsi M.Double-tiered Switched-capaci?tor Battery Charge Equalization Technique［J］.IEEE Trans. on Industry Electron，2008，55（6）：2277-2285.

［6］Bolz S.Device and Method for Balancing Charge Between the Individual Cells of a Double-layer Capacitor：U.S.，0 252 266 ［P］.2008：10-16.

［7］Cassani P A，Williamson S S.Feasibility Analysis of a Novel Cell Equalizer Topology for Plug-in Hybrid Electric Vehicle Energy-storage Systems［J］.IEEE Trans.Veh.Technol，2009，58（8）：3938-3946.

［8］ Yuanmao Y，Cheng K W E，Yeung Y P B.Zero-current Switch?ing Switched-capacitor Zero-voltage-gap Automatic Equaliza?tion System for Series Battery String［J］.IEEE Trans.on Pow?er Electron，2012，27（7）：3234-3242.

［9］Baughman A，F(xiàn)erdowsi M.Double-tiered Switched-capacitor Battery Charge Equalization Technique［J］.IEEE Trans.Ind. Appl，2008，55（6）：2277-2285.

［10］Masatoshi Uno，Koji Tanaka.Double-switch Single-transformer Cell Voltage Equalizer Using a Half-bridge Inverter and a Volt?age Multiplier for Series-connected Supercapacitors［J］.IEEE Trans.on Vehicular Technology，2012，61（9）：3920-3930.

［11］Xu Aiguo，Xie Shaojun，Liu Xiaobao.Dynamic Voltage Equal?ization for Series-connected Ultracapacitors in EV/HEV Appli?cations［J］.IEEE Trans.on Vehicular Technology，2009，58 （8）：3981-3987

［12］Masatoshi Uno，Koji Tanaka.Double-switch Equalizer Using Parallel-or Series-parallel-resonant Inverter and Voltage Mul?tiplier for Series-connected Supercapacitors［J］.IEEE Trans. on Power Electronics，2014，29（2）：812-828.

［13］Zhang Junhong，Lai Jihsheng，Kim Rae Young，et al.Highpower Density Design of a Soft-switching High-power Bidirec?tional DC-DC Converter［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2007，22（4）：1145-1153.

［14］Xiao Huafeng，Xie Shaojun.A ZVS Bidirectional DC-DC Con?verter with Phase-shift Plus PWM Control Scheme［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2008，23（2）：813-823.

Novel Voltage Equalizer for Super Capacitors Based on the Soft-switching Full-bridge Inverter

ZHAO Kaiqi，QI Zhiyuan，GAO Fulong
（College of Automation，Harbin Engineering University，Harbin 150001，Heilongjiang，China）

As a kind of promising energy storage device，super capacitors has the advantage of high power density，long life period and high efficiency，etc.It has been the preferred choice of the high power buffer and regenerative braking energy storage.However，the voltage imbalance of series super capacitors is a problem worthy of attention.A novel dynamic equalizer based on full-bridge inverter and voltage multiplier was proposed，whose structure was simple and equalizing speed was fast；the phase-shifted full-bridge control method was used to achieve the soft switch，reducing the switching losses of switching device.The equalizing experiment was performed for four super capacitors connected in series under a voltage-imbalanced condition，the voltage and current waveforms of switching devices and the equalizing effects were in good agreement with the theory，which demonstrates the validness of the circuit.

super-capacitor；voltage equalizer；full-bridge inverter；voltage multiplier；phase-shifted full-bridge control；soft switch

TM464

A

2015-09-10

修改稿日期：2016-02-15

趙凱岐（1975-），男，博士，副教授，Email：zhaokaiqi@hrbeu.edu.cn