王哲俊+胡鴻飛+盛禎

摘 要：超級電容功率密度大、循環(huán)壽命長及工作溫度范圍寬等優(yōu)點使其成為近年來備受青睞的一種新型儲能裝置。針對由于制造誤差、自放電率等因素引起的電容器單體間電壓差異，文章研究一種雙向DC/DC均壓電路實現(xiàn)超級電容電壓均衡。均壓電路實時采集兩組電容器電壓值進行比例運算，通過算法控制達到均壓效果?；贛ATLAB/Simulink搭建電路仿真模型，驗證該方法的可行性。

關(guān)鍵詞：超級電容；雙向DC/DC；均壓

中圖分類號：TM53 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）34-0017-02

1 概述

與其他儲能元件相比，超級電容具有功率密度大、循環(huán)壽命長、使用溫度范圍寬等優(yōu)點，具有很好的發(fā)展前景。超級電容具有雙電層結(jié)構(gòu)，單體電壓一般為2.5～3.0V，為滿足電壓等級要求必須對其串并聯(lián)使用。但由于制造誤差和制造水平等限制，超級電容器單體儲存能力不一，因此需采用均壓措施使超級電容器單體電壓保持一致。

目前存在的均壓電路主要分為能耗型和能量轉(zhuǎn)移型。能耗型均壓法電路簡單易實現(xiàn)，但能量浪費嚴重。能量轉(zhuǎn)移型均壓方法通過中間元件傳輸能量，使超級電容器單體電壓達到均衡，具有能耗低的優(yōu)點，但其控制方法復(fù)雜，成本較高。

針對上述問題，本文研究一種基于雙向DC/DC的超級電容均壓電路，利用并聯(lián)于超級電容器單體間的電感實現(xiàn)能量傳輸，最后達到均壓目的。

2 雙向DC/DC均壓電路

2.1 工作原理

如圖1所示雙向DC/DC均壓電路，在兩個超級電容器SC1、SC2間并聯(lián)一個電感，通過兩側(cè)開關(guān)控制兩條支路的關(guān)斷與接通，實現(xiàn)能量傳輸，到達均壓效果。

當(dāng)SC1電壓高于SC2電壓時，開關(guān)S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷，SC1向電感L充電，電感電流升高，SC1電壓降低，充電一段時間后，斷開S1接通S2，電感L向SC2放電，此時電感電流降低，SC2電壓升高，放電一段時間再次開通S1關(guān)斷S2，如此循環(huán)。

當(dāng)SC2電壓高于SC1電壓時，開關(guān)S2導(dǎo)通，S1關(guān)斷，SC2向電感L充電，電感電流升高，SC2電壓降低，電感充電一段時間后，斷開S2接通S1，電感L向SC1放電，此時電感電流降低，SC1電壓升高，放電一段時間再次開通S2關(guān)斷S1，如此重復(fù)，最后達到電壓平衡。

2.2 控制策略

通過對電感電流采用滯環(huán)調(diào)節(jié)來實現(xiàn)對電感充放電時間即開關(guān)頻率的控制?？刂齐娐方Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

滯環(huán)邏輯控制將電感電流檢測值與已設(shè)定好的參考電流值進行比較，當(dāng)電流檢測值小于設(shè)定值與1/2環(huán)寬之差時，開關(guān)管S導(dǎo)通，電感L充電。當(dāng)電感電流檢測值上升到設(shè)定值與1/2環(huán)寬之和時，關(guān)斷開關(guān)管S，電感L開始放電。

3 仿真分析

3.1系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

據(jù)上述控制要求在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型。

兩組超級電容器均由20個單體電壓為2.7V，容量350F的超級電容器串聯(lián)組成，串聯(lián)后超級電容器組電壓均為54V，容量為17.5F。兩個MOSFET管的開關(guān)頻率設(shè)置為35kHz。電感容量取800μH，計算出針對超級電容器組C2的比例運算器值為0.0089。據(jù)上述參考數(shù)據(jù)進行仿真。

3.2 仿真結(jié)果分析

C1初始電壓為10V，C2初始電壓為8V時（狀態(tài)1）兩組電容器電壓波形圖如圖3所示。

由圖3可知，開始時C1電壓值不斷降低，C2電壓值不斷升高，在70s時兩者均達到9.2V左右，此后兩者電壓保持相等且不變。

C1初始電壓為8V，C2初始電壓為10V時（狀態(tài)2）兩組電容器電壓波形圖如圖4所示。

分析圖4可知，在仿真進程中，C2電壓值不斷降低，C1電壓值不斷升高，在70s時兩者電壓達到8.8V左右，此后兩者電壓保持均衡。

4 結(jié)束語

針對超級電容器均壓問題研究了一種雙向DC/DC均壓電路實現(xiàn)超級電容器電壓均衡。通過仿真模型來檢驗電路的均壓效果。最終的仿真結(jié)果表明在參數(shù)取值恰當(dāng)?shù)那闆r下，可在較短時間內(nèi)通過儲能元件轉(zhuǎn)移超級電容器上的能量，實現(xiàn)相鄰電容器間的電壓均衡。

參考文獻：

[1]王恩峰，龔學(xué)余，陽璞瓊.一種串聯(lián)超級電容器組的均壓電路設(shè)計[J].電源學(xué)報，2015，38（5）：1048-1051.

[2]裴勉，譚新玉，石玉潔，等.一種新型低損耗超級電容器均壓策略[J].電氣開關(guān)，2015（4）：37-40.

[3]高志剛，高瀚，廖曉鐘.基于零電壓開關(guān)的超級電容均壓技術(shù)[J].高電壓技術(shù)，2016，42（10）：3321-3327.

[4]張曉立，張輝，蘇冰.基于Zatas的串聯(lián)超級電容電壓均衡技術(shù)[J].電力電子技術(shù)，2013，47（5）：79-80.

[5]Msatoshi uno，Koji tanaka. A Single-Switch Equalization Charger Using Multiple Stacked Buck-Boost[J].Electrical Engineering in Japan， 2013，182（3）：1203-1211.

[6]Weidong Ma. Voltage Equalization in Super Capacitors Series[J]. Mechatronics and Automatic Control Systems，2014：401-410.endprint