超级电容器电压均衡技术研究

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 超级电容器电压均衡技术研究 【摘 要】目前，超级电容器以 其优异的充放电性能、高效率以及较长 的循环寿命等优势在轨道交通等领域得 到了广泛的应用，在节能储能等领域做 出较大贡献，但在应用过程中，容量等 的差异易影响到组合电容器电压均衡性 能。文章从电容量、内阻以及漏电流角 度分析了造成电压不均衡的主要因素， 并介绍了传统电压均衡方案，针对存在 的问题提出了改进的超级电容器电压均 衡技术。 中国论文网 /8/view-12933792.htm 【关键词】超级电容器；均衡； 技术 0 引言 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 超级电容器作为一类新型储能元 器件，是通过双电层的储能方式实现电 能的储存，具有安全环保、动态响应性 能较优、寿命长的优势，现阶段在新能 源汽车、分布式能源系统、工业节能等 领域有了较快的发展。然而，在发展过 程中也暴露出其缺陷，即单体电压较低 的问题。在实际应用中超级电容器往往 以储能模块的方式出现，在多个电容器 并联过程中，由于无法保证各单体电容 器的内部参数（内阻及电容值等）完全 一致，常出现工作电压不均衡的问题， 对于系统整体的供储电特性及可靠性造 成一定的影响。因此，本文主要对于超 级电容器电压均衡技术进行系统化探讨。 电容器电压均衡的常用方法包括开关电 阻法、稳压管法、变换器法等，由于上 述方法在实际应用中均存在一定的局限 性，如压均衡精度低、控制系统复杂 等，因此，文章在系统化分析的基础上， 通过对传统电压均衡方式的系统化分析， 提出了改进的超级电容器电压均衡技术。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 1 造成电压不均衡的主要因素 1.1 电容量不同 在实际应用中，各单体电容器电 容量的差异会对电容器端电压的升降速 率产生影响，导致电容过充或过放，影 响其使用寿命及稳定性。在超级电容器 中，其各参量存在以下的对应关系： 式中，I、U、Q、W 分别为超级 电容器的电流、电压、电量以及存储能 量。 由上式可发现，在恒流充电情况 下，超级电容器模块中各单体电容器电 容量的差异将导致端电压变化率的差异， 并进一步导致各单体储存能量的差异。 实际生产中由于电容器制作工艺复杂， 因此各单体间电容量参数很难保证一致， 一般偏差在20%，计算得出串联段电 容变化比值为 1.5 左右，单体充电量的 差异约为 5：3，造成储能装置性能下降 以及较大的能源浪费。 1.2 等效串联内阻（ESR） -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 超级电容器存在内阻，可等效为 并联及串联内阻（ESR ） ，在多次充放 电后其 ESR 与传统电容器间的差异逐 渐增大，因此在充放电过程中，等效串 联内阻值的大小直接影响电容端的电压 分布情况，影响正常的储能性能。 1.3 漏电流 超级电容器存在并联内阻，因此 会产生自放电效应，存在漏电流，漏电 流的大小反映着电容器端电压的差异， 漏电流大的电容器其放电过程较快，而 漏电流小的电容器其充电过程较快。 因此，各单体电容器间参数的差 异，将直接影响端电压的均衡性，影响 对电能的存储，且在电压不均衡的情况 下工作时，由于电解液对电压较敏感， 将导致电解液的分解，进而使电容量下 降，内阻增加，影响电容器的使用寿命 及安全可靠性能。 2 传统电压均衡方案 在超级电容器的规模集成推广应 用过程中，为保证较好的工作性能及运 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 行可靠性，需维持电容器单体电压的均 衡性，在此方面有过不同的尝试，但需 依据具体应用场合进行合理选用，以最 大限度发挥电容器模组的储能优势。 最常用的方法为利用并联电阻或 稳压管对电压进行均衡处理，其中使用 并联稳压管进行稳压处理的方式具有更 小的耗能，因此应用较广泛。 在并联稳压管均衡电压法中，稳 压管与单体电容器的额定电压一致，在 超级电容器充电过程中，各单体端电压 逐渐升高，达到其额定电压时击穿稳压 管，可实现断电，在各电容器充电完毕 后，最终均达到均衡状态。因此，本方 法具有结构及控制系统简单、造价低的 优势，但存在较大的能量消耗：达到其 额定电压后，充电电流经由稳压管进行 耗散，且电压均衡时间较长。 3 改进的超级电容器电压均衡技 术 3.1 关键技术 从降低均压系统能耗、提升效率 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 的角度提出改进的超级电容器电压均衡 技术。基于电压倍增器的均衡技术中， 其电路拓扑结构包括输入电池及电压倍 增器两部分，其中输入部分可产生变幅 值方波，可通过 BOOST 等各类变换器 实现；而在倍增器电路中，可通过多个 等电压输出完成对超级电容器的充电， 达到电压均衡的目的。此外，输入电池 亦可选用升压斩波电路，结合了充电机 均衡电路，可省略单体电压检测系统， 在简化电路结构的同时，可实现较高的 均压精度，偏差约为 5mV。基于软开关 技术提出的由串联谐振逆变器与电压增 倍器组成的超级电容器组均压电路，可 省略额外的反馈控制电路，通过开关管 的动作实现电压均衡，均压速度较快。 3.2 仿真与试验 对于上述超级电容器均压技术进 行了仿真，采用理想的脉冲信号模拟电 压倍增器的充电过程，超级电容器初始 电压分别为 2/2.3/2.5V，simulink 仿真参 数如表 1 所示。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 仿真结果可发现，各电容器的平 均电压偏差率均在 3%以内，因此均压 精度较高。但由于单体电压较小，均压 速度较慢，可通过增大输入电压，同时 改变 MOSFET 开关管的开关频率解决， 以控制充电电流，达最大电压后切换电 源，直至额定电压值。 4