（电机与电器专业论文）超级电容器储能系统电压均衡的研究.pdf

超级电容器储能系统电压均衡的研究 r e s e a r c ho nv o l t a g eb a l a n c eo f s u p e r c a p a c i t o rs t o r a g ee n e r g ys y s t e m a b s t r a c t s u p e r c a p a c i t o rc a np r o v i d ev e r yh i g hp o w e ra n dh a sl o n gl i f ea san e wd e v i c e 埘mh i 曲 e n e r g yd e n s i t y i th a sb o t i lc a p a c i t o ra n db a t t e r yc h a r a c t e r i s t i c s w h i c hh a sg r e a tp o t e n t i a lf o r a p p l i c a t i o n so ne l e c t r i cv e h i c l e s ，p u l s e dp o w e rs y s t e m sa n de m e r g e n c yp o w e rs u p p l y i no r d e r t om e e tt h ev o l t a g el e v e l sf o rh i 曲p o w e re n e r g ys t o r a g es y s t e m ，n u m b e r so f s u p e r c a p a c i t o r s s h o u l db ec o n n e c t e di ns e r i e sa n dp a r a l l e l b u tt h ed i s p e r s i o no ft h ec a p a c i t o r su s e di ns e r i e s a n dp a r a l l e li st h em a i nf a c t o rt h a tr e s t r a i n st h e i rl i f ea n dr e l i a b i l i t y s ot h ev o l t a g eb a l a n c eo f t h ec a p a c i t o rs t a c k si so fg r e a ti m p o r t a m t h i sp a p e ri st od e s i g nav o l t a g eb a l a n c es y s t e mb a s e do nd s p ，w h i c hu s e so n e e l e c t r o l y t i cc a p a c i t o r a f t e ra n a l y z i n gt h ee x i s t i n ge q u a l i z a t i o nt e c h n o l o g y n l es y s t e mi s c o n s i s t e do fp a r a m e t e ra c q u i s i t i o n ，p w mo u t p u ta n ds w i t c hn e t w o r k ad s pi su s e da st h e c o n t r o lc o t eo ft h es y s t e ma n da ne l e c t r o l y t i cc a p a c i t o ri su s e df o rt r a n s f e r r i n ge n e r g y s i g n a l s c o l l e c t e db ym o n i t o r i n gs y s t e ma r es e n tt od s pt h r o u g ha dc o n v e r t e r a f t e rp r o c e s s i n gb y d s p ，t h ep w i v ls i g n a li sp u to u td e p e n d i n go na ne n a c t e de q u a l i z a t i o ns t r a t e g yt od r i v et h e 刚t c hn e t ，a sar e s u l t ，e n e r g yw i l lb et r a n s f e r r e db e t w e e nc a p a c i t o rc e l l sa n dt h ev o l t a g e d i f f e r e n c e sw i l lb er e d u c e d f i n a l l y t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ld a t aa r ea n a l y z e d a c o n c l u s i o nc a nb ed r a wt h a tt h i sm e t h o da c h i e v ea g o o db a l a n c er e s u l tt h r o u g hc o m p a r i n gt h e d a t a t h es y s t e mi su s e do nc h a r g eo rd i s c h a r g eo fs u p e r e a p a c i t o rs t a c k s ，i tc a na c h i e v es t a t i c a n dd y n a m i cb a l a n c e c o m p a r e dw i t ho t h e rm e t h o d s ，i th a sa h i g h e rb a l a n c es p e e da n db e t t e r e f f e c t k e yw o r d s ：s u p e r c a p a c i t o r ：d s p ：v o l t a g eb a l a n c i n g ；v o l t a g em o n i t o r i n g 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：左， 日期： 垭：6 ：生 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印，缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 王查】 导师签名立挺豹 导师签名： 2 邀到 邋年j l 月j l 日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题背景 1 1 1 超级电容器的特点 随着社会经济的发展，人们对于绿色能源和生态环境越来越关注，超级电容器作为 一种新型的储能器件，因为其无可替代的优越性，越来越受到人们的重视。超级电容器 又叫电化学电容器，是介于传统电容器和化学电源之间的种新型储能元件。电化学电 容器的划分方法有许多种，按工作原理可划分为双电层电容器和赝电容甜”。双电层电 容器是将电荷存储在电极电解质溶液界面处的双电层中，典型的代表是以高比表面积 炭为电极材料；赝电容器或叫法拉第准电容是利用发生在电极表面的二维或准二维法拉 第反应存储电荷，一般以某些过渡金属氧化物为电极材料，典型的代表是以r u 0 2 为电极 材料。 超级电容器具有许多传统电池不具备的优点1 2 4 1 ： ( 1 ) 具有非常高的功率密度。电容器的功率密度可为电池的1 0 - - - 1 0 0 倍，可以达到 1 0 k w k g 左右，能够在短时间内放出几百到几千安培的电流。这个特点使得电容器更适 合用于短时间高功率输出的场合。 ( 2 ) 充电速度快。超级电容器充电是双电层充放电的物理过程或电极物质表面的快 速、可逆的电化学过程，可以采用大电流充电，能在几十秒到数分钟内完成充电过程， 是真正意义上的快速充电，而普通蓄电池充电需要数小时完成，即使采用快速充电也需 几十分钟。 f 3 ) 使用寿命长。超级电容器充放电过程中的电化学反应具有很好的可逆性，不出 现类似电池中活性物质那样的晶型转变、脱落、枝晶穿透隔膜等引起的寿命终止的现象， 碳基电容器的理论循环寿命为无穷，实际可达1 0 0 ，0 0 0 次以上，比电池高出1 0 - 1 0 0 倍。 ( 4 ) 使用温度范围广，低温性能优越。超级电容器充放电过程中发生的电荷转移大 部分都在电极活性物质表面进行，所以容量随温度衰减非常小。其工作温度为一4 0 , - 一8 5 * c ， 而二次电池仅为0 c 4 0 。 f 5 1 妥善解决了贮能设备高比功率和高比能量输出之间的矛盾。一般说来，比能量高 的贮能体系其比功率不会太高：同样，一个贮能体系的比功率比较高，其比能量就不 定会很高，许多电池体系就是如此。超级电容器在可以提供1 5 k w k g 高比功率输出的同 时，其比能量可以达到5 2 0 w h k g 。将它与蓄电池组合起来，就会成为一个兼有高比能 和高比功率输出的贮能系统。 超级电容器储能系统电压均衡的研究 ( 6 ) 高可靠性。超级电容器工作过程中没有运动部件，维护工作极少，因而超级电 容器的可靠性是非常高的。 ( 7 ) 对环境无污染。产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程中均没有环 境污染，是理想的绿色环保电源。 超级电容器的一个很大缺点是其参数的不一致【5 6 】。同一型号规格的超级电容器在电 压、内阻、容量等参数上存在着不一致性，这主要是由制造过程中工艺和材质不均造成 的，而在超级电容器使用过程中，工作环境不同以及电压不均匀的积累又加剧了超级电 容器的参数不一致性。 近年来，随着研究的深入，包括大尺寸、高能量和高工作电压装置在内的电化学电 容器显现出可能应用的领域越来越多。目前公认的可能应用的领域或场合如下【7 j ： f 1 ) 包括电池在内的混合动力系统，主要用于电动车领域： r 2 ) 高寒地带或重负载柴油机车的启动支持： ( 3 ) 动力负载水平的应用： “) 平稳低频电源； ( 5 ) 大电容镇流器： ( 6 ) 汽车子系统，如催化式排气净化器预热和可能的动力转向支持； ( 7 ) 军事用途，如激光武器的大功率电源； ( 8 ) 医学应用，如电击去纤颤器的电源： ( 9 ) 促动器和电机驱动器； ( 1 0 ) 机器人技术上可能的应用，可能用于混合系统中； ( 1 1 ) 高功率、短脉冲的大电荷输出装置。 电化学电容器领域的一个新发展是所谓的“混合型”超级电容器【8 - 1 0 1 ，混合电容器 设计成一个电极是双电层电极材料，而另一个电极是准电容材料，它的电容量比一般的 电化学电容器小，其主要优点在于可以提供很高的工作电压( 可达1 5 0 2 3 0 v ) ，可以在 大规模、高功率领域应用。 1 1 2 超级电容器储能原理 能量可以以多种形式存储，如电能、势能、化学能、机械能等。在诸多的能量形式 中，电能无疑是最方便、应用最广的形式。电能能够以两种不同的方式存储：( 1 ) 以化学 能形式存储在电池中，这需要电化学活性物质发生法拉第氧化还原反应释放电荷。当电 荷在两个电势不同的电极间流动时，就能够对外做电功。( 2 ) 以静电的方式，即直接以正 负电荷的形式存储在电容器的极板是非法拉第电能存储过程。法拉第和非法拉第系统 大连理工大学硕士学位论文 的重要区别在于可逆性。静电电容器存储能量时，充电和放电仅仅是电容器极板上电子 电荷的剩余和缺乏，不存在化学变化。通过法拉第反应在电池中存储能量时，阳极材料 和阴极材料必定发生相互的化学转变，通常还伴随相变，由于电极材料转换的不可逆性， 电池的循环寿命会因类型的不同，被限制在一千至几千个冲放电循环，而静电电容器却 具有几乎无限的寿命。 一般的静电电容器只能存储很少的电荷，但超级电容在充电的电极溶液界面处，存 在着电容值约为1 6 - - 5 0 1 t f c m 2 的双层，由高比表面积材料构成的具有足够大面积的电极， 能够存储大量的电荷。作为对电池能量存储装置的补充，电化学电容器的开发和利用目 前正取得日新月异的进展。由于这种双电层电容器的充放电不涉及相变和化学组成的变 化，因此这种电容器具有高度的循环使用能力；由于双电层充放电时，仅仅需要电子通 过外电路在电极表面进出和电解质阴阳离子从溶液内部迁移到充电界面，因此电容器的 充放电过程是高度可逆的。 在电化学电容器的循环伏安图中，如图1 1 所示，充电和放电的伏安曲线几乎互为 镜像；而电池过程的循环伏安图却远不是这样，如图1 2 所示，其循环伏安曲线表明电 池的充放电过程是不可逆的。这是电池与电容器电能存储系统主要的、本质的区别。 图1 1电化学电容器的循环伏安示意图 f i g 1 1 c vc u r v e so f s u p e r c a p a c i t o r 八犷 一旦j v + 图1 2 电池循环伏安示意图 f i g 1 2 c vc u r v e so f b a t t e r y 1 1 3 影响超级电容器储能的主要因素 由于超级电容器单元工作电压不高，对于大功率储能系统来说，为了满足容量和电 压等级的需要，一般是由多个超级电容器串联和并联的组合方式工作，它们作为一个整 体进行充放电，具有同样的充放电电流。在串联组件设计中，由于各个单体性能参数存 在一定的分散性，即使在配组时经过严格的一致性筛选，但其偏差也不可避免。为了避 超级电容器储能系统电压均衡的研究 免过充，常常在容量小的电容充满后即停止充电，这样电容组的储能容量得不到最大利 用；同样，放电时为了避免过放，也不能最大利用电容组存储的能量。 影响串联电容组电压均衡的主要因素有【1 12 】： ( 1 ) 容量的偏差对电容器组的影响 通常超级电容器容量偏差为1 0 - - , + 3 0 ，最大偏差1 4 4 倍，当电容器组中出现容 量偏差较大时，在充电时容量最小的单体电容器首先到达额定电压而单体电容器容量最 大的仅充到6 9 的额定电压，其储能为最小容量电容器的6 9 其关系为 三c 衄吒= 三1 4 4 。( 击) 2 町= 0 6 9 ( ；以) ( 1 1 ) 其中c k i n 为最大负偏差电容容量，c 备。为最大正偏差电容容量 电容器组的平均储能为： ：下1 + 0 6 9 占c 。谚) ：0 8 4 5 w c m ( 1 2 ) 比全部由下偏电容量超级电容构成的电容器组还小，为标称值电容器的7 6 ，即 ：下1 + 0 6 9 砖c 血x 啤) ：下1 + 0 7 5 ( o 9 e ) 2 ：0 7 6 丢e 珥：0 7 6 w , ( 1 3 ) 图1 3 给出了额定电压为2 v 、额定容量为2 0 f 的五支超级电容器串联时以i = 2 a 充 电时的电压上升曲线，其中电容器c i 、c 2 、c 3 、c 4 、c 5 实际容量取为1 8 f 、2 0 f 、2 2 f 、 2 4 f 、2 6 f 。从图中可以看出，五支超级电容器两端电压上升速率各不相同，充电结束时 v o l t a g e ( v ) 25 一 t i m e ( s ) 图1 3 超级电容恒流充电电压上升曲线 f i g 1 3c h a r g ec u l v e so f s u p e r c a p a c i t o r s c l c 2白q 岛 图1 4 超级电容器能量利用率 f i g 1 4 a v a i l a b l ee n e r g yr a t eo f s u p e r c a p a c i t o r s 他 ，蚴 蛇。 容量利用率 笏一一麓 大连理工大学硕士学位论文 电压参差不齐，非常不一致，其中容量最小的c l 达到额定电压时，容量最大的c 5 两端 电压只达到额定电压的6 9 左右。若不采取限制措施，等c 5 充到额定电压时，c l 、c 2 、 c 3 、o 两端电压均会超过额定电压。图1 4 给出了五支超级电容器的能量利用率，从中 可以看到c l 的容量利用率为10 0 ，c 5 的容量利用率不到5 0 ，通过计算可得整个超 级电容器模块的平均储能容量只有c - 储存能量的8 4 5 ，显然，电容器容量的不一致， 导致了超级电容器在充电过程中的电压不均衡，进而使超级电容器模块的储能容量大大 下降，浪费了容量大的超级电容器的储能容量。在批量生产电容器组时精选电容量在很 小的偏差内提高电容器组的储能是有意义的，但将提高生产成本。 f 2 ) 漏电流对超级电容器组的影响 超级电容器多用于储能。充有电荷后静置状态下的电荷( 或电压) 保持能力取决于漏 电流。经过相对上的静置时间后，漏电流大的超级电容器保持的电荷( 或电压) 明显低于 漏电流小的。因此放电时，漏电流大的首先放电结束。而漏电流小的仍保持较多的电荷。 充电时漏电流小的首先充电结束。因此，这时超级电容器组的各单体的电容器充放电能 量为 肚i 2 c ( u - a u ) 2 ( 1 4 ) 式中：u 为充放电前漏电流最小和漏电流最大的超级电容器电压之差值。 r 3 ) e s r 的影响 e s r 表示超级电容器的等效串联阻抗( e q u i v a l e ms e r i e sr e s i s t a n c e ) ，是表征超级电容 器性能的主要数据之一。由于超级电容器的e s r 相对较大，而且反复充电后e s r 逐渐变 大，e s r 大的将越来越大，在充放电时，e s r 大的将先于e s r d 、的达到充放电结束，使 其他e s r 相对小的充放电不充分。 综上所述，如果仅检测电容器组的端电压，那么就会出现电容量小电容器过充电， 如容量偏差达到2 0 ，则电容量小的电容器将出现2 0 的过电压，同样漏电流最小的电 容也将受到过电压的冲击，即使上述原因都没有，e s r 大的电容也会在充电过程中受到 过电压的冲击。 长期运行在电压的不一致的工作状态下，会使超级电容器模块中超级电容器的寿命 变得不一致，因为超级电容器的工作电压对使用寿命的影响很大，图1 5 给出了额定电 压为2 7 v 的超级电容器寿命与电压、温度的关系，从中可以看到，在相同的温度下， 工作电压每上升o 1 v 电容器的寿命便减半。这是因为电解液的挥发与分解速度与工作 电压有关，工作电压越高，越多的电解液中的杂质便会参与氧化反应，电解液的分解也 加速，这些反应会导致电容内部等效串联内阻和自放电率加大，电容容量下降，电容性 超级电容器储能系统电压均衡的研究 能变差。可见，对于串联电容组来说，电容组电压不均衡问题是限制其大量使用的主要 因素，对其进行动态均衡是有意义的且是必要的【1 3 l 。 强c嚣cl s c 、之 委 高卜 工作电压九， 图1 5 超级电容寿命与电压温度关系 f i g 1 5 l i f ea n dv o l t a g er e l a t i o n so f s u p e r c a p a c i t o r 1 2 电压均衡技术现状 根据上面的分析，为了使串联电容组能够达到最大的容量利用率，同时尽量减少电 容损坏的可能性，延长电容组的使用寿命，必须对串联电容组中的电容单元进行电压均 衡管理。 目前超级电容器的串联电压均衡技术可分为能耗型和回馈型两类1 4 】： 图1 6 能耗型均衡法 f i g 1 6e q u i v a l e n tt e c h n o l o g yo f c o n s u m i n ge n e r g y 6 m 叭 珊 u 手，难韶 旨一母h 日一母 大连理工大学硕士学位论文 能耗型方法一般简单易于实现，如图1 6 ( a ) 所示的并联电阻法和图1 6 ( b ) 所示的并联 稳压管法，本质上都是将电压高的单元部分能量以热或者其它能量形式消耗掉。这种方 法的优点是电路结构简单，成本低；缺点是充电能量完全消耗在电阻或稳压管上，能量 浪费严重，均衡效率低，且平衡的效果取决于每个分流元件的匹配程度，平衡问题从电 池转移到分流设备上，不适用于多只大容量超级电容器串联中。图1 7 所示的开关电阻 法，是对并联电阻法的改进，当超级电容器的工作电压达到给定参考电压值，旁路开关 s 闭合，充电电流就会从电阻和开关上流过，使超级电容器上的电压不再上升或者上升 速率大幅度下降。这种方法比并联电阻和稳压管法更加灵活，它可以根据充电电流的大 小设定旁路的电阻，具有电压监控精度高，均衡效果好、可靠性高的优点。但其缺点是 仍然耗费能量，电阻发热量大。这种方法适用于充电功率小的应用场合。 c l - - - l - - - - j 由 图1 7 开关电阻法 f i g 1 7 s w i t c hr e s i s t a n c em e t h o d 与能耗型不同，回馈通过能量变换器将单体之间的偏差能量馈送回电容组或组中某 些单体。理论上，当忽略转换效率时，回馈不消耗能量，可实现动态均衡。回馈型具有 更高的研究价值和使用价值，最有可能达到实用化设计。回馈型均衡技术一般都涉及到 拓扑结构和控制方法两个方面。根据拓扑结构的不同可分为以下四类： ( 1 ) d c d c 变换器法 1 5 , 1 6 1 d c d c 变换器法如图1 8 所示，在每两个相邻超级电容器之间都联接一个 b u c k b o o s t 变换器，比较相邻电容器之间的电压，使能量在相邻的两个电容器问传递， 最终将电压高的超级电容器中能量通过变换器转移到电压低的超级电容器中。对于由n 个电容器组成的串联电容器组，需要n 一1 个b u c k b o o s t 变换器。这种方法的优点是能量 损耗低，电压均衡速度快，在充放电过程中都可以进行电压均衡。其缺点是需要的功率 器件多，成本较高。 超级电容器储能系统电压均衡的研究 图1 8d c d c 变换器法 f i g 1 8 d c d cc o n v e y o rm e t h o d ( 2 ) 多输出变压器法【1 7 , 1 s l a 正激式变换器法 图1 9 给出了一种采用正激式变换器进行电压均衡的电路拓扑，通过变压器原 j d 图1 9 正激变换器均衡电路 f i g 1 9 f o r w a r dc o n v e r t o re q u i v a l e n tc i r c u t t a 图1 1 0 反激式变换器均衡电路 f i g 1 1 0f l y b a c kc o n v e r t o r e q u i v a l e n tc i r c u i t 大连理工大学硕士学位论文 副边匝数比的设置和对开关的控制使电压低于平均电压的超级电容器单体上都产生一 个感应的充电电流，电压越低者所获得的电流值越大，而电压超过平均电压的超级电容 器单体上不会产生感应电流。随着开关的导通和关断，将电源( 串联电容组) 端的能量 传入相应的电容单元中，超级电容器电压就逐渐趋近于超级电容器模块的平均电压。 b 反激式变换器法 图1 1 0 给出了一种采用反激式变换器进行电压均衡的电路拓扑。开关导通时，变压 器原边所有的绕组上都将感应出工作电压最高的超级电容器电压，因而电压低的超级电 容器上会产生一个感应的充电电流，开关关断时，磁路中储存的能量会释放到变压器副 边的超级电容器中，通过对原边开关的控制使能量不断的从电压最高的超级电容器流向 电压低的超级电容器，从而使超级电容器模块的电压达到一致。 正激式和反激式变换器法的特点是，开关数目少，控制简单，但是副边绕组数目多， 结构复杂，成本高。为了减少副边绕组数目，可以采用半桥式均衡电路。采用多输出变 压器结构能够直接给最落后的电池充电，速度快、效率高。但是由于变压器不可避免的 会存在漏感，副边绕组之间存在互感，任何偏差都带来均衡的误差，多个输出绕组的匹 配非常困难，无法用控制的方法来解决。 ( 3 ) 开关电容法l ”琊j a ，多电容均衡法 多电容器电压均衡法是利用多个容量很小的普通电容器作为中间储能单元，将电压 高的超级电容器中的一部分能量向电压低的超级电容器中转移的一种电压均衡方法。如 图1 1 i 所示。它利用一组电容器在串联电容组相邻电容之间传递电荷，进行能量转移。 三器 卜弋】 c m 凸 c 3 凸 图1 1 l 多电容均衡电路 f i g ，1 11e q u i v a l e n tc i r c u i tu s i n gs e v e r a lc a p a c i t o r s 厂 廿i 0砖：玮 “，i 图1 1 2 时钟信号图 f i g 1 1 2 s i g n a lc h a r to f c l o c k 超级电容器储能系统电压均衡的研究 其工作原理是：所有开关同时动作，在上下两个触点之间轮流接通，时钟信号如图1 1 2 所示，为了避免直通，在中间位置设置了一定的死区时间，通过这种简单的动作电荷由 高压单元传递到低压单元，经过开关的反复切换即可实现均衡。该技术具有很多优点， 如可以实现精确平衡而不需要任何设备匹配或严格的误差要求：不需要传感器或闭环控 制；可用于各种蓄电池；可扩展至任意长的串联电容组；可以动、静态均衡：能量通过 电容快速交换，效率高；均衡过程可以自行结束。但是，该方案在电压差较小时，所需 均衡时间会比较长，该方法仍要结合电容状态检测设备使用，否则一旦组中有坏单元， 其特性表现为电阻，那么所有的能量都将以热的形式消耗在该单元上。 b 单电容均压方法 单电容均压方法是利用一个容量很小的普通电容器作为中间储能单元，即“飞渡” 电容器，将电压高的超级电容器中的能量向电压低的超级电容器中转移的一种电压均衡 方法。如图1 1 3 所示，通过控制开关网络的开通和关断，定时扫描各电容电压，将“飞 渡”电容器连接到电压最低的电池两端，等效地增加或减小电池的充放电电流，实现动 态均衡。 a c 2 凸 。 图1 1 3 单电容均衡电路 f i g 1 1 3e q u i v a l e n tc i r c u i tu s i n go n ec a p a c i t o r ( 4 ) 串并联切换叫 对于串联的电容器堆，一个非常有用的充电方法是平行充电，即每一个单体都单独 充电，然后通过一个简单的开关电路，这些电容器就能够以串联的方式放电，提供n 倍 于单体电压的总电压，如图1 1 4 所示，为提高充放电深度，可以采取这样的控制方式： 充电开始时，开关闭合，s 、岛断开，c - 、c 2 两组电容器进行串联充电，随着充电的 进行，超级电容器模块两端电压逐渐增高，当电压达到额定电压时，断开，s l 、& 闭 1 0 大连理工大学硕士学位论文 合，c ，、c 2 两组电容器由串联方式切换成并联方式充电，直到超级电容器模块两端电压 再次达到额定电压为止；放电时，开关& 断开，s l 、岛闭合，两组电容器并联放电， 当模块两端电压下降到给定电压时，开关闭合，、两断开，c l 、c 2 两组电容器组由 并联方式放电切换成串联方式放电。这种电容器装置在实际应用时将会出现电工技术上 的困难，因为需要脉冲动力和再生再充电制度，以致必须使用复杂的多重开关。 图1 1 4 电容组串并联切换原理图 f i g 1 1 4 s c h e m a t i co f s e r i e sa n dp a r a l l e lc o n n e c t i o n sc h a n g e o v e r 1 3 论文的主要研究内容 目前，超级电容器储能技术在国内还处于前沿探索阶段，因此对超级电容器储能技 术开展深入的研究具有十分重要的意义，可以为解决电力系统、可再生能源、电动汽车 中出现的问题提供一个新的解决方案。 1 3 1 论文研究对象 本文设计的超级电容器储能模块由1 0 0 1 0 0 只1 0 0 v 6 m f 的混合型超级电容单元组 成，采用先将1 0 0 只并联组成1 0 0 v 0 6 f 的单元，然后再将1 0 0 个单元串联构成超级电 容器储能阵列。从1 1 3 节的论述可知串联电容组间需要进行电压均衡：从1 _ 2 节中对超 级电容器串联电压均衡技术的论述中可知，超级电容器串联电压均衡方法可以分成两大 类：一类是通过阻性器件消耗能量的方式，如稳压管法和开关电阻法；另一类是通过储 能器件进行能量转移的方式，如d c d c 变换器法等。稳压管和开关电阻法通过消耗能 量达到电容器的电压平衡，必然会降低超级电容器储能系统的效率，而且当超级电容器 的充电电流较大时，采用稳压管或者开关电阻法将很难达到电压均衡的要求，一方面大 超级电容器储能系统电压均衡的研究 功率的阻性器件增大了体积，不便安装，另一方面消耗的能量增加，温度过高将给储能 系统带来安全隐患，降低了系统的可靠性。此外，稳压管法和开关电阻法只能在充电的 过程中实现电压均衡，具有一定的局限性。能量转移型电压均衡方法采用储能器件进行 电压均衡，是目前超级电容器串联电压均衡技术的发展方向。系统要求均衡的快速性， 最好能在数秒内完成，经比较后本文采用单电容均衡的方法。 从l - 1 3 节中可知，超级电容器电容量分散性是引起超级电容器串联电压不均衡的 主要原因，以两支超级电容器串联充电为例，其模型分析如下【6 】： 两支容量为c 一和c 2 的超级电容器，分散度分别为d l 和杰，若超级电容器的标称容 量为c ，则两支超级电容器的容量表达式为 j c i = c ( 1 + d 1 )ne 、 l c 2 = cx ( 1 + d 2 ) ”“ 若两支电容器以同样的电流，充电，那么在相同的时间t 内，二者的电压差4 n 为 矿：生，。f 1 c l c 2 式中容量差a c = c 1 c 2 ，从式( 1 6 ) 中可以看出 电电流下，电压差a v l 与充电时间f 成正比。 ( 1 6 ) 只要a c 不为零，那么在同样的充 若两支电容器以不同的电流 和如进行充电，则在相同的时间t 内，二者的电压差 圪为 晔陪和 mz ， 将式( 1 5 ) 代入式( 1 7 ) 可得当电压差为零时，充电电流与容量分散度之间的关系如 式( 1 8 ) 所示 土：盟 ( 1 8 ) 21 + 攻 图1 1 5 给出了两支超级电容器串联充电的电路，是外部充电电流值，如果在两支 电容器两侧分别并联一个电流值为j ：q _ 局，的平衡电流源( 两者方向相反) ，局为平衡 系数，则两支超级电容器上的充电电流为 大连理工大学硕士学位论文 j 卜7 。( 卜足，( 1 9 ) 【2 = ，( 1 + k ，) 将式( 1 9 ) 代入( 1 8 ) ，可得两支超级电容器电压差为零时，墨为 k ：旦2 二型!( 1 1 0 ) 。2 + d l + 吐 超级电容器的容量分散度是一个随机量，通常其范围为【一1 0 ，+ 3 0 】，取最大值和 最小值代入式( 1 1 0 ) ，可得当超级电容器电压保持在均衡状态时，电压均衡电路的平衡 电流值和充电电流，必须满足式( 1 1 1 ) l = o 1 4 3 x i ( 1 1 1 ) 如果两支超级电容器的初始电压差不为零，那么取平衡电流岛 o 1 4 3 1 ，平衡系 数局值越大，电压差就会减小的越快，电压均衡速度就越快。同理，在超级电容器的放 电过程保持电压均衡，同样需要满足( 1 1 1 ) ，但式中，表示放电电流。 图1 1 5 超级电容器能量转移型电压均衡控制模型 f i g 1 1 5e n e r g y t r a n s f e r e q u i v a l e n t c i r c u i t m o d e lo f s u p e r c a p a c i t o r 1 3 2 论文主要研究内容 全文共分六章，主要内容如下： ( 1 ) 对超级电容器的特点及其在电能存储方面的应用作了简单介绍，并对现有的串联 超级电容储能模块的电压均衡问题进行了综述。 超级电容器储能系统电压均衡的研究 ( 2 ) 结合超级电容器的理论模型对超级电容的充放电特性进行了分析，对超级电容器 储能模块的组合方式进行了讨论。并对采用电容作为储能器件的能量转移型超级电容串 联电压均衡控制的模型及其原理作了详细分析，并给出了电压均衡设计方案。 ( 3 ) 根据上述均衡方案，设计了一个基于d s p 控制的超级电容组电压均衡系统，解 决超级电容器串联电压均衡问题。该系统主要由参数采集、p w m 信号输出、开关网络 控制等部分组成。 ( 4 1 给出了系统的部分主要软件的设计与实现过程。 ( 5 ) 对实验数据进行了分析与评价，并得出结论。 大连理工大学硕士学位论文 2 超级电容器充放电特性及均衡模块设计方案 2 1 超级电容的理论模型 超级电容器与普通电容器相比，之所以拥有如此巨大的容量，在于二者工作原理的 不同。超级电容器是基于双电层电容器原理工作的，电容器两个电极之间间距仅为纳米 级，电极材料采用多孔活性炭电极，具有更大的有效极板面积，可以达到2 0 0 m 2 g ，由 电容量公式c = 占可知，超级电容器的容量可以达到数千法拉。 ，“ 超级电容器由于内部电阻和电容的形成机理比较复杂，在其应用中，提出了不少超 级电容器的应用模型。图2 1 ( a ) 、( b ) 依次分别为经典德拜极化电池模型和n e w m a n 等人 提出的传输线模型瞄j 。 ( a ) 德拜模型 t r l 吲卜o c n ” ( b ) 传输线模型 图2 ，1 超级电容等效模型 f i g 2 1e q u i v a l e n tm o d e lo f s u p e r e a p a c i t o r 在图2 1 ( a ) 中，德拜极化电池模型的电路元件较少，r 1 为分离电阻，取决于双电层 电容器所用电解质的电导率和电极材料的表面积；风。为电荷转移电阻，c a 为吸附电容， 其值随温度变化，这些参数与超级电容器的内部组成及运行状态有关。 图2 1 所示的传输线模型中，超级电容器被看作是一种分散参数系统，极化电极 中任一孔都由无数个孔逐级嵌套组合而成，每个孔的电化学行为都与孔径、孔容及孔型 等密切相关，同时每个孔的电容、电阻都随电位、角频率等外部因素而变化。在分析应 用时由于传输线模型非常复杂，通常可以根据应用场合对时间响应的要求进行合理的等 效，简化为有限条r c 串、并联支路模型，极限情况下可以简化为单一支路的r c 串联 等效模型。 超级电容器实际上是一种复杂的阻容网络，每一支路都具有各自的电阻、电容以及 相应的特性时间常数。这就导致超级电容器的存储容量与荷电状态、电压等级、放置时 间、甚至放电电流的大小有关。基于超级电容器复杂的物理特性，采用用分布式参数描 超级电容器储能系统电压均衡的研究 述超级电容器的数学模型比较适宜，但在模拟、分析和设计中，集总参数电路模型十分 简单、方便，因此，在有些要求不十分精确的工程应用中，超级电容器可采用如图2 2 所示的简化等效电路，在超级电容器储能应用中，也称此模型为经典模型d , t i ，要用于原 理性分析。 h 伸 置口 r e v 、_ 、，一 r 伸 图2 2 超级电容经典电路模型 f i g 2 1 c l a s s i c a le q u i v a l e n tm o d e lo f s u p e r c a p a c i t o r 图2 2 中，超级电容器等效为一个理想电容器c f 与一个较小阻值的电阻( 等效串联 阻抗r e s ) 相串联，同时与一个较大阻值的电阻( 等效并联阻抗飓p ) 相并联的结构。由于 r e s 的存在，使充、放电过程中能效不再为1 。充放电时电流流经r e s 会产生能耗并引起 超级电容器发热；在放电过程中由于r e s 电阻的分压作用而减少了放电电压范围，尤其 在大电流放电过程中，胄e s 会消耗较大的功率与能量，降低超级电容器实际可用的有效 储能率；等效并联电阻r e p 在超级电容器长时间处于静态储能状态时，以静态损耗一漏 电流的形式表现其影响作用，因此处于储能保持态的超级电容器，为了使存储的电能不 随时间而缓慢减少，通常要加能量保持电路，补偿由于魁p 引起的静止能量损耗，维持 一定的备用储能量。 超级电容器与普通物理电容器相比较的等效串联阻抗r e s 比较大( 几个毫欧左右) ， 这限制了其在高频大电流脉冲功率领域中的应用。因此，目前超级电容器主要用于直流 或低频电路中，随着降低超级电容器等效内阻的研究工作不断推进，超级电容器在高频 脉冲功率领域也将大有可为。 2 2 超级电容器的充电方法 与电化学电源不同，超级电容器在循环使用过程中老化影响非常小，同时超级电容 器充电储能没有记忆效应，这样超级电容器在理论上可以无限次地进行充放电 此外， 大连理工大学硕士学位论文 超级电容器储存的电荷及储能量可以通过检测电压值的方式来近似确定，判断充电储能 过程是否结束非常方便。基于以上这些特点，超级电容器充电控制既可以借鉴蓄电池等 电化学储能器件的充电储能方式，同时又由于其具有优越的大物理电容特性，对大脉动 电流具有较好的吸收能力，能够简化充电控制要求，目前常用的超级电容器充电储能方 式有1 2 6 2 9 】： ( 1 ) 恒流充电 恒流充电的主要特点是具有较大的适应性，可以任意选择充电电流。对超级电容器 进行恒流充电，可以看到超级电容器的端电压随时间按直线规律升高。由于超级电容器 的充电电流选择范围较大，因此可结合不同应用需求以及超级电容器自身状态进行优化 控制。例如，对于电动客车充电站等对时间要求敏感的场合，可以选择大电流，短时间 的充电模式：对于u p s 等备用电源系统，可以采用小电流补充能量。 恒流充电的变型是分段恒流充电，即在充电初期设定较大的充电电流，而后及时根 据检测到的端电压值来变更减少充电电流设定值，此方法也称为递减电流充电法。 ( 2 ) 浮充充电 类似于电化学电源，超级电容器在静止保持态时，以漏电流的形式自放电，特别是 使用有机电解液的超级电容器自放电率要大一些。从电气应用角度可以认为，超级电容 器的等效并联阻抗r e p 在静止时会消耗一部分电能，同时瞬间小功率放电也会令超级电 容器损失一部分能量。因此，维持超级电容器备用存储能量的最佳方法就是在给超级电 容器不断浮充充电，以备储能量的减少。超级电容器电解液的挥发或分解速度随超级电 容器施加电压的上升而增加，同时，超级电容器的使用寿命也随工作电压的上升而减少， 因此在超级电容器的浮充充电储能过程中要注意对电压的监测。在浮充电过程中，如果 选择的浮充电压太低，就不能补偿超级电容器的自放电损耗，则会造成超级电容器的充 电储能量不足，使超级电容器有效储能容量得不到充分利用。超级电容器浮充电压也不 能过高，否则会过多地增加能量损耗或因严重过充电超过超级电容器的额定电压而缩短 其使用寿命。因此，对于超级电容器来说要保证高可靠性的浮充充电，浮充电压的选择 是很重要的。 ( 3 ) 脉冲充电 由于超级电容器具有可以瞬间快速吸收功率的特性，能够平滑高峰脉冲功率，表现 出对超级电容器的良好脉冲充电特性。目前，在超级电容器与蓄电池配合使用构成的混 合储能单元应用中，就是利用超级电容器短时、高功率特性扩大混合储能单元的尖峰功 率范围，延长蓄电池的使用寿命。当超级电容器作为电动汽车的辅助动力源时，在再生 制动过程中，通常以脉冲充电的方式吸收回馈能量进行储能。在实验室为了认识研究超 超级电容器储能系统电压均衡的研究 级电容器的储能特性，也进行脉冲充电实验，检测内部电荷在超级电容器中的分布，实 测各种不同类型超级电容器的脉冲电荷吸收能力，以便进一步改善超级电容器的性能。 ( 4 ) 组合充电 为了充分利用超级电容器的储能特性，采用灵活的组合充电方式，在低压时采用大 电流恒流充电，随着超级电容器端电压的升高改变为递减恒流充电或恒压限流等充电方 式，直至超级电容器的最高额定电压。蓄电池的一些充电控制方法，如恒功率充电方式、 电压负增量控制方式、电压二次导数控制等方式在超级电容器的充电储能控制中也可以 借鉴。 2 3 超级电容器的充放电特- 眭 1 超级电容器充电的能量与电势差u 的关系为c u 2 ，是静电自由能( g i b b s 能) a g ； z 其熵变是由电介质的介电常数对温度的依赖引起的。对于电池过程而言，最大的g i b b s 能来自电荷q 与两个电极间的n e m s t 可逆电势差层，即a g = q x a e ；而对于电容器， 电 桓 电 势 一充电放电+ 图2 3 电容器与电池充放电曲线 f i g 2 3c h a r g ea n dd i s e h m g ec u l v eo f c a p a c i t o ra n db a t t e r y 当充入电荷q 时，a g = 妄q u 。在给定的电极电势差，e = u 下，显然以法拉第电荷的 z 方式存储在两电极电池中的能量，两倍于同样条件下的电容器。对此可以理解为：在充 电到纯双层电容器的过程中，每一个额外加入的电荷都必须对已经聚集在电极上的电荷 做电功( g i b b s 能) ，从而逐渐提高电极间的电位差。 理想电池充电时，热力学电势与电荷的充入程度无关。只与电活性材料同时存在的 氧化态和还原态有