超級(jí)電容均壓技術(shù)

本文每一章內(nèi)容安排如下：第一章:緒論部分，主要介紹了本文研究背景及現(xiàn)狀，闡述了超級(jí)電容器的概念和優(yōu)缺點(diǎn)等相關(guān)知識(shí)，簡(jiǎn)要介紹了幾種電壓均衡方案”第二章:理論基礎(chǔ)部分，介紹了超級(jí)電容器的構(gòu)成!原理和相關(guān)參數(shù),分析研究了超級(jí)電容器的輸入輸出特性”第三章:仿真分析部分,對(duì)幾種常用的電壓均衡方案進(jìn)行詳細(xì)的介紹和仿真分析，全面比較幾種電壓均衡方案的優(yōu)劣”第四章:均衡方案確定和改進(jìn)部分，結(jié)合仿真比較和實(shí)際情況選擇合適的電壓均衡方案，針對(duì)此方案存在的不足之處提出改進(jìn)意見并分析其可行性"第五章:穩(wěn)壓方案設(shè)計(jì)部分，設(shè)計(jì)合適的超級(jí)電容器輸出電壓穩(wěn)壓方案,保證其兩端輸出電壓恒定不變”第六章:硬件搭建部分，在前幾章分析討論的基礎(chǔ)上搭建充放電控制系統(tǒng)的硬件電路,給出硬件的設(shè)計(jì)過程和調(diào)試結(jié)果”第七章:總結(jié)展望部分，簡(jiǎn)要總結(jié)論文的主要研究工作，展望超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用的發(fā)展前景”超級(jí)電容器作為近年來興起的一種新型電力儲(chǔ)能元件，在電動(dòng)汽車、有軌列車、新能源等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。但由于超級(jí)電容器的電壓值很低（1.6-3V），不能滿足一些大功率儲(chǔ)能系統(tǒng)的要求，所以需要將大量的超級(jí)電容器單體進(jìn)行串聯(lián)以提高電壓等級(jí)。生產(chǎn)工藝等原因造成了各個(gè)電容單體參數(shù)的分散性，導(dǎo)致在串聯(lián)工作時(shí)，各個(gè)單體上的電壓大小不一，即有可能在儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電過程中出現(xiàn)過電壓和欠電壓兩種不健康狀態(tài)。欠電壓狀態(tài)的超級(jí)電容器，其容量不能得到充分地利用，存在浪費(fèi)現(xiàn)象。而處于過電壓狀態(tài)會(huì)很大程度上縮短超級(jí)電容器的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生爆炸。所以必須對(duì)超級(jí)電容器組引入均壓技術(shù)，來提高超級(jí)電容器組的利用率和可靠性［3-5］，同時(shí)使超級(jí)電容器的使用壽命得以延長(zhǎng)。影響超級(jí)電容電壓不均衡的原因1）容量偏差超級(jí)電容器的電壓u、電流i、電量Q以及容量W滿足以下的關(guān)系式：.八dui=CxdtQ=ixdt=CxduW=—xCxu22(2-1)(2-2)(2-3)(2-1)(2-2)(2-3)超級(jí)電容器恒流充電電壓上升曲線dudtQ=ixdt=Cxdu1,w=LxCxu22從公式2-1可以看出，在恒定電流充電的條件下，如果電容單體之間，電容值C存在差異，電壓u的變化率是不相同的。電容值小的電容電壓上升的更快，而電容的容量C與電壓u的平方成正比(公式2—3)，故電容值的差異會(huì)導(dǎo)致充電過程中各單體電容電壓的大小不一。圖1給出了額定電壓為2.7V，額定容量為220F的四個(gè)超級(jí)電容串聯(lián)后，以100A恒流充電的電壓-時(shí)間波形。C1?C4的電容量分別為180F、200F、220F、240F。Voltagewaveformof4super-capacitorwithconstantcurrentcharging由上圖可知，四個(gè)超級(jí)電容的電壓上升速度均不同，電容量最小的超級(jí)電容C1(180F)的電壓上升速率最快，電容量最大的超級(jí)電容C4上升速度最慢。當(dāng)C1達(dá)到額定電壓2.7V時(shí)，C4的電壓只有2.1V左右，為額定電壓的78%，所以在不采取任何措施的情況下，當(dāng)C4充電到額定電壓時(shí)，C1、C2、C3兩端電壓均會(huì)過壓。通常情況下，超級(jí)電容器容量偏差為-10%?+30%，在極限情況下偏差達(dá)到了1.44倍。在這種偏差達(dá)到最大的情況下，在充電時(shí)容量最小的單體電容器首先到達(dá)額定電壓，而這時(shí)容量最大單體電容器僅充到額定電壓的69%，其儲(chǔ)能為最小容量電容器的69%，其關(guān)系為:CXU2=1X1.44C(1)2U2=0.69f1CxU2maxmin2 min1.44e [2mine/其中Cmin為容量最小的超級(jí)電容的容量，Cmax為容量最大的超級(jí)電容的容量。則電容器組的平均儲(chǔ)能為：W=1+0.69x(1cxU2]=0.845Wave2k2mineJ C.比全部由下偏電容量超級(jí)電容構(gòu)成的電容器組還小，為標(biāo)稱值電容器的76%,即：1+0.69(［八tt^1+0.751心八八I了 八丑,1 ,W= x—CxU2= x—\0.9CU2=0.76X—CU2=0.76Wave2 k2mineJ2 2ee 2ee e通過以上分析可知，電容單體容量的偏差，會(huì)導(dǎo)致超級(jí)電容器在充電過程中電壓的不均衡，從而使超級(jí)電容器組的儲(chǔ)能量顯著下降，存在浪費(fèi)現(xiàn)象。2)等效串聯(lián)阻抗(EquivalentSeriesResistance，ESR)等效串聯(lián)阻抗(ESR)即前面討論等效模型中提到的等效電路中的Res，它是表征超級(jí)電容器性能的重要參數(shù)之一，超級(jí)電容器的ESR比普通電容器要大，而且隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)其值會(huì)緩慢增大，這將會(huì)導(dǎo)致單體電容間的ESR的差異越來越顯著。由超級(jí)電容器串聯(lián)RC等效模型如下圖，圖中ESR決定在初始時(shí)刻超級(jí)電容器電壓的分布。在充放電時(shí)，ESR大的電容器先于ESR小的結(jié)束充放電。超級(jí)電容器的ESR雖然很小，但時(shí)超級(jí)電容器額定電壓值很低并且充放電時(shí)電流值可以很大，導(dǎo)致其他ESR相對(duì)較小的電容器充放電不充分。即在充電時(shí)，ESR越大的電容器越先結(jié)束充電；而在放電時(shí)，ESR越大的電容器結(jié)束放電越晚。ESR圖2串聯(lián)RC模型3)漏電流儲(chǔ)能裝置充有電荷后在靜置狀態(tài)下的電荷保持能力取決于漏電流，經(jīng)過相對(duì)長(zhǎng)時(shí)間的靜置后，漏電流大的超級(jí)電容器的保持電荷的能力明顯低于漏電流小的超級(jí)電容器。因此放電時(shí)，漏電流大的超級(jí)電容器首先達(dá)到放電完結(jié)，而漏電流小的超級(jí)電容器仍保持較多的電荷。充電時(shí)則相反，漏電流小的超級(jí)電容器首先達(dá)到充電完結(jié)。對(duì)于漏電流的分析主要基于超級(jí)電容器動(dòng)態(tài)特性方面的研究［10］，但對(duì)超級(jí)電容器的動(dòng)態(tài)特性描述很困難，需要建立準(zhǔn)確的超級(jí)電容器的模型。由于影響超級(jí)電容器的因素很多，建立準(zhǔn)確的模型也是相當(dāng)繁瑣的。為了簡(jiǎn)化，目前有兩種常用的等效模型，其中經(jīng)典模型如圖1所示為，該模型在通常情況下可以相對(duì)較好地滿足超級(jí)電容器動(dòng)態(tài)特性分析的需求。囹1給曲棺坦I圖中，等效并聯(lián)電阻(EquivalentParallelResistance，EPR)反映漏電流的大小，EPR越小，漏電流越大，進(jìn)而影響超級(jí)電容器的端電壓。綜上所述,超級(jí)電容器組各單體電容之間某些參數(shù)上的差異客觀存在，這些差異導(dǎo)致了電容在充放電過程中超級(jí)電容端電壓不均衡，如果超級(jí)電容器長(zhǎng)時(shí)間工作在電壓均衡的情況下，將導(dǎo)致其使用壽命急劇的縮短。這是因?yàn)槌?jí)電容器內(nèi)部電解液的揮發(fā)、分解的速度與工作電壓有關(guān)，工作電壓越高,參與氧化反應(yīng)電解液中的雜質(zhì)便會(huì)越多，電解液的分解也會(huì)更快,這些氧化反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電容內(nèi)部等效串聯(lián)阻抗(ESR)和自放電率增大,電容容量降低，導(dǎo)致電容性能變差[[28JBarradeP；PittetS；RulerA.Energystoragesystemusingaseriesconnectionofsupercapacitorswithanactivedeviceforequalizingthevoltages[C].1PEC,2000:InternationalPowerElectronicsConference,2000:3-7.8BarradeP;PittetS;RuferA.EnergystoragesystemusingaserieseonneetionofsuPereaPaeitorswithanaetivedevieeforequalizingthevoltages=C].IPEC,2000:hit腳ationalPowerElectroniesConferenee,2000:3一7]可見,對(duì)串聯(lián)超級(jí)電容器組來說,電壓不均衡的問題是限制其廣泛應(yīng)用的最主要的因素，采取電壓均衡措施是很有必要且不可缺少的。均壓技術(shù)超級(jí)電容均壓技術(shù)按照不同的標(biāo)準(zhǔn)有不同的劃分。若按照均壓過程中能量是消耗還是轉(zhuǎn)移，分為：能量消耗型和能量轉(zhuǎn)移型；若按照均壓電路的工作效果進(jìn)行分類，則又可分為動(dòng)態(tài)均壓和靜態(tài)均壓。動(dòng)態(tài)均壓是指在充放電的過程中可實(shí)現(xiàn)組中單體電壓的平衡。與動(dòng)態(tài)均壓不同，靜態(tài)均壓是指均壓電路只工作在放電進(jìn)行前、充電完成后這兩個(gè)狀態(tài)中，即在相對(duì)靜態(tài)中實(shí)現(xiàn)電壓的均衡。若均壓過程能夠動(dòng)、靜態(tài)均衡相結(jié)合，不僅能使所有超級(jí)電容器電壓幾乎同時(shí)到達(dá)額定電壓，有較快的均壓速度，而且還會(huì)使在靜置狀態(tài)的超級(jí)電容器組能實(shí)現(xiàn)高效率的均壓。1)能量消耗型均壓能量消耗型均壓方法易于實(shí)現(xiàn)，它的原理是將電壓高的單體的多余的能量以熱或其他能量形式消耗掉，達(dá)到降低其電壓的目的，實(shí)現(xiàn)均壓。能量消耗型均壓方法主要有：直接并聯(lián)電阻法、開關(guān)電阻法和并聯(lián)穩(wěn)壓管法[孟麗囪，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)，2005,25⑴：1-3.—-- 「一— —張彬，劉君，穆世霞.超級(jí)電容器串聯(lián)技術(shù)的研究[JL電氣技術(shù),2010,16(9):46—49.]，如下圖所示。

耗能法電壓均衡電路VoltageequalizationcircuitusingdissipativePrinciple如圖（a）所示，超級(jí)電容器兩端并聯(lián)耗能電阻后，當(dāng)相鄰超級(jí)電容電壓不等時(shí)，并聯(lián)電阻上將會(huì)流過電流，將電壓高的超級(jí)電容器的能量以熱的形式耗散掉，以使其電壓與電壓低的超級(jí)電容器的電壓逐漸一致；圖（b）中，在每個(gè)超級(jí)電容器的兩端并聯(lián)一穩(wěn)壓二極管，在穩(wěn)壓管的擊穿電壓選擇合理的情況下（選擇與充滿電時(shí)超級(jí)電容器兩端的電壓一致），在超級(jí)電容端電壓達(dá)到穩(wěn)壓管擊穿電壓之前，穩(wěn)壓管不工作，達(dá)到穩(wěn)壓管擊穿電壓時(shí)，超級(jí)電容器的端電壓就被限制在穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓值，從而不至于過充電；圖（。）所示為開關(guān)電阻法，這是直接并聯(lián)電阻法的改進(jìn)方法，它工作原理是，耗能電阻一開始并不工作，直到與其并聯(lián)的超級(jí)電容器的端電壓到達(dá)一個(gè)定值時(shí)開關(guān)閉合，這是耗能電阻進(jìn)入工作狀態(tài)，開始發(fā)熱消耗多余的能量，從而使超級(jí)電容器的端電壓穩(wěn)定在一個(gè)定值而不會(huì)過充。顯然，上述這三種方法都是是通過消耗能量的方式將多余能量耗散掉，這一方面是對(duì)能量的浪費(fèi)。另一方面，在給超級(jí)電容器以大電流充電時(shí)，電阻上流過大電流產(chǎn)生的熱量也很大，還需考慮加裝散熱裝置，增加了成本。2）能量轉(zhuǎn)移型均壓能量轉(zhuǎn)移型均壓技術(shù)，它是通過能量變換器將單體間的偏差能量轉(zhuǎn)移至組內(nèi)其他單體中，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均壓。它的一般思路如下，定義超級(jí)電容器電容值的分散度為d，設(shè)兩只容量為C1、C2的超級(jí)電容器的分散度分別為11、12，若超級(jí)電容器的標(biāo)稱容量為CN，則它們的容量表達(dá)式為C=C（1+1）C2=C（1+12）

Gf1十4)Ef1M)設(shè)AC為實(shí)際電容容量差，如以同樣大的電流I給兩只電容充電，在相同時(shí)間t內(nèi)，二者的電壓差A(yù)UAU=AC, ItAU=CC12(7)由此式可得出，只要存在電容容量差，電壓差就與時(shí)間成正比，即隨著充電時(shí)間的增大，電壓差會(huì)越來越大。設(shè)想能否使流入兩個(gè)電容單體的充電電流不同。在相同的時(shí)間t內(nèi)，若兩只電容器以大小不同的電流I1和I2進(jìn)行充電，則可得出二者的電壓差為AU=（匕-土）tCC1 2在電壓差為0時(shí)刻，可得二者各自的充電電流滿足I1+1—1= 1I1+1}=丹 ⑼即當(dāng)充電電流I1和I2滿足式（9）所描述關(guān)系時(shí)，兩只電容單體電壓差為0，實(shí)現(xiàn)了均壓。文獻(xiàn)［劉雪冰。。。。。。］提出了能量轉(zhuǎn)移型均壓電路的基本模型，如圖4所示，I是外部電流源，在每只電容器兩側(cè)各并聯(lián)一平衡電流源Ieq（兩者電流方向相反），平衡電流源的實(shí)際電流方向是通過2個(gè)電容的電壓大小關(guān)系而得，現(xiàn)假設(shè)C1的電壓大于C2的電壓，則平衡電流源電流的方向如圖4所示，設(shè)Ieq=KI，K為平衡系數(shù)，則得出2個(gè)超級(jí)電容器的充電電流分別為I=I（1-K）I=I（1+K）2

(10)(10)將式（10）代入式（9）可得圖4能量轉(zhuǎn)移型均壓電路基本模型K=l2-11(11)2+/]+12(11)2+ 1十d1式（11）表明，當(dāng)超級(jí)電容器組各單體電容電壓保持在均壓狀態(tài)時(shí)，電壓均衡電路的平衡電流Ieq和充電電流I需滿足I= l2-11 Ieq2+1+1(12)通過以上分析可知，平衡電流源只會(huì)在兩電容單體間存在電壓差時(shí)才工作。再者，通過式（12）計(jì)算出的Ieq值后，可以進(jìn)一步為儲(chǔ)能器件選擇合適的數(shù)值和為功率器件選擇合適的開關(guān)頻率等。當(dāng)兩個(gè)超級(jí)電容器的初始電壓差不為零時(shí)，需使初始平衡電流Ieq大于或等于KI，顯然平衡系數(shù)越大，電壓差減小得越快，均衡速度也就越快。在此過程中，Ieq的大小