車載空氣凈化裝置的儲能結(jié)構(gòu)研究

陳鶴鳴++++王林++++胡國文++++李超

摘 要： 儲能結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)車載空氣凈化裝置能量自給管理的重要單元，在分析和對比大量儲能數(shù)據(jù)的基礎上，選擇了具有獨特優(yōu)勢的超級電容作為儲能結(jié)構(gòu)。但是由于超級電容器單體之間在等效電阻和容量等方面存在一定差異，影響超級電容的使用壽命和儲能效率。因此，需要對串聯(lián)的超級電容組采取措施使得電壓均衡。通過對比現(xiàn)有的幾種超級電容的均壓方法，選擇了多飛渡電容均壓方案，在研究和分析其工作原理之后，提出改進方案，該方法能夠有效提高均壓的效率和均壓誤差。最后通過PSIM仿真軟件的仿真驗證，通過仿真結(jié)果得知該改進方案的可行性。

關(guān)鍵詞： 儲能結(jié)構(gòu) 超級電容器 多飛渡電容 均壓PSIM

引言

在分析和對比大量儲能數(shù)據(jù)之后，選擇了具有獨特優(yōu)勢的超級電容作為車載空氣凈化裝置的儲能結(jié)構(gòu)。儲能結(jié)構(gòu)分為四部分，即檢測模塊、驅(qū)動模塊、主電路和控制模塊。儲能結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)以PIC單片機為核心，通過協(xié)調(diào)各模塊，可以實現(xiàn)超級電容組的電壓均衡。

超級電容器具有超大容量，較高能量密度，較大的放電電流和長時間的循環(huán)使用壽命，因此具有很廣泛的應用前景。由于超級電容器單體之間在等效電阻和容量等方面存在一定差異，當超級電容器串聯(lián)的時候，超級電容單體之間會存在電壓不均衡現(xiàn)象，超級電容組將處于不健康的狀態(tài)。

超級電容的均壓分為能量消耗型和非能量消耗型兩種。能量消耗型均壓通過電路中電阻等元器件消耗多余的能量來達到均壓的效果。所以按其均壓的性質(zhì)可以分為：能量轉(zhuǎn)移式和能量轉(zhuǎn)換式。常見的幾種消耗能量的均壓電路有并聯(lián)電阻法、穩(wěn)壓管法和開關(guān)電阻法。

由表1可知，在考慮到超級電容器數(shù)量，均壓時轉(zhuǎn)移電容的數(shù)量，電容的重量、電容的體積、均壓控制系統(tǒng)的難易程度，以及均壓的速度、均壓的精度和均壓的效率之后，決定采用改進的多飛渡電容法進行超級電容器儲能均壓電路設計與研究。

1.傳統(tǒng)多飛渡電容法電壓均衡原理

多飛渡電容均壓的工作原理就是在n個超級電容之間放置n-1個飛渡電容，通過開關(guān)矩陣實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移，達到均壓的目的。多飛渡電容均壓法的拓撲電路如圖2所示。

飛渡電容均壓法的等效電路圖如圖3所示，飛渡電容用等效模型電容C代替，假設C的初始電壓比C的電壓高，開關(guān)K閉合，C開始向C放電。

a.工作模式1（T≤t≤T；T為開關(guān)K閉合起始時刻，T為開關(guān)K斷開且K閉合時刻）

設C的初始電壓為U，工作t時間后C的電壓為U（t），初始電壓與t時刻的電壓之間的關(guān)系如式1所示。由于C的容量比C的大很多，時間很短的一段工作期間內(nèi)，暫時將超級電容看成是一個電源，此時電路工作的等效電路圖如圖3所示。

i（t）=×e（1）

U（t）=U-（U-U）×e（2）

式（1）和式（2）為充電電流、電壓與時間的關(guān)系式，其中τ=R×C，R是放電回路中等效串聯(lián)電阻。

b.工作模式2（T≤t≤T）

在t=T時刻，開關(guān)K閉合，飛渡電容C向超級電容C放電，充電t時間后，C電壓值用U表示。此時電路工作的等效電路圖如圖5所示。C放電時候的電流、電壓與放電時間的關(guān)系如式（3）和式（4）所示：

i（t）=×e（3）

U（t）=U+（U-U）×e（4）

2.改進的多飛渡電容均壓控制

為提高能量轉(zhuǎn)移的效率，在原來的均壓電路的基礎上，對原有的多飛渡電容均壓法進行了改進，改進后的拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。其工作原理與原先的多飛渡均壓的工作原理類似。

3.飛渡電容仿真分析

利用PSIM軟件對由3支超級電容器串聯(lián)組成的儲能模塊進行充電過程的仿真分析。超級電容器以KAMCAP為研究對象，其容量為16F，額定電壓為16V，最大充電電流11A，由于內(nèi)阻與漏電流對電路的影響較小，此處可以忽略不計。

設定3支超級電容器C、C、C容量及初始電壓分別為14.4F/0V，16F/0V，20.8F/0V。圖7給出在恒定10A電流充電情況下，普通充電模式下，單體電壓值、總電壓值及充電電流與時間關(guān)系的曲線。從圖7中可以明顯看到分散性對3支超級電容器充電的影響，當C充滿時，C、C并未達到額定值，若繼續(xù)對電容充電，則C會過充，將嚴重影響其使用壽命，反之，則會影響整個系統(tǒng)能量的利用率。經(jīng)過23.08s充電結(jié)束，各單體電壓、總電壓不再上升，恒流源停止充電，充電時長與理論計算值一致。

圖8是均壓充電模式下各單體電壓值、總電壓值、充電電流與時間的曲線。在充電33.35s之后，各個單體電壓值達到一致，完成均壓，過程并沒過壓。當C達到額定值，系統(tǒng)將其剔除停止充電，此時總電壓下降，充電電流產(chǎn)生一定波動；當C達到額定值，系統(tǒng)也將其剔除，此時總電壓繼續(xù)下降，充電電流又產(chǎn)生一次波動；最終，C達到額定值，3支超級電容器都充滿，系統(tǒng)停止工作，總電壓將為0，實現(xiàn)均壓。

圖9是多飛渡電容電壓均衡效果圖。仿真參數(shù)設置如上，其超級電容器初始值同上?？梢姡倪M后多飛度電容均壓充電效率和利用率都得到提升。

將3支超級電容器，分別通過普通充電、改進前多飛渡電容法、改進后多飛渡電容法進行充電，對比仿真結(jié)果。普通充電所需時間最短，但其利用率較低。改進前多飛渡電容法，利用多個飛渡電容，通過控制開關(guān)管的反復通斷，從而實現(xiàn)相鄰單體間能量轉(zhuǎn)移，以達到均壓的目的，利用率有所提高，但依然存在利用效率低的缺點。通過圖8和圖9的對比，可以看出改進后的多飛度電容均壓法更能有效地提高利用效率。

結(jié)語

由于單個的超級電容之間在等效電阻和容量等方面存在一定差異，在給電容器充電的過程中，電壓不均衡將影響超級電容的使用壽命和儲能效率。通過對比分析各種超級電容均壓方法，確定了多飛渡電容均壓方案，在分析其工作原理的基礎上，提出了改進方案，有效提高了均壓的效率和均壓誤差。最后通過PSIM仿真軟件驗證，仿真結(jié)果表明了所提方案的有效性。

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