王哲俊+胡鴻飛+盛禎

摘 要：超級(jí)電容功率密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)及工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)使其成為近年來備受青睞的一種新型儲(chǔ)能裝置。針對(duì)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(shí)現(xiàn)超級(jí)電容電壓均衡。均壓電路實(shí)時(shí)采集兩組電容器電壓值進(jìn)行比例運(yùn)算，通過算法控制達(dá)到均壓效果?；贛ATLAB/Simulink搭建電路仿真模型，驗(yàn)證該方法的可行性。

關(guān)鍵詞：超級(jí)電容；雙向DC/DC；均壓

中圖分類號(hào)：TM53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）34-0017-02

1 概述

與其他儲(chǔ)能元件相比，超級(jí)電容具有功率密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、使用溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的發(fā)展前景。超級(jí)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(jí)要求必須對(duì)其串并聯(lián)使用。但由于制造誤差和制造水平等限制，超級(jí)電容器單體儲(chǔ)存能力不一，因此需采用均壓措施使超級(jí)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(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但能量浪費(fèi)嚴(yán)重。能量轉(zhuǎn)移型均壓方法通過中間元件傳輸能量，使超級(jí)電容器單體電壓達(dá)到均衡，具有能耗低的優(yōu)點(diǎn)，但其控制方法復(fù)雜，成本較高。

針對(duì)上述問題，本文研究一種基于雙向DC/DC的超級(jí)電容均壓電路，利用并聯(lián)于超級(jí)電容器單體間的電感實(shí)現(xiàn)能量傳輸，最后達(dá)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(gè)超級(jí)電容器SC1、SC2間并聯(lián)一個(gè)電感，通過兩側(cè)開關(guān)控制兩條支路的關(guān)斷與接通，實(shí)現(xiàn)能量傳輸，到達(dá)均壓效果。

當(dāng)SC1電壓高于SC2電壓時(shí)，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(shí)間后，斷開S1接通S2，電感L向SC2放電，此時(shí)電感電流降低，SC2電壓升高，放電一段時(shí)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(shí)，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(shí)間后，斷開S2接通S1，電感L向SC1放電，此時(shí)電感電流降低，SC1電壓升高，放電一段時(shí)間再次開通S2關(guān)斷S1，如此重復(fù)，最后達(dá)到電壓平衡。

2.2 控制策略

通過對(duì)電感電流采用滯環(huán)調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)對(duì)電感充放電時(shí)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(cè)值與已設(shè)定好的參考電流值進(jìn)行比較，當(dāng)電流檢測(cè)值小于設(shè)定值與1/2環(huán)寬之差時(shí)，開關(guān)管S導(dǎo)通，電感L充電。當(dāng)電感電流檢測(cè)值上升到設(shè)定值與1/2環(huán)寬之和時(shí)，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(jí)電容器均由20個(gè)單體電壓為2.7V，容量350F的超級(jí)電容器串聯(lián)組成，串聯(lián)后超級(jí)電容器組電壓均為54V，容量為17.5F。兩個(gè)MOSFET管的開關(guān)頻率設(shè)置為35kHz。電感容量取800μH，計(jì)算出針對(duì)超級(jí)電容器組C2的比例運(yùn)算器值為0.0089。據(jù)上述參考數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)（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(shí)C1電壓值不斷降低，C2電壓值不斷升高，在70s時(shí)兩者均達(dá)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(shí)（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(jìn)程中，C2電壓值不斷降低，C1電壓值不斷升高，在70s時(shí)兩者電壓達(dá)到8.8V左右，此后兩者電壓保持均衡。

4 結(jié)束語

針對(duì)超級(jí)電容器均壓?jiǎn)栴}研究了一種雙向DC/DC均壓電路實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器電壓均衡。通過仿真模型來檢驗(yàn)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(shí)間內(nèi)通過儲(chǔ)能元件轉(zhuǎn)移超級(jí)電容器上的能量，實(shí)現(xiàn)相鄰電容器間的電壓均衡。

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