基于Zetas的串聯(lián)超級(jí)電容器電壓均衡技術(shù)

摘要：介紹了一種基于多段式Zetas的串聯(lián)超級(jí)電容器(SC)均壓電路。該電壓均衡電路通過(guò)輔助電源提供能量，依據(jù)各單體的端電壓對(duì)其補(bǔ)充能量，實(shí)現(xiàn)各單體電壓均衡。與現(xiàn)有均壓電路相比，提出的均壓電路僅需一個(gè)開(kāi)關(guān)管，且當(dāng)其工作于電流斷續(xù)模式(DCM)時(shí)即可自動(dòng)完成均壓，無(wú)需閉環(huán)控制，省去電壓檢測(cè)及控制電路，從而降低系統(tǒng)復(fù)雜性，提高均壓電路可靠性。通過(guò)分析其工作特性，給出了均壓電路的參數(shù)設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相符，證明了該均壓電路的優(yōu)良均壓性能。
關(guān)鍵詞：超級(jí)電容器；多段式；均壓電路；電流斷續(xù)模式

1 引言
SC也稱雙電層電容器，是一種新興儲(chǔ)能元件。它具有功率密度高，循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，使用溫度范圍寬，溫升小，充放電迅速，相對(duì)成本低等優(yōu)點(diǎn)，是微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)研究的重要方向之一。SC單體電壓等級(jí)無(wú)法滿足微電網(wǎng)要求，故實(shí)際中需對(duì)其串聯(lián)形成SC組以提高電壓等級(jí)。但串聯(lián)SC組單體參數(shù)不同，造成充放電過(guò)程中單體電壓不均衡，影響SC有效利用容量及使用壽命。為解決上述問(wèn)題，提出能量轉(zhuǎn)移型均衡器均壓方法，其原理是通過(guò)開(kāi)關(guān)管、電感、電容的組合將端電壓較高單體上能量轉(zhuǎn)移到較低單體上或從外部補(bǔ)充能量，以實(shí)現(xiàn)均壓。但這些均壓電路需大量開(kāi)關(guān)管、傳感器或多繞組變壓器，且元件數(shù)量會(huì)隨SC串聯(lián)個(gè)數(shù)增加而逐漸增加，使均壓電路復(fù)雜性及成本增加。
針對(duì)上述均壓方案的缺點(diǎn)，建立了一種基于多段式Zetas的單開(kāi)關(guān)均壓電路。該電路僅需一個(gè)開(kāi)關(guān)，相對(duì)于傳統(tǒng)均壓電路其構(gòu)更為簡(jiǎn)單，且該均壓電路工作于DCM即可完成均壓，無(wú)需閉環(huán)控制，從而省去了電壓檢測(cè)電路與控制電路。

2 工作原理
圖1示出傳統(tǒng)Zeta變換器電路。圖2示出基于多段式Zetas的均壓電路結(jié)構(gòu)，其中C，L，V，C4，VD4，L4與圖1中的Zeta變換器相同，Ci，VDi，Ll(i=1，2，3，4)疊加在一起并聯(lián)在SC單體(Cs1～Cs4)兩端，故為多段式Zetas均壓電路。C與串聯(lián)SC組并聯(lián)以保持Zetas變換器中的Uin穩(wěn)定。

假設(shè)4個(gè)SC串聯(lián)，將串聯(lián)SC組總電壓作為均壓電路的輸入，控制MOSFET的通斷，通過(guò)均壓電路實(shí)現(xiàn)能量再分配。均壓電路開(kāi)始工作時(shí)，端電壓最低的單體兩端的二極管導(dǎo)通時(shí)間最長(zhǎng)，該單體得到的能量最多；隨著均壓電路的工作，各二極管導(dǎo)通時(shí)間逐漸趨于一致，最終各單體電壓平衡，二極管導(dǎo)通時(shí)間相同，各單體得到能量相同。由于均壓電路中的電感、電容、MOSFET、二極管的損耗和導(dǎo)通壓降會(huì)使均壓電路速度較慢，且會(huì)使得串聯(lián)SC組有一定的能量損失。因此對(duì)原有均壓電路進(jìn)行改進(jìn)，得到新的均壓拓?fù)洹?br />
3 改進(jìn)后的均壓電路
圖3示出改進(jìn)后的均壓電路，電路使用外部輔助電源提供能量，斷開(kāi)SC組與均壓電路輸入端的連線。輔助電源的電壓Uin即為均壓電路的輸入電壓，其表達(dá)式為：
Uin=4UsCN+UVD+Uc (1)
式中：UsCN為超級(jí)電容額定電壓；UVD為二極管導(dǎo)通壓降；Uc為MOSFET導(dǎo)通壓降及電感電容上的損耗壓降。

4 實(shí)驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果
按照?qǐng)D3所示的均壓電路搭建實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，電路參數(shù)如下：UVD=0．36 V，L=400μH，C1=C2=C3=C4=470μF，L1=L2=L3=L4=100μH，SC容值Cs=25 F，UsCN=2．7 V，MOSFET采用IPI045N10N3，工作頻率為20 kHz，占空比為0．5。
圖4a示出均壓過(guò)程中VD1～VD4兩端的電壓波形?？梢?jiàn)，在均衡工作起始階段，VD1的導(dǎo)通時(shí)間最長(zhǎng)，因此Cs1上得到的能量最多，電壓上升最快，而隨著均衡電路的工作，各單體電壓趨于一致，VD1～VD4的導(dǎo)通時(shí)間趨于一致，如圖4b所示。

圖4c示出SC組各單體初始電壓為2．5 V，2．2 V，1．5 V，1 V，SC組靜置時(shí)，均壓電路工作過(guò)程中各單體端電壓波形。均壓電路汲取輔助電源能量，再將能量分配給電壓最低的單體?？梢?jiàn)，端電壓最低的單體電壓上升最快，然后速度逐漸降低，直到電壓達(dá)到均衡。但由于輔助電源不斷提供能量，各單體電壓會(huì)逐步升高，因此應(yīng)當(dāng)在完成均壓后立即斷開(kāi)均壓電路。

5 結(jié)論
實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了提出的基于多段式Zetas的均壓電路可以滿足快速均壓要求，且該電路只需工作在電流斷續(xù)狀態(tài)下，無(wú)需閉環(huán)控制，使系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單可靠。該均壓方案可應(yīng)用于微電網(wǎng)，超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置或蓄電池儲(chǔ)能裝置。