超級(jí)電容器是利用雙電層原理直接儲(chǔ)存電能的新型儲(chǔ)能元件。目前超級(jí)電容器儲(chǔ)能在分布式發(fā)電系統(tǒng)、混合動(dòng)力汽車中應(yīng)用非常廣泛，具有良好的發(fā)展前景。超級(jí)電容器具有功率密度高、充電速度快、充放電效率高、使用溫度范圍寬、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此超級(jí)電容器在電力系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用具有很高的實(shí)用價(jià)值。

表1是三種儲(chǔ)能元件性能參數(shù)的對(duì)比，如下所示。

表1 三種儲(chǔ)能元件的對(duì)比

由于超級(jí)電容器的額定電壓很低，一般為1-3伏，而實(shí)際應(yīng)用中的電壓等級(jí)往往很高，所以在實(shí)際應(yīng)用中需要將大量的超級(jí)電容器進(jìn)行串聯(lián)組合。

同一型號(hào)規(guī)格的超級(jí)電容器在電壓、內(nèi)阻、容量等參數(shù)上存在著不一致性，由U=Q/C可知，在串聯(lián)充電時(shí)，每個(gè)超級(jí)電容器單體上Q是相同的，U和C是成反比的。而電壓不一致對(duì)超級(jí)電容器模塊儲(chǔ)能容量、使用壽命影響很大，因此如何使串聯(lián)中的各個(gè)單體電容器上電壓趨于一致是至關(guān)重要的，為此可以采用超級(jí)電容器串聯(lián)電壓均衡方法。

超級(jí)電容器的串聯(lián)電壓均衡方法的研究

1、穩(wěn)壓管法

如圖1所示，當(dāng)超級(jí)電容器的工作電壓超過(guò)穩(wěn)壓管的擊穿電壓時(shí)，充電電流就會(huì)從穩(wěn)壓管上流過(guò)，電容器的電壓不再上升，防止了超級(jí)電容器過(guò)壓。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。缺點(diǎn)是充電能量完全消耗在穩(wěn)壓管上，穩(wěn)壓管會(huì)嚴(yán)重發(fā)熱，能量浪費(fèi)嚴(yán)重；而且穩(wěn)壓管的擊穿電壓精度低，分散性差，電壓均衡電路的工作可靠性不高。

圖1 穩(wěn)壓管法

2、開關(guān)電阻法

如圖2所示，當(dāng)超級(jí)電容器的工作電壓達(dá)到給定參考電壓值，旁路開關(guān)S閉合，充電電流就會(huì)從電阻和開關(guān)上流過(guò)，使超級(jí)電容器上的電壓不再上升或者上升速率大幅度下降。這種方法比穩(wěn)壓管法更加靈活，它可以根據(jù)充電電流的大小設(shè)定旁路的電阻，具有電壓監(jiān)控精度高，均衡效果好、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是耗費(fèi)能量，電阻發(fā)熱量大。這種方法適用于充電功率小的應(yīng)用場(chǎng)合。

圖2 開關(guān)電阻法

3、飛渡電容器電壓均衡方法

這種方法分為多飛渡電容器電壓均衡法和單飛渡電容器電壓均衡法。

1）多飛渡電容器電壓均衡法

多飛渡電容器電壓均衡法是利用多個(gè)容量很小的普通電容器作為中間儲(chǔ)能單元，將電壓高的超級(jí)電容器中的一部分能量向電壓低的超級(jí)電容器中轉(zhuǎn)移的一種電壓均衡方法。

圖3給出了多飛渡電容器電壓均衡法的電路結(jié)構(gòu)。通過(guò)開關(guān)的往復(fù)切換，實(shí)現(xiàn)了相鄰超級(jí)電容器之間的電壓平等，進(jìn)而使整個(gè)超級(jí)電容模塊的電壓達(dá)到均衡。

圖3 多飛渡電容器均衡法

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，多飛渡電容器電壓均衡電路，在小功率應(yīng)用場(chǎng)合中，電壓均衡速度快，超級(jí)電容器模塊電壓一致性得到大幅度提高，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

2）單飛渡電容器電壓均衡法

單飛渡電容器電壓均衡法，是利用一個(gè)容量很小的普通電容器作為中間儲(chǔ)能單元，將電壓高的超級(jí)電容器中的能量向電壓低的超級(jí)電容器中轉(zhuǎn)移的一種電壓均衡方法。

圖4給出了單飛渡電容器電壓均衡法的電路結(jié)構(gòu)。

圖4 單飛渡電容器均衡法

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單飛渡電容器電壓均衡方法電壓均衡速度快，可以大幅度提高超級(jí)電容器模塊的電壓一致性，適合在中小功率的應(yīng)用場(chǎng)合中使用，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

3）兩種飛渡電容器電壓均衡方法的比較

多飛渡電容器電壓均衡法在進(jìn)行電壓均衡的過(guò)程中，因?yàn)闀?huì)經(jīng)過(guò)許多其它的超級(jí)電容器，所以會(huì)浪費(fèi)許多能量。又因?yàn)槎囡w渡電容器電壓均衡速度取決于所有的飛渡電容器的均衡速度，所以當(dāng)相鄰超級(jí)電容器電壓差很小時(shí)，將導(dǎo)致整個(gè)超級(jí)電容器模塊的電壓均衡速度下降。

而單飛渡電容器電壓均衡法將電壓高的超級(jí)電容器中的能量直接轉(zhuǎn)移到電壓低的超級(jí)電容器中，電壓均衡速度僅取決于串聯(lián)超級(jí)電容器模塊中最大電壓差和放電回路的等效串聯(lián)電阻，因此電壓均衡速度要大大高于多飛渡電容器法。同理，在能量的傳遞過(guò)程中單飛渡電容器電壓均衡法損耗較少，因此工作效率也要遠(yuǎn)高于多飛渡電容器電壓均衡法。

4、電感儲(chǔ)能電壓均衡方法

這種方法分為平均值電感儲(chǔ)能電壓均衡法和相鄰比較式電感儲(chǔ)能電壓均衡法。

1）平均值電感儲(chǔ)能電壓均衡法

圖5是平均值電感儲(chǔ)能電壓均衡法電路結(jié)構(gòu)。

圖5 平均值電感均衡法

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明平均值電感儲(chǔ)能電壓均衡電路在充電的過(guò)程中不僅平衡了四支超級(jí)電容器容量差異帶來(lái)的電壓上升率的不均，而且還大大減小了它們之間的初始電壓差，提高了超級(jí)電容器模塊的電壓一致性。通過(guò)恒定負(fù)載放電仿真，在超級(jí)電容器模塊的放電過(guò)程中，由于平均值電感儲(chǔ)能電壓均衡電路的作用，超級(jí)四支超級(jí)電容器的電壓始終保持一致。

2）相鄰比較式電感儲(chǔ)能電壓均衡法

圖6給出了兩支超級(jí)電容器串聯(lián)的電壓均衡模塊電路結(jié)構(gòu)。

圖6 相鄰比較式電感法均衡法

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相鄰比較式電感儲(chǔ)能電壓均衡電路極大地改善了超級(jí)電容器模塊的電壓一致性，在中等功率應(yīng)用場(chǎng)合中，電壓均衡效果非常明顯，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

3）兩種電感儲(chǔ)能電壓均衡方法的比較

由于能量不是從電壓最高的超級(jí)電容器中向電壓最低的超級(jí)電容器中轉(zhuǎn)移，所以這兩種電壓均衡方法在工作過(guò)程中都存在著能量浪費(fèi)問題。在超級(jí)電容器模塊串聯(lián)支數(shù)較多的情況下，或者相鄰超級(jí)電容器電壓相差不大時(shí)，能量從電壓最高的超級(jí)電容器中向電壓最低的超級(jí)電容器中轉(zhuǎn)移時(shí)需要經(jīng)過(guò)多個(gè)超級(jí)電容器，從而導(dǎo)致相鄰式電壓均衡方法的均衡速度下降，同時(shí)浪費(fèi)的能量也隨之增加；而平均值電感儲(chǔ)能電壓均衡法則恰恰相反，它的電壓均衡速度會(huì)隨著串聯(lián)支數(shù)的增加而加快。

電路仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證串聯(lián)均壓技術(shù)的效果，選用均衡效果較好的單飛渡電容器電壓均衡法，并采用PSIM軟件對(duì)由三支超級(jí)電容器串聯(lián)組成的模塊進(jìn)行了充電仿真。

仿真參數(shù)設(shè)置如下：脈沖頻率f=20kHz，充電電流I=20A，MOSFET導(dǎo)通電阻Rm=10mΩ。超級(jí)電容器模型采用RC模型，電容量分散度d的范圍為[-10%，+20%]，設(shè)它們的容量和初始電壓依次為：9F/0V、11F/0V、12F/0V，等效串聯(lián)內(nèi)阻為1mΩ。

圖7 電壓均衡前后三支超級(jí)電容器的電壓上升波形

圖7(a)、(b)分別給出了三支超級(jí)電容器在進(jìn)行20A電流充電時(shí)，采用單飛渡電容器電壓均衡電路前后的電壓變化曲線。在圖7(a)中，三支超級(jí)電容器中最高電壓為2.7V，最低電壓為2.0V，最大電壓差為0.7V；而圖7(b)中，最高電壓為2.7V，最低的為2.4V，最大電壓差為0.3V，比電壓均衡前減少了0.4 V，可見采用飛渡電容器電壓均衡法明顯的改善了三支超級(jí)電容器電壓的不平衡性。

結(jié)論

目前超級(jí)電容器串聯(lián)技術(shù)，按其工作原理可分為上述幾種方法，每種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，而且每種方法都有適用的場(chǎng)合，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。其中單飛渡電容器電壓均衡法和平均值電感儲(chǔ)能電壓均衡法均衡效果相比來(lái)說(shuō)最好，但是這兩種方法也并非盡善盡美，從均衡速度和工作效率來(lái)看，還有很大的提高空間。（摘編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“超級(jí)電容器的串聯(lián)技術(shù)的研究”，作者為穆世霞。）