超級電容器是利用雙電層原理直接儲存電能的新型儲能元件。目前超級電容器儲能在分布式發(fā)電系統(tǒng)、混合動力汽車中應用非常廣泛，具有良好的發(fā)展前景。超級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)壽命長等優(yōu)點，因此超級電容器在電力系統(tǒng)領(lǐng)域的應用具有很高的實用價值。

表1是三種儲能元件性能參數(shù)的對比，如下所示。

表1 三種儲能元件的對比

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

同一型號規(guī)格的超級電容器在電壓、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，每個超級電容器單體上Q是相同的，U和C是成反比的。而電壓不一致對超級電容器模塊儲能容量、使用壽命影響很大，因此如何使串聯(lián)中的各個單體電容器上電壓趨于一致是至關(guān)重要的，為此可以采用超級電容器串聯(lián)電壓均衡方法。

超級電容器的串聯(lián)電壓均衡方法的研究

1、穩(wěn)壓管法

如圖1所示，當超級電容器的工作電壓超過穩(wěn)壓管的擊穿電壓時，充電電流就會從穩(wěn)壓管上流過，電容器的電壓不再上升，防止了超級電容器過壓。這種方法的優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低。缺點是充電能量完全消耗在穩(wěn)壓管上，穩(wěn)壓管會嚴重發(fā)熱，能量浪費嚴重；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，當超級電容器的工作電壓達到給定參考電壓值，旁路開關(guān)S閉合，充電電流就會從電阻和開關(guān)上流過，使超級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。其缺點是耗費能量，電阻發(fā)熱量大。這種方法適用于充電功率小的應用場合。

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容量很小的普通電容器作為中間儲能單元，將電壓高的超級電容器中的一部分能量向電壓低的超級電容器中轉(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)。通過開關(guān)的往復切換，實現(xiàn)了相鄰超級電容器之間的電壓平等，進而使整個超級電容模塊的電壓達到均衡。

圖3 多飛渡電容器均衡法

實驗結(jié)果表明，多飛渡電容器電壓均衡電路，在小功率應用場合中，電壓均衡速度快，超級電容器模塊電壓一致性得到大幅度提高，具有較高的應用價值。

2）單飛渡電容器電壓均衡法

單飛渡電容器電壓均衡法，是利用一個容量很小的普通電容器作為中間儲能單元，將電壓高的超級電容器中的能量向電壓低的超級電容器中轉(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

實驗結(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電容器模塊的電壓一致性，適合在中小功率的應用場合中使用，具有較高的應用價值。

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行電壓均衡的過程中，因為會經(jīng)過許多其它的超級電容器，所以會浪費許多能量。又因為多飛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，所以當相鄰超級電容器電壓差很小時，將導致整個超級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電容器中的能量直接轉(zhuǎn)移到電壓低的超級電容器中，電壓均衡速度僅取決于串聯(lián)超級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高于多飛渡電容器電壓均衡法。

4、電感儲能電壓均衡方法

這種方法分為平均值電感儲能電壓均衡法和相鄰比較式電感儲能電壓均衡法。

1）平均值電感儲能電壓均衡法

圖5是平均值電感儲能電壓均衡法電路結(jié)構(gòu)。

圖5 平均值電感均衡法

實驗結(jié)果表明平均值電感儲能電壓均衡電路在充電的過程中不僅平衡了四支超級電容器容量差異帶來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，提高了超級電容器模塊的電壓一致性。通過恒定負載放電仿真，在超級電容器模塊的放電過程中，由于平均值電感儲能電壓均衡電路的作用，超級四支超級電容器的電壓始終保持一致。

2）相鄰比較式電感儲能電壓均衡法

圖6給出了兩支超級電容器串聯(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

實驗結(jié)果表明，相鄰比較式電感儲能電壓均衡電路極大地改善了超級電容器模塊的電壓一致性，在中等功率應用場合中，電壓均衡效果非常明顯，具有較高的應用價值。

3）兩種電感儲能電壓均衡方法的比較

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

電路仿真驗證

為了驗證串聯(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軟件對由三支超級電容器串聯(lián)組成的模塊進行了充電仿真。

仿真參數(shù)設置如下：脈沖頻率f=20kHz，充電電流I=20A，MOSFET導通電阻Rm=10mΩ。超級電容器模型采用RC模型，電容量分散度d的范圍為[-10%，+20%]，設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電容器的電壓上升波形

圖7(a)、(b)分別給出了三支超級電容器在進行20A電流充電時，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電容器電壓的不平衡性。

結(jié)論

目前超級電容器串聯(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，而且每種方法都有適用的場合，具有很高的應用價值。其中單飛渡電容器電壓均衡法和平均值電感儲能電壓均衡法均衡效果相比來說最好，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看，還有很大的提高空間。（摘編自《電氣技術(shù)》，原文標題為“超級電容器的串聯(lián)技術(shù)的研究”，作者為穆世霞。）