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DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.14.129
摘 要：针对超级电容系统中多电容共同工作时容易出现各电容之间互相干扰、混乱充放电的问题，在分析几种常用的电压均衡方法的特点后，给出了一种改进型的直流-直流变换器的电压均衡方法，有效地解决了各电容器混充的局面，具有很好的电压均衡性，对于工程实际应用具有较高的可行性。
关键词：超级电容 直流-直流变换器 电压均衡
中图分类号：TM343 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）05（b）-0129-03
1 超级电容系统
超级电容是通过电化学的转变实现储能的电化学元件，具有很高的功率密度，超过一般的储能元件或系统，工作过程中的充放电时间很短，能实现快速的能量存储和释放，循环利用的寿命长，能多次的充放电而不至于器件产生损坏，工作温度范围较宽，受外部环境的影响较小。目前，超级电容系统广泛应用于电网系统、轨道交通多能源系统、电动汽车储能系统等领域，具有很好的应用前景。
2 超级电容系统的电压均衡方法
2.1 稳压管电压均衡法
稳压管电压均衡策略的电路结构简单，各电容器的电压从初始电压开始以相同的斜率线性增加，在经过不同的时间后，分别增加到限值后电压达到稳定，保持水平趋势。
2.2 开关电阻均衡法
开关电阻均衡策略的电路结构与稳压管电压均衡法相比稍显复杂，各电容器的电压从初始电压开始以相同的斜率线性增加，在经过不同的时间后，分别增加到基准电压值，随后各电容的电压非线性增加，最终稳定在电压限值，保持水平趋势。
2.3 直流-直流变换器法
图1为直流-直流变化器法框图。与前面不同，充电电流为500 A，单体电容额定电压Un和容量C均为4 V/1000 F，各回路电感L均取10 μH，开关频率f取20 kHz，占空比D=0.5，则各电容器电压变化曲线如图2所示。电容1和电容2电压首先非线性增加，随后近似线性变化增加到4 V达到稳定，而电容3和电容4的变化复杂，但最终稳定都在4 V。
3 改进型的直流-直流变换器均衡策略及实现
通过上述分析，给出了一种改进型的直流-直流变换器电压均衡策略，将最后一个单体电容器改为向前面所有的电容器进行能量传递，有效避免了系统减少隔离变压器而带来的短路问题，其结构如图3所示。从图中可以看出，当最后的电容Cn的电压超出电容C1时，Cn首先将能量传递至最近的电感，然后通过该电感将能量向C1-Cn-1整体传递。
针对上述均衡策略的电路结构如图4所示。假设电容C4相连的开关管S4的占空比设置为0.8，则2 s后各单体电容两端电压变化波形如图5所示。从图中可以看出，该策略中各电容器充电相对独立，没有出现图2中的各电容器混充的局面，具有很好的电压均衡性，对于工程实际应用具有较高的可行性。
4 结语
对于普通的稳压管电压均衡法、开关电阻均衡法和直流-直流变换器法对超级电容系统来说各有不同的特点，可根据应用场合和需求选择不同的方式。虽然简化的直流-直流变换器法的系统结构更为复杂，但在充电过程中避免了各电容器混充的局面，具有很好的电压均衡性，对于工程实际应用具有较高的可行性。
参考文献
[1] Chlodnicki Z，Koczara W.Supercapacitor storage application for reduction drive negative impact on supply grid[J].Compatibility in Power Electronics，IEEE Transactions，2005（1）：78-84.
[2] Ortuzar M，Dixon J.Design construction and performance of a buck-boost converter for an ultracapacitor-based auxiliary energy system for electric vehicles[J].Industrial Electronics Society，2003，3（22）：2889-2894.
[3] 張慧妍.超级电容器直流储能系统分析与控制技术的研究[D].北京：中国科学院电工研究所，2006.
摘 要：针对超级电容系统中多电容共同工作时容易出现各电容之间互相干扰、混乱充放电的问题，在分析几种常用的电压均衡方法的特点后，给出了一种改进型的直流-直流变换器的电压均衡方法，有效地解决了各电容器混充的局面，具有很好的电压均衡性，对于工程实际应用具有较高的可行性。
关键词：超级电容 直流-直流变换器 电压均衡
中图分类号：TM343 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）05（b）-0129-03
1 超级电容系统
超级电容是通过电化学的转变实现储能的电化学元件，具有很高的功率密度，超过一般的储能元件或系统，工作过程中的充放电时间很短，能实现快速的能量存储和释放，循环利用的寿命长，能多次的充放电而不至于器件产生损坏，工作温度范围较宽，受外部环境的影响较小。目前，超级电容系统广泛应用于电网系统、轨道交通多能源系统、电动汽车储能系统等领域，具有很好的应用前景。
2 超级电容系统的电压均衡方法
2.1 稳压管电压均衡法
稳压管电压均衡策略的电路结构简单，各电容器的电压从初始电压开始以相同的斜率线性增加，在经过不同的时间后，分别增加到限值后电压达到稳定，保持水平趋势。
2.2 开关电阻均衡法
开关电阻均衡策略的电路结构与稳压管电压均衡法相比稍显复杂，各电容器的电压从初始电压开始以相同的斜率线性增加，在经过不同的时间后，分别增加到基准电压值，随后各电容的电压非线性增加，最终稳定在电压限值，保持水平趋势。
2.3 直流-直流变换器法
图1为直流-直流变化器法框图。与前面不同，充电电流为500 A，单体电容额定电压Un和容量C均为4 V/1000 F，各回路电感L均取10 μH，开关频率f取20 kHz，占空比D=0.5，则各电容器电压变化曲线如图2所示。电容1和电容2电压首先非线性增加，随后近似线性变化增加到4 V达到稳定，而电容3和电容4的变化复杂，但最终稳定都在4 V。
3 改进型的直流-直流变换器均衡策略及实现
通过上述分析，给出了一种改进型的直流-直流变换器电压均衡策略，将最后一个单体电容器改为向前面所有的电容器进行能量传递，有效避免了系统减少隔离变压器而带来的短路问题，其结构如图3所示。从图中可以看出，当最后的电容Cn的电压超出电容C1时，Cn首先将能量传递至最近的电感，然后通过该电感将能量向C1-Cn-1整体传递。
针对上述均衡策略的电路结构如图4所示。假设电容C4相连的开关管S4的占空比设置为0.8，则2 s后各单体电容两端电压变化波形如图5所示。从图中可以看出，该策略中各电容器充电相对独立，没有出现图2中的各电容器混充的局面，具有很好的电压均衡性，对于工程实际应用具有较高的可行性。
4 结语
对于普通的稳压管电压均衡法、开关电阻均衡法和直流-直流变换器法对超级电容系统来说各有不同的特点，可根据应用场合和需求选择不同的方式。虽然简化的直流-直流变换器法的系统结构更为复杂，但在充电过程中避免了各电容器混充的局面，具有很好的电压均衡性，对于工程实际应用具有较高的可行性。
参考文献
[1] Chlodnicki Z，Koczara W.Supercapacitor storage application for reduction drive negative impact on supply grid[J].Compatibility in Power Electronics，IEEE Transactions，2005（1）：78-84.
[2] Ortuzar M，Dixon J.Design construction and performance of a buck-boost converter for an ultracapacitor-based auxiliary energy system for electric vehicles[J].Industrial Electronics Society，2003，3（22）：2889-2894.
[3] 張慧妍.超级电容器直流储能系统分析与控制技术的研究[D].北京：中国科学院电工研究所，2006.