双电层电容器电压均衡技术综述

双电层电容器电压均衡技术综述
祁新春1,2,李海冬1,齐智平1
(1.中国科学院电工研究所,北京100080;2.中国科学院研究生院,北京100039)
摘　要:双电层电容器(EDL C )目前越来越多地应用于电动汽车、轨道交通、电子消费品及电力系统等各种领域。

为利于EDL C 的应用和发展,分析了EDL C 储能在应用中的不足之处,介绍了EDL C 串联均压技术的基本原理及其发展背景,综述了国内外EDL C 储能均压技术的发展状况、应用领域、各种不同的均压形式,讨论了它们存在的问题(包括均压速度、精度、效率等),并针对这些问题提出了一些新对策,最后展望了EDL C 均压技术的发展前景。

关键词:双电层电容器;串联均压技术;均压电路;能量消耗型;能量转移型;飞渡电容;综述中图分类号:TM53文献标志码:A 文章编号:100326520(2008)022*******
基金资助项目:国家高技术研究发展计划(863)
(2002AA516020)。

Project Supported by National High 2tech Research and Develop 2ment Program of China (2002AA516020).
Overvie w of Supercapacitor Equalization T echnology
Q I Xin 2chun 1,2,L I Hai 2dong 1,Q I Zhi 2ping 1
(1.Instit ute of Elect rical Engineering ,Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100080,China ;
2.Graduate U niversity of Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100039,China )
Abstract :Supercapacitors are electrical energy storage devices ,which offer high power density ,extremely high cyc 2ling capability and mechanical robustness.Recent technology improvements enabled supercapacitors to be an inter 2esting option for short 2term high power applications ,such as in industry ,automotive and traction drives ,regenera 2tive energy systems ,medical and telecommunication equipment.Due to the decomposition voltage of the organic e 2lectrolyte of approximately 3V ,the maximum cell voltage of supercapacitors is limited.To obtain higher voltages ,a series connection of supercapacitor cells is necessary to form a supercapacitor module.Looking at real modules ,se 2ries connections of supercapacitor cells lead to unequal voltage distributions because of the capacitance manufacturing tolerances and differences in self 2discharge rates.For current in 2production cells ,the spread of capacitance and dis 2charge rate is up to ±20%around the nominal values.To guarantee an adequate life expectancy of the module ,differences in cell voltages caused by the statistical distribution of the individual parameters have to be minimized by cell equalization circuits.Different equalization concepts are known f rom literature ,with varying cost and packaging implications.This paper has been analyzed the deficiency of the electric double layer capacitor which existed in the energy storage ,introduced the principle of series equalization technology ,and development background of one.Summarized the domestic and foreign energy storage of electric double layer capacitor on the development condition of the equalization technology ,the application domain ,the different form ,discussed the existed issue ,these ques 2tions mainly included the equalization speed ,the precision ,the efficiency and so on ,in view of these questions ,pro 2posed some new ways ,finally forecast equalization technology of the electric double layer capacitor.
K ey w ords :electric double layer capacitor ;series equalization technologies ;equalization circuit ;energy 2consuming 2type ;energy 2transferring 2type ;flying capacitor ;overview
0　引　言
双电层电容器(EDL C )又称超级电容器(super 2capacitor ),是利用电极和电解液之间形成的界面双电层电容来存储能量的一种新型器件。

自从日本N EC 公司上个世纪70年代末开始生产商标化的EDL C 以来,EDL C 正在引起各国政府的广泛关注
和研究,目前已成功应用于汽车工程[1,2]、铁路交
通[3,4]、通讯系统、不间断电源(U PS )[5,6]、可再生能
源系统[7]、工业电子[8]、医疗工程、电力系统[9212]等领域中,且应用范围还在不断地扩大。

同时,EDL C 在理论上和制造生产工艺上也在不断发展,日本一家新公司宣称将在近两年内生产出能量密度达到40～60Wh/kg 的EDL C 。

EDL C 具有循环寿命长、充放电效率高、环境友
好等优点。

EDL C 单体额定电压一般<3V ,因而通常由多只EDL C 通过串、并联的方式组合构成EDL C 模块,来满足储存能量和电压等级的需要。

但EDL C 内部参数的不一致性对EDL C 模块储存能量、使用寿命影响很大,限制了EDL C 的应用发
展。

因此,研究和实现EDL C 的均压技术对于EDL C 的应用和发展是十分必要和关键的。

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392・ 第34卷第2期
2008年 2月
高　电　压　技　术
High Voltage Engineering
Vol.34No.2
Feb.　2008
1　串联均压技术
对于串联EDL C组,由于EDL C的材料和制造工艺技术的问题,EDL C之间的电容量和漏电流率差别都很大。

在充放电工作时,电容量的分布不均,导致了EDL C之间端电压的高低不均,单体能量利用率良莠不齐,造成EDL C的容量浪费。

因此用均压电路尽可能地减小充放电过程中EDL C串联模块各个EDL C之间的端电压差异,可延长EDL C的使用寿命,提高整个储能系统的储存能量和可靠性,这种技术称之为串联均压技术。

本文对不加和加上均压电路时EDL C储能系统中10个EDL C的串联充电进行了仿真实验,采用恒流(10A)充电,EDL C额定电压217V,电容量2200F。

不加均压电路时,各个EDL C电容量差异性在-10%～20%之间,仿真的结果是电容量最低的EDL C最先充到额定电压,如果继续充电,就会超过其额定电压,于是必须在这个时刻停止充电。

此时,最大电容量的EDL C充到额定电压的约70%,其储存能量与电压的平方成正比,因而不到额定储存能量的50%,EDL C串联模块的利用率大大下降。

加上均压电路后,各只EDL C的端电压值见表1,最高电压值21740V,最低电压值21695V,偏差45mV,电压一致性效果很好。

按照电路均压过程中能量的损耗情况,EDL C 串联均压技术可分成两大类:一类是能量消耗型均压技术,即通过阻性器件消耗能量的方式,如稳压管均压法和开关电阻法;另一类是能量转移型均压技术,即通过储能器件转移能量的方式,如开关电容法和DC/DC变换器法等。

目前,Maxwell、N ESSCA P、EPCOS公司生产的EDL C模块上已安装有简单的均压装置,日本岗村研究所和瑞士联邦技术研究院也都有相关的研究技术报道。

另外,许多应用在二次电池串联中的方法技术也值得借鉴。

2　能量消耗型均压技术
目前绝大多数EDL C串联都采用能量消耗型均压技术,主要作用是防止充电过程中单体电容过充,以保持单体之间电压均衡。

2.1　稳压管均压法
稳压管均压法[13,14]的基本原理见图1(a),当电压达到EDL C的额定工作电压时,稳压管反向击穿,充电电流经过稳压管的支路流向其它的电容,电容电压不再上升。

这种方法具有电路结构简单、成本低、维护方便等优点。

但缺点是充电能量全部消
图1　4种均压电路
Fig.1　Four kinds of equ alization circuit
表1　10只E DLC串联均压后结果
T ab.1　T erminal voltages of ten electric double layer
capacitors with equ alization
电容器C1C2C3C4C5
电容量/F19802090220023102420端电压/V 2.720 2.736 2.698 2.715 2.740
电容器C6C7C8C9C10
电容量/F25302600216022802350端电压/V 2.695 2.701 2.713 2.729 2.727耗在稳压管上,造成稳压管发热严重,EDL C储能系统的效率降低,能量利用率很低;而且稳压管的击穿电压精度低,分散性差,会造成均压电路的工作可靠性不高。

这种方法适用于充电功率非常小的场合。

2.2　被动电阻法
被动电阻法[15]的基本原理见图1(b),通过在每只EDL C两端并联1只电阻来补偿并联内阻的差别,使漏电流相互逼近。

但缺点是能量损耗大,降低了整个系统的能量利用率。

这种方法适用于小电流充电的场合,长期均压的效果较好(如U PS)。

2.3　开关电阻法
开关电阻法[16]的基本原理见图1(c),当电容两端的电压超过预设参考值U r时,比较器触发开关S 闭合,电流就经过旁路电阻R b和开关S流过,减缓或阻止了电容电压的继续上升。

根据电容容量的分散性和充电电流的大小,可确定一个最优的U r和
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R b的值,使电容的储存能量和效率达到极大值。

这种方法比较简单、实用,实际应用最多,EPCOS、Maxwell、Nesscap等公司的EDL C模块都安装了这种均压装置。

这种方法比稳压管均压法控制灵活,可根据充电电流的大小设定旁路电阻,同时还具有电压监控精度高、均衡效果好、可靠性高等优点。

但缺点是耗费能量,电阻发热量大。

这种方法也适用于充电功率小的场合。

2.4　混合法
混合法[17]是将开关电阻法和被动电阻法相结合(见图1(d))。

这种方法可选用容量等级比开关电阻法更小的开关、电阻来达到同样的效果。

3　能量转移型均压技术
能量转移型均压技术是采用储能器件转移能量进行均压,是目前EDL C均压技术的发展方向。

3.1　开关电容法
3.1.1　多飞渡电容法
多飞渡电容法[18]的工作原理见图2(a),利用多个容量很小的普通电容器作为中间储能单元,将电压高的EDL C中的一部分能量转移到电压低的EDL C中。

这种方法均压速度快,提高了模块电压的一致性,在小功率应用场合具有较好的应用前景。

从文[18]的实验结果来看,当EDL C模块的串联支数较多时,因能量从电压最高的EDL C向电压最低的EDL C传递过程中会经过许多其它的EDL C,所以多飞渡电容法在均压时会浪费许多能量;又因多飞渡电容器均压速度取决于所有飞渡电容器的均压速度,所以当相邻EDL C电压差很小时,将导致整个EDL C模块的均压速度下降。

3.1.2　单飞渡电容法
单飞渡电容法[18,19]的基本原理见图2(b),在每两个相邻EDL C之间放有一个电容器,通过控制开关组的导通和关断,分别与这两个EDL C并联相接,从而将电压高的EDL C能量通过电容器转移到电压低的EDL C中去,实现了EDL C模块的电压平衡。

文[18]实验结果表明这种均压方法能快速进行电压均衡,且均压精度高、损耗小,无论是在充放电状态还是在静止状态都可进行电压均衡。

但这种均压方法在高功率场合下的应用将受到限制,主要原因是相应的功率场效应管的功率等级增大,使储能系统的体积、重量和成本相应提高。

3.2　电感法
电感法[20]是利用电感作为储能元件进行电压均衡,图3就是一种电感法电路拓扑。

通过开通工作电压最高的EDL C旁路的开关,
使能量储存到相
图2　2种均压电路
Fig.2　Tw o
kinds of equ alization circuit
图3　电感法均压电路
Fig.
3　I nductance voltage equ alization circuit
图4　Buck/Boost变换器均压电路
Fig.4　Buck/Boost converter equ alization circuit
应的上下两个电感中,而在开关关断时,将两个电感中的能量分别传递到该EDLC外的其它EDLC中。

文[18]中的仿真和实验验证了这种方法具有电压均衡速度快、精度高的特点,适用于快速充放电的EDL C储能场合。

这种方法控制简单,结构清晰,硬件器件少,易于实现,此外,电压均衡速度会随着串联支数的增加而加快,易于扩展。

这种平均值电感储能电压均衡方法能满足混合动力汽车、电动汽车等应用场合的需求,具有较好的潜在应用价值。

3.3　DC/DC变换器法
3.3.1　Buck/Boost变换器法
Buck/Boost双向变换器法[21,22]见图4,在每两
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　2008年2月高　电　压　技　术第34卷第2期
个相邻EDL C之间都联结一个Buck/Boost变换器,它通过比较相邻EDL C之间的电压,将电压高的EDL C的能量通过变换器转移到电压低的EDL C 中去。

这种方法的优点是能量损耗低,电压均衡速度快,对充放电状态都可进行电压均衡。

但缺点是需要的电感、开关管等功率器件多,控制复杂,成本高。

这种方法适用于充放电功率高的场合。

3.3.2　Cuk变换器法
Cuk双向变换器法[23]见图5,它在每两个相邻EDL C之间都有一个Cuk变换器,通过变换器将电压高的EDL C的能量转移到电压低的EDL C中去。

与Buck/Boo st法相比,电路上的电感电流纹波小,损耗低,效率更高。

3.3.3　带隔离变压器的DC/DC变换器法
3.3.3.1　正激式变换器法
图6是一种正激式变换器法[24,25]的拓扑,通过原副边匝数比的设置和对开关的控制使电压低于平均电压的EDL C单体上都产生一个感应的充电电流,电压越低者所获得的电流值越大,而电压超过平均电压的EDL C单体上不会产生感应电流。

经过开关的不断工作,EDL C电压就会逐渐趋于电池组的平均电压。

这种方法具有均压速度快的优点,可应用于中等功率的场合中。

3.3.3.2　反激式变换器法
反激式变换器法[26,27]的基本原理见图7,通过控制原边开关来进行电压均衡,在开关开通时,原边所有的绕组上都将感应出工作电压最高的EDL C 电压,因而电压低的EDL C上会产生一个感应的充电电流;在开关关断时,磁路中储存的能量会释放到副边的EDL C中。

这种均压电路的均压速度较快,可应用于中等功率的场合中。

正激式和反激式变换器法的共同缺点是磁路复杂,体积较大,绕组不易扩充,均衡误差大。

4　结　语
稳压管法和开关电阻法通过消耗能量达到电容器的电压平衡,必然会降低双电层电容器储能系统的效率,且当双电层电容器的充电电流较大时,这两种方法很难达到均压的要求,一方面大功率阻性器件增大了体积,不便安装;另一方面消耗的能量增加,温度过高将给储能系统带来安全隐患,降低了系统的可靠性。

此外,这两种方法只能在充电过程中实现均压,有一定的局限性。

目前由于成本的优势,能量消耗型均压方法被应用最多。

而能量转移型均压方法如前述的飞渡电容器法和电感法,采用储能器件进行均压,
是双电层电容器串联均压技术的发
图5　Cuk变换器均压电路
Fig.5　Cuk converter equ alization
circuit
图6　正激式变换器均压电路
Fig.6　Forw ard converter equ alization
circuit
图7　反激式变换器均压电路
Fig.7　Flyb ack converter equ alization circuit
展方向。

因储能器件不消耗能量,故储能系统的效率相对于稳压管法和开关电阻法有很大的提高。

但两方面的因素制约了能量转移型均压电路的应用:①其成本比其他均压电路更高;②其技术的发展还不够成熟。

能量转移型均压电路已大量应用在电池上,但还未应用在双电层电容器上。

随着双电层电容器在各种场合的普遍应用,规模化的生产必将大大降低能量转移型均压电路的成本,技术的成熟与进步也将带动能量转移型均压电路的普及与应用。

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E2mail:qixin2
chun@
李海冬　1977—,男,博士,从事超级电容
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及超级电容器储能在电能质量
控制和电力节能中的应用。

收稿日期　2007204228 编辑　李　东
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