基于改进型简易DCDC变换器的超级电容均压电路研究-

基于改进型简易DCDC变换器的超级电容均压电路研究*
针对超级电容器电压均衡策略中出现的能源浪费、效率低、发热等问题，文章开展了不同电压均衡策略控制超级电容器充放电的研究，通过比较分析集中电压均衡策略的优缺点，提出了改进型的简化DCDC变换器法来平衡电压，设计并搭建了充电电压均衡和放电稳压方案的硬件电路，通过分析测得的实验数据，验证了方案具有一定的可行性和较高的实用价值。

标签：超级电容；储能；电压均衡；简易DCDC变换器
引言
随着国家大电网工程和分布式供能系统的大力推进，形成了基于新能源、智能控制技术的集中和分布式供电的微电网系统，是多领域、多气候、多能源综合利用的优选方式，对未来电网具有突破性的推动。

在微电网中，短期的储能装置对于更高效的利用电能、解决微电网突发故障、缓解用电矛盾具有重要意义。

超级电容器在储能领域应用非常广泛，可以改善分布式发电系统的稳定性、提高配电网的电能质量。

近年来，国外发达国家在超级电容器方面开展了大量的研究工作，取得的研究成果已经开始应用，保持着该领域的领先地位。

国内一些大学和科研院所也开展了对该领域相关工作的研究，但与国外的技术相比存在着不小的差距。

目前，超级电容器在工程中应用一般采用多个单体电容组合使用，常见的多为串联方式。

这种组合式超级电容器组在充电和放电时，因为每个单体电容的参数和性能多少会存在差异，输出的性能不能保持完全同步和一致，存在离散性，会产生电压的不均衡，整体应用时会导致某个单体电容器出现充电过裕或放电过低的问题，长期如此运行会导致整个超级电容器的寿命降低，稳定性下降，影响整体输出电压的稳定性，不利于负载的运行稳定。

因此，开展超级电容器储能系统电压均衡策略的研究具有重要意义。

文章针对串联超级电容器储能系统的电压均衡策略进行研究，在分析影响电压非均衡分布的相关因素的基础上，从不同电压均衡策略进行仿真分析，提出了改进型的简化DCDC变换器法来平衡电压，完成了软硬件的设计，并搭建了试验仿真平台对该方法进行验证，为超级电容器串联运行时电压平衡策略的选取和优化提供参考意见。

1 超级电容储能系统电压均衡策略
组合式超级电容器组在充点和放电时，因为每个单体电容的参数和性能多少会存在差异，输出的性能不能保持完全同步和一致，存在离散性，会产生电压的不均衡，会导致整个超级电容器的寿命降低，稳定性下降，影响整体输出电压的稳定性，不利于负载的运行稳定。

因此，电压均衡是维系超级电容器正常稳定运行的主要因素，不同场合使用不同的均衡策略是发挥超级电容器储能优越性的最优方法。

目前常用的几种方法中，稳压管电压均衡策略采用4个超级电容器串接而成；开关电阻均衡策略的电路结构单体电容，各电容器电压从初始电压线性升高到基准电压，达到基准电压值后，开关电阻并入电路形成并联之路，分走部分电流，使得各电容器的充电电流降低，电压上升趋势变缓，最终达到额定电压；DCDC变换器均衡策略的电路结构与前面不同，充电初期，电压高的电容处于放电状态，电压低的电容处于充电状态，低电压的电容电压上升速率高于线性，可见此时高电压的电容也同时放电给低电压的电容充电，直至4个电容器的电压值相当，并同步达到额定值。

综合对比上述三种电压平衡策略可以看出，采用稳压管和开关电阻的方法电路结构比较容易实现，操控简洁，材料成本较低，但是不能采用大电流充电，能源利用率低，且器件的散热没有很好的解决；DCDC能量变换均衡策略实现了大电流充电，能量的利用率提高，且极大地缩短了充电时间，但控制器件增多，过程繁杂，也增加了材料的成本。

2 改进型的DCDC变换器均衡策略及实现
通过上述分析，文章提出了一种改进型的DCDC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。

该策略中各电容器充电相对独立，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。

为了验证该策略的可行性，文章设计了改进型的DCDC变换器控制策略的模块：R=180Ω，Rsc=0.2Ω，L=1mH，Ct=1000pF，Ci=100uF，Co=200uF，R1=1kΩ，R2=20kΩ。

模块电路图和样品如图1所示。

对模块进行试验，当输入电压从3V～20V变化时，模块的输出电压基本保持不变，见表1所示。

模块的基本维持在26V左右，但随着输入电压的降低，最大输出电流逐渐减小，带负载能力下降。

3 结束语
通过对超级电容器不同的电压均衡策略的研究，提出了改进型的简化DCDC 变换器控制策略，实现了各电容器的独立充电，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。

参考文献
[1]孟丽囡，陈永真，宁武.超级电容器串联应用中的均压问题及解决方案[J].辽宁工学院学报，2005，25（1）：1-2.
[2]高云，陈永真，王春霞.超级电容器组单体电压的动态均衡[J].电源世界，2007，3：45-47.。