基于双向DC/DC的超级电容均压电路盛

王哲俊+胡鸿飞+盛祯

摘 要：超级电容功率密度大、循环寿命长及工作温度范围宽等优点使其成为近年来备受青睐的一种新型储能装置。针对由于制造误差、自放电率等因素引起的电容器单体间电压差异，文章研究一种双向DC/DC均压电路实现超级电容电压均衡。均压电路实时采集两组电容器电压值进行比例运算，通过算法控制达到均压效果。基于MATLAB/Simulink搭建电路仿真模型，验证该方法的可行性。

关键词：超级电容；双向DC/DC；均压

中图分类号：TM53 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）34-0017-02

1 概述

與其他储能元件相比，超级电容具有功率密度大、循环寿命长、使用温度范围宽等优点，具有很好的发展前景。超级电容具有双电层结构，单体电压一般为2.5～3.0V，为满足电压等级要求必须对其串并联使用。但由于制造误差和制造水平等限制，超级电容器单体储存能力不一，因此需采用均压措施使超级电容器单体电压保持一致。

目前存在的均压电路主要分为能耗型和能量转移型。能耗型均压法电路简单易实现，但能量浪费严重。能量转移型均压方法通过中间元件传输能量，使超级电容器单体电压达到均衡，具有能耗低的优点，但其控制方法复杂，成本较高。

针对上述问题，本文研究一种基于双向DC/DC的超级电容均压电路，利用并联于超级电容器单体间的电感实现能量传输，最后达到均压目的。

2 双向DC/DC均压电路

2.1 工作原理

如图1所示双向DC/DC均压电路，在两个超级电容器SC1、SC2间并联一个电感，通过两侧开关控制两条支路的关断与接通，实现能量传输，到达均压效果。

当SC1电压高于SC2电压时，开关S1导通，S2关断，SC1向电感L充电，电感电流升高，SC1电压降低，充电一段时间后，断开S1接通S2，电感L向SC2放电，此时电感电流降低，SC2电压升高，放电一段时间再次开通S1关断S2，如此循环。

当SC2电压高于SC1电压时，开关S2导通，S1关断，SC2向电感L充电，电感电流升高，SC2电压降低，电感充电一段时间后，断开S2接通S1，电感L向SC1放电，此时电感电流降低，SC1电压升高，放电一段时间再次开通S2关断S1，如此重复，最后达到电压平衡。

2.2 控制策略

通过对电感电流采用滞环调节来实现对电感充放电时间即开关频率的控制。控制电路结构如图2所示。

滞环逻辑控制将电感电流检测值与已设定好的参考电流值进行比较，当电流检测值小于设定值与1/2环宽之差时，开关管S导通，电感L充电。当电感电流检测值上升到设定值与1/2环宽之和时，关断开关管S，电感L开始放电。

3 仿真分析

3.1系统参数设置

据上述控制要求在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型。

两组超级电容器均由20个单体电压为2.7V，容量350F的超级电容器串联组成，串联后超级电容器组电压均为54V，容量为17.5F。两个MOSFET管的开关频率设置为35kHz。电感容量取800μH，计算出针对超级电容器组C2的比例运算器值为0.0089。据上述参考数据进行仿真。

3.2 仿真结果分析

C1初始电压为10V，C2初始电压为8V时（状态1）两组电容器电压波形图如图3所示。

由图3可知，开始时C1电压值不断降低，C2电压值不断升高，在70s时两者均达到9.2V左右，此后两者电压保持相等且不变。

C1初始电压为8V，C2初始电压为10V时（状态2）两组电容器电压波形图如图4所示。

分析图4可知，在仿真进程中，C2电压值不断降低，C1电压值不断升高，在70s时两者电压达到8.8V左右，此后两者电压保持均衡。

4 结束语

针对超级电容器均压问题研究了一种双向DC/DC均压电路实现超级电容器电压均衡。通过仿真模型来检验电路的均压效果。最终的仿真结果表明在参数取值恰当的情况下，可在较短时间内通过储能元件转移超级电容器上的能量，实现相邻电容器间的电压均衡。

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