超级电容器电压均衡技术研究

罗敏　宋艳春　贺辛乐

【摘 要】目前，超级电容器以其优异的充放电性能、高效率以及较长的循环寿命等优势在轨道交通等领域得到了广泛的应用，在节能储能等领域做出较大贡献，但在应用过程中，容量等的差异易影响到组合电容器电压均衡性能。文章从电容量、内阻以及漏电流角度分析了造成电压不均衡的主要因素，并介绍了传统电压均衡方案，针对存在的问题提出了改进的超级电容器电压均衡技术。

【关键词】超级电容器；均衡；技术

0 引言

超级电容器作为一类新型储能元器件，是通过双电层的储能方式实现电能的储存，具有安全环保、动态响应性能较优、寿命长的优势，现阶段在新能源汽车、分布式能源系统、工业节能等领域有了较快的发展。然而，在发展过程中也暴露出其缺陷，即单体电压较低的问题。在实际应用中超级电容器往往以储能模块的方式出现，在多个电容器并联过程中，由于无法保证各单体电容器的内部参数（内阻及电容值等）完全一致，常出现工作电压不均衡的问题，对于系统整体的供储电特性及可靠性造成一定的影响。因此，本文主要对于超级电容器电压均衡技术进行系统化探讨。电容器电压均衡的常用方法包括开关电阻法、稳压管法、变换器法等，由于上述方法在实际应用中均存在一定的局限性，如電压均衡精度低、控制系统复杂等，因此，文章在系统化分析的基础上，通过对传统电压均衡方式的系统化分析，提出了改进的超级电容器电压均衡技术。

1 造成电压不均衡的主要因素

1.1 电容量不同

在实际应用中，各单体电容器电容量的差异会对电容器端电压的升降速率产生影响，导致电容过充或过放，影响其使用寿命及稳定性。在超级电容器中，其各参量存在以下的对应关系：

式中，I、U、Q、W分别为超级电容器的电流、电压、电量以及存储能量。

由上式可发现，在恒流充电情况下，超级电容器模块中各单体电容器电容量的差异将导致端电压变化率的差异，并进一步导致各单体储存能量的差异。实际生产中由于电容器制作工艺复杂，因此各单体间电容量参数很难保证一致，一般偏差在±20%，计算得出串联段电容变化比值为1.5左右，单体充电量的差异约为5：3，造成储能装置性能下降以及较大的能源浪费。

1.2 等效串联内阻（ESR）

超级电容器存在内阻，可等效为并联及串联内阻（ESR），在多次充放电后其ESR与传统电容器间的差异逐渐增大，因此在充放电过程中，等效串联内阻值的大小直接影响电容端的电压分布情况，影响正常的储能性能。

1.3 漏电流

超级电容器存在并联内阻，因此会产生自放电效应，存在漏电流，漏电流的大小反映着电容器端电压的差异，漏电流大的电容器其放电过程较快，而漏电流小的电容器其充电过程较快。

因此，各单体电容器间参数的差异，将直接影响端电压的均衡性，影响对电能的存储，且在电压不均衡的情况下工作时，由于电解液对电压较敏感，将导致电解液的分解，进而使电容量下降，内阻增加，影响电容器的使用寿命及安全可靠性能。

2 传统电压均衡方案

在超级电容器的规模集成推广应用过程中，为保证较好的工作性能及运行可靠性，需维持电容器单体电压的均衡性，在此方面有过不同的尝试，但需依据具体应用场合进行合理选用，以最大限度发挥电容器模组的储能优势。

最常用的方法为利用并联电阻或稳压管对电压进行均衡处理，其中使用并联稳压管进行稳压处理的方式具有更小的耗能，因此应用较广泛。

在并联稳压管均衡电压法中，稳压管与单体电容器的额定电压一致，在超级电容器充电过程中，各单体端电压逐渐升高，达到其额定电压时击穿稳压管，可实现断电，在各电容器充电完毕后，最终均达到均衡状态。因此，本方法具有结构及控制系统简单、造价低的优势，但存在较大的能量消耗：达到其额定电压后，充电电流经由稳压管进行耗散，且电压均衡时间较长。

3 改进的超级电容器电压均衡技术

3.1 关键技术

从降低均压系统能耗、提升效率的角度提出改进的超级电容器电压均衡技术。基于电压倍增器的均衡技术中，其电路拓扑结构包括输入电池及电压倍增器两部分，其中输入部分可产生变幅值方波，可通过BOOST等各类变换器实现；而在倍增器电路中，可通过多个等电压输出完成对超级电容器的充电，达到电压均衡的目的。此外，输入电池亦可选用升压斩波电路，结合了充电机均衡电路，可省略单体电压检测系统，在简化电路结构的同时，可实现较高的均压精度，偏差约为5mV。基于软开关技术提出的由串联谐振逆变器与电压增倍器组成的超级电容器组均压电路，可省略额外的反馈控制电路，通过开关管的动作实现电压均衡，均压速度较快。

3.2 仿真与试验

对于上述超级电容器均压技术进行了仿真，采用理想的脉冲信号模拟电压倍增器的充电过程，超级电容器初始电压分别为2/2.3/2.5V，simulink仿真参数如表 1 所示。

仿真结果可发现，各电容器的平均电压偏差率均在3%以内，因此均压精度较高。但由于单体电压较小，均压速度较慢，可通过增大输入电压，同时改变 MOSFET 开关管的开关频率解决，以控制充电电流，达最大电压后切换电源，直至额定电压值。

4 结语

超级电容器在新能源汽车、分布式能源系统、工业节能等领域应用较广。但单体电压较低常出现工作电压不均衡的问题，影响系统可靠性，因此探索超级电容器电压均衡技术是十分必要的。文章提出了改进的超级电容器电压均衡技术，并进行相关模拟及实验论证。

【参考文献】

[1]赵洋，梁海泉，张逸成.电化学超级电容建模研究现状与展望[J].电工技术学报，2012，27（3）：187-195.endprint