基于Zetas的串聯(lián)超級電容器電壓均衡技術(shù)

摘要：介紹了一種基于多段式Zetas的串聯(lián)超級電容器(SC)均壓電路。該電壓均衡電路通過輔助電源提供能量，依據(jù)各單體的端電壓對其補充能量，實現(xiàn)各單體電壓均衡。與現(xiàn)有均壓電路相比，提出的均壓電路僅需一個開關(guān)管，且當其工作于電流斷續(xù)模式(DCM)時即可自動完成均壓，無需閉環(huán)控制，省去電壓檢測及控制電路，從而降低系統(tǒng)復雜性，提高均壓電路可靠性。通過分析其工作特性，給出了均壓電路的參數(shù)設(shè)計方法。實驗結(jié)果與理論分析相符，證明了該均壓電路的優(yōu)良均壓性能。
關(guān)鍵詞：超級電容器；多段式；均壓電路；電流斷續(xù)模式

1 引言
SC也稱雙電層電容器，是一種新興儲能元件。它具有功率密度高，循環(huán)使用壽命長，使用溫度范圍寬，溫升小，充放電迅速，相對成本低等優(yōu)點，是微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)研究的重要方向之一。SC單體電壓等級無法滿足微電網(wǎng)要求，故實際中需對其串聯(lián)形成SC組以提高電壓等級。但串聯(lián)SC組單體參數(shù)不同，造成充放電過程中單體電壓不均衡，影響SC有效利用容量及使用壽命。為解決上述問題，提出能量轉(zhuǎn)移型均衡器均壓方法，其原理是通過開關(guān)管、電感、電容的組合將端電壓較高單體上能量轉(zhuǎn)移到較低單體上或從外部補充能量，以實現(xiàn)均壓。但這些均壓電路需大量開關(guān)管、傳感器或多繞組變壓器，且元件數(shù)量會隨SC串聯(lián)個數(shù)增加而逐漸增加，使均壓電路復雜性及成本增加。
針對上述均壓方案的缺點，建立了一種基于多段式Zetas的單開關(guān)均壓電路。該電路僅需一個開關(guān)，相對于傳統(tǒng)均壓電路其構(gòu)更為簡單，且該均壓電路工作于DCM即可完成均壓，無需閉環(huán)控制，從而省去了電壓檢測電路與控制電路。

2 工作原理
圖1示出傳統(tǒng)Zeta變換器電路。圖2示出基于多段式Zetas的均壓電路結(jié)構(gòu)，其中C，L，V，C4，VD4，L4與圖1中的Zeta變換器相同，Ci，VDi，Ll(i=1，2，3，4)疊加在一起并聯(lián)在SC單體(Cs1～Cs4)兩端，故為多段式Zetas均壓電路。C與串聯(lián)SC組并聯(lián)以保持Zetas變換器中的Uin穩(wěn)定。

假設(shè)4個SC串聯(lián)，將串聯(lián)SC組總電壓作為均壓電路的輸入，控制MOSFET的通斷，通過均壓電路實現(xiàn)能量再分配。均壓電路開始工作時，端電壓最低的單體兩端的二極管導通時間最長，該單體得到的能量最多；隨著均壓電路的工作，各二極管導通時間逐漸趨于一致，最終各單體電壓平衡，二極管導通時間相同，各單體得到能量相同。由于均壓電路中的電感、電容、MOSFET、二極管的損耗和導通壓降會使均壓電路速度較慢，且會使得串聯(lián)SC組有一定的能量損失。因此對原有均壓電路進行改進，得到新的均壓拓撲。

3 改進后的均壓電路
圖3示出改進后的均壓電路，電路使用外部輔助電源提供能量，斷開SC組與均壓電路輸入端的連線。輔助電源的電壓Uin即為均壓電路的輸入電壓，其表達式為：
Uin=4UsCN+UVD+Uc (1)
式中：UsCN為超級電容額定電壓；UVD為二極管導通壓降；Uc為MOSFET導通壓降及電感電容上的損耗壓降。

4 實驗參數(shù)及結(jié)果
按照圖3所示的均壓電路搭建實驗樣機，電路參數(shù)如下：UVD=0．36 V，L=400μH，C1=C2=C3=C4=470μF，L1=L2=L3=L4=100μH，SC容值Cs=25 F，UsCN=2．7 V，MOSFET采用IPI045N10N3，工作頻率為20 kHz，占空比為0．5。
圖4a示出均壓過程中VD1～VD4兩端的電壓波形?？梢姡诰夤ぷ髌鹗茧A段，VD1的導通時間最長，因此Cs1上得到的能量最多，電壓上升最快，而隨著均衡電路的工作，各單體電壓趨于一致，VD1～VD4的導通時間趨于一致，如圖4b所示。

圖4c示出SC組各單體初始電壓為2．5 V，2．2 V，1．5 V，1 V，SC組靜置時，均壓電路工作過程中各單體端電壓波形。均壓電路汲取輔助電源能量，再將能量分配給電壓最低的單體?？梢?，端電壓最低的單體電壓上升最快，然后速度逐漸降低，直到電壓達到均衡。但由于輔助電源不斷提供能量，各單體電壓會逐步升高，因此應(yīng)當在完成均壓后立即斷開均壓電路。

5 結(jié)論
實驗結(jié)果驗證了提出的基于多段式Zetas的均壓電路可以滿足快速均壓要求，且該電路只需工作在電流斷續(xù)狀態(tài)下，無需閉環(huán)控制，使系統(tǒng)更為簡單可靠。該均壓方案可應(yīng)用于微電網(wǎng)，超級電容儲能裝置或蓄電池儲能裝置。