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(guò)輔助電源提供能量，依據各單體的端電壓對其補充能量，實(shí)現各單體電壓均衡。與現有均壓電路相比，提出的均壓電路僅需一個(gè)開(kāi)關(guān)管，且當其工作于電流斷續模式(DCM)時(shí)即可自動(dòng)完成均壓，無(wú)需閉環(huán)控制，省去電壓檢測及控制電路，從而降低系統復雜性，提高均壓電路可靠性。通過(guò)分析其工作特性，給出了均壓電路的參數設計方法。實(shí)驗結果與理論分析相符，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；電流斷續模式

1 引言
SC也稱(chēng)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(cháng)，使用溫度范圍寬，溫升小，充放電迅速，相對成本低等優(yōu)點(diǎn)，是微電網(wǎng)儲能系統研究的重要方向之一。SC單體電壓等級無(wú)法滿(mǎn)足微電網(wǎng)要求，故實(shí)際中需對其串聯(lián)形成SC組以提高電壓等級。但串聯(lián)SC組單體參數不同，造成充放電過(guò)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(wèn)題，提出能量轉移型均衡器均壓方法，其原理是通過(guò)開(kāi)關(guān)管、電感、電容的組合將端電壓較高單體上能量轉移到較低單體上或從外部補充能量，以實(shí)現均壓。但這些均壓電路需大量開(kāi)關(guān)管、傳感器或多繞組變壓器，且元件數量會(huì )隨SC串聯(lián)個(gè)數增加而逐漸增加，使均壓電路復雜性及成本增加。
針對上述均壓方案的缺點(diǎn)，建立了一種基于多段式Zetas的單開(kāi)關(guān)均壓電路。該電路僅需一個(gè)開(kāi)關(guān)，相對于傳統均壓電路其構更為簡(jiǎn)單，且該均壓電路工作于DCM即可完成均壓，無(wú)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Zeta變換器電路。圖2示出基于多段式Zetas的均壓電路結構，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穩定。

假設4個(gè)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(guò)均壓電路實(shí)現能量再分配。均壓電路開(kāi)始工作時(shí)，端電壓最低的單體兩端的二極管導通時(shí)間最長(cháng)，該單體得到的能量最多；隨著(zhù)均壓電路的工作，各二極管導通時(shí)間逐漸趨于一致，最終各單體電壓平衡，二極管導通時(shí)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(huì )使均壓電路速度較慢，且會(huì )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(jìn)行改進(jìn)，得到新的均壓拓撲。

3 改進(jìn)后的均壓電路
圖3示出改進(jìn)后的均壓電路，電路使用外部輔助電源提供能量，斷開(kāi)SC組與均壓電路輸入端的連線(xiàn)。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(shí)驗參數及結果
按照圖3所示的均壓電路搭建實(shí)驗樣機，電路參數如下：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(guò)程中VD1～VD4兩端的電壓波形?？梢?jiàn)，在均衡工作起始階段，VD1的導通時(shí)間最長(cháng)，因此Cs1上得到的能量最多，電壓上升最快，而隨著(zhù)均衡電路的工作，各單體電壓趨于一致，VD1～VD4的導通時(shí)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(shí)，均壓電路工作過(guò)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?jiàn)，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(huì )逐步升高，因此應當在完成均壓后立即斷開(kāi)均壓電路。

5 結論
實(shí)驗結果驗證了提出的基于多段式Zetas的均壓電路可以滿(mǎn)足快速均壓要求，且該電路只需工作在電流斷續狀態(tài)下，無(wú)需閉環(huán)控制，使系統更為簡(jiǎn)單可靠。該均壓方案可應用于微電網(wǎng)，超級電容儲能裝置或蓄電池儲能裝置。