- 頭條華南理工學者提出新型電壓自均衡拓撲，極大簡化超級電容陣列系統2022-02-22 作者：劉俊峰、高鵬舉 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語傳統超級電容陣列的能量儲存與均衡電路往往分開設計，導致能量均衡拓撲需要引入大量額外的均衡器件，從而增加了系統的成本。鑒于此，華南理工大學自動化科學與工程學院、華南理工大學電力學院的研究人員劉俊峰、高鵬舉 等，在2021年《電工技術學報》增刊1上撰文，該文提出一種新型電壓自均衡拓撲，僅復用首列超級電容作為均衡器件，就可以實現陣列的電壓自均衡，整個均衡系統只有超級電容和開關管，大大降低了系統的體積和復雜程度。 同時，在均衡過程的分析中，利用等效電容替代并聯電容組，進一步得到超級電容的電壓、電流特性和能量損耗。利用超級電容可以大電流充放電的特性，實現組間電壓快速均衡。
超級電容（Super-Capacitor, SC）作為一種綠色儲能元件，具有等效串聯內阻小、充放電速率快、功率密度高、使用壽命長和工作溫度范圍寬等優點，近年來常作為能量儲存裝置應用于新能源領域和電動汽車領域。由于單體電壓較低，往往需要多個電容單體串并聯構成超級電容組。
但受限于制造工藝，超級電容在生產制造過程中，存在單體電壓、容量、自放電率和內阻等參數不一致性問題。另外，超級電容使用過程中環境差異和溫度差異進一步增加了電容單體各參數的不一致。這種不一致性導致使用過程中存在部分電容單體過充過放現象，降低其使用壽命并可能進一步導致熱失控，引發火災甚至爆炸。
針對超級電容不一致問題，近年來國內外學者提出一系列模組均衡方案，根據均衡所用器件可以劃分為電阻型耗能均衡，以及利用變壓器、電感、電容進行能量轉移型的主動均衡。其中，開關電容結構的均衡電路采用電容實現能量轉移，無需磁性元件，具有電路結構簡單、體積小、成本低和能量利用率高等優點，因此在均衡領域得到廣泛的應用。
- 基于開關電容原理，有學者利用開關管和均衡電容構建儲能元件間的能量轉移路徑，實現儲能元件的電壓均衡。該方法無需傳感器檢測和復雜的閉環控制，可實現多個儲能元件同時進行電壓均衡，提高了均衡速度和效率；但是，所提拓撲需要的開關管和均衡電容數目眾多，隨著儲能元件的增加，使該方法并不適用于大規模儲能系統。
- 有學者針對超級電容儲能系統，將超級電容二次利用，既作為儲能元件，又將其作為均衡電容，通過控制相應開關管，實現超級電容的串并聯重構，從而實現超級電容間的電壓自均衡，該方法避免了均衡電容的使用，降低了均衡系統的體積和成本。
- 有學者基于鏈式開關電容拓撲結構，通過控制相應的開關管，實現超級電容串并聯結構的切換，但是拓撲結構中采用了較多的開關管，不利于大規模儲能場合的應用。
- 有學者所提出的均衡拓撲，由于不同串的超級電容數目不同，為了維持電容的一致，需要引入電容值不同的超級電容，不利于整個儲能系統的設計。有學者對此進行了完善，保證了每串超級電容數目和電容值的一致性，但是增加了拓撲工作模態，導致控制復雜，降低了系統的穩定性。
同時，上述開關電容均衡電路只考慮少數超級電容串并聯的均衡問題，而超級電容作為儲能裝置，往往需要多個單體串并聯，因此上述均衡拓撲均需要引入數量繁多的均衡器件。此外，上述文獻只對少數超級電容進行均衡分析，缺少對拓撲延展性的進一步思考。
傳統超級電容陣列的能量儲存與均衡電路往往分開設計，導致引入大量額外的均衡器件，從而增加了系統的成本。鑒于此，華南理工大學的科研人員提出了一種超級電容陣列組間電壓自均衡拓撲，復用首列超級電容作為均衡電容，將能量均衡與能量儲存進行統一化處理，避免大量均衡電容的引入，從而降低了系統的體積和成本。同時，通過4串4并、6串4并和8串4并的仿真結果對比，證實了所提拓撲具有良好的拓展性，適用于大規模超級電容串并聯場合。
圖1 超級電容陣列電壓自均衡拓撲
本新型超級電容陣列組間電壓自均衡電路的研究工作具體為：
（1）設計n×m超級電容陣列（n≥2，m≥2），僅復用首列超級電容作為均衡元件，就能實現陣列的電壓自均衡，減少了開關管的數量，從而降低了系統體積和復雜程度。
（2）通過少量開關管對超級電容陣列的串并聯結構進行重組，利用超級電容大電流充放電特性，快速調節整個模組間能量分布，實現電壓的快速均衡。
（3）將整個儲能系統作為研究對象，利用等效電容來代替并聯電容組，從而得到超級電容在均衡過程中的電壓、電流表達式，并進一步得到等效電路，從理論上驗證了所提拓撲的可行性。
（4）所提拓撲具有良好拓展性，均衡速度不受模組拓展影響，適用于大規模超級電容串并聯場合。本研究從電路結構和工作原理的角度分析所提出的均衡拓撲，并通過理論推導以及仿真和實驗驗證了該結構的可行性。
以上研究成果發表在2021年《電工技術學報》增刊1，論文標題為“基于儲能電容復用的超級電容陣列自均衡拓撲結構的分析”，作者為劉俊峰、高鵬舉 等。
