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超級(jí)電容（Super-Capacitor, SC）作為一種綠色儲(chǔ)能元件，具有等效串聯(lián)內(nèi)阻小、充放電速率快、功率密度高、使用壽命長(zhǎng)和工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)常作為能量?jī)?chǔ)存裝置應(yīng)用于新能源領(lǐng)域和電動(dòng)汽車領(lǐng)域。由于單體電壓較低，往往需要多個(gè)電容單體串并聯(lián)構(gòu)成超級(jí)電容組。

但受限于制造工藝，超級(jí)電容在生產(chǎn)制造過程中，存在單體電壓、容量、自放電率和內(nèi)阻等參數(shù)不一致性問題。另外，超級(jí)電容使用過程中環(huán)境差異和溫度差異進(jìn)一步增加了電容單體各參數(shù)的不一致。這種不一致性導(dǎo)致使用過程中存在部分電容單體過充過放現(xiàn)象，降低其使用壽命并可能進(jìn)一步導(dǎo)致熱失控，引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸。

針對(duì)超級(jí)電容不一致問題，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出一系列模組均衡方案，根據(jù)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(jìn)行能量轉(zhuǎn)移型的主動(dòng)均衡。其中，開關(guān)電容結(jié)構(gòu)的均衡電路采用電容實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移，無(wú)需磁性元件，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低和能量利用率高等優(yōu)點(diǎn)，因此在均衡領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

• 基于開關(guān)電容原理，有學(xué)者利用開關(guān)管和均衡電容構(gòu)建儲(chǔ)能元件間的能量轉(zhuǎn)移路徑，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能元件的電壓均衡。該方法無(wú)需傳感器檢測(cè)和復(fù)雜的閉環(huán)控制，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)儲(chǔ)能元件同時(shí)進(jìn)行電壓均衡，提高了均衡速度和效率；但是，所提拓?fù)湫枰拈_關(guān)管和均衡電容數(shù)目眾多，隨著儲(chǔ)能元件的增加，使該方法并不適用于大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)。
• 有學(xué)者針對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，將超級(jí)電容二次利用，既作為儲(chǔ)能元件，又將其作為均衡電容，通過控制相應(yīng)開關(guān)管，實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容的串并聯(lián)重構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)超級(jí)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(tǒng)的體積和成本。
• 有學(xué)者基于鏈?zhǔn)介_關(guān)電容拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過控制相應(yīng)的開關(guān)管，實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的切換，但是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中采用了較多的開關(guān)管，不利于大規(guī)模儲(chǔ)能場(chǎng)合的應(yīng)用。
• 有學(xué)者所提出的均衡拓?fù)?，由于不同串的超?jí)電容數(shù)目不同，為了維持電容的一致，需要引入電容值不同的超級(jí)電容，不利于整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。有學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了完善，保證了每串超級(jí)電容數(shù)目和電容值的一致性，但是增加了拓?fù)涔ぷ髂B(tài)，導(dǎo)致控制復(fù)雜，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

同時(shí)，上述開關(guān)電容均衡電路只考慮少數(shù)超級(jí)電容串并聯(lián)的均衡問題，而超級(jí)電容作為儲(chǔ)能裝置，往往需要多個(gè)單體串并聯(lián)，因此上述均衡拓?fù)渚枰霐?shù)量繁多的均衡器件。此外，上述文獻(xiàn)只對(duì)少數(shù)超級(jí)電容進(jìn)行均衡分析，缺少對(duì)拓?fù)溲诱剐缘倪M(jìn)一步思考。

傳統(tǒng)超級(jí)電容陣列的能量?jī)?chǔ)存與均衡電路往往分開設(shè)計(jì)，導(dǎo)致引入大量額外的均衡器件，從而增加了系統(tǒng)的成本。鑒于此，華南理工大學(xué)的科研人員提出了一種超級(jí)電容陣列組間電壓自均衡拓?fù)?，?fù)用首列超級(jí)電容作為均衡電容，將能量均衡與能量?jī)?chǔ)存進(jìn)行統(tǒng)一化處理，避免大量均衡電容的引入，從而降低了系統(tǒng)的體積和成本。同時(shí)，通過4串4并、6串4并和8串4并的仿真結(jié)果對(duì)比，證實(shí)了所提拓?fù)渚哂辛己玫耐卣剐?，適用于大規(guī)模超級(jí)電容串并聯(lián)場(chǎng)合。

圖1 超級(jí)電容陣列電壓自均衡拓?fù)?/p>

本新型超級(jí)電容陣列組間電壓自均衡電路的研究工作具體為：

（1）設(shè)計(jì)n×m超級(jí)電容陣列（n≥2，m≥2），僅復(fù)用首列超級(jí)電容作為均衡元件，就能實(shí)現(xiàn)陣列的電壓自均衡，減少了開關(guān)管的數(shù)量，從而降低了系統(tǒng)體積和復(fù)雜程度。

（2）通過少量開關(guān)管對(duì)超級(jí)電容陣列的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重組，利用超級(jí)電容大電流充放電特性，快速調(diào)節(jié)整個(gè)模組間能量分布，實(shí)現(xiàn)電壓的快速均衡。

（3）將整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)作為研究對(duì)象，利用等效電容來(lái)代替并聯(lián)電容組，從而得到超級(jí)電容在均衡過程中的電壓、電流表達(dá)式，并進(jìn)一步得到等效電路，從理論上驗(yàn)證了所提拓?fù)涞目尚行浴?/p>

（4）所提拓?fù)渚哂辛己猛卣剐?，均衡速度不受模組拓展影響，適用于大規(guī)模超級(jí)電容串并聯(lián)場(chǎng)合。本研究從電路結(jié)構(gòu)和工作原理的角度分析所提出的均衡拓?fù)洌⑼ㄟ^理論推導(dǎo)以及仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的可行性。

以上研究成果發(fā)表在2021年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊1，論文標(biāo)題為“基于儲(chǔ)能電容復(fù)用的超級(jí)電容陣列自均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析”，作者為劉俊峰、高鵬舉 等。