基于Zetas的串聯超級電容器電壓均衡技術

摘要：介紹了一種基于多段式Zetas的串聯超級電容器(SC)均壓電路。該電壓均衡電路通過輔助電源提供能量，依據各單體的端電壓對其補充能量，實現各單體電壓均衡。與現有均壓電路相比，提出的均壓電路僅需一個開關管，且當其工作于電流斷續模式(DCM)時即可自動完成均壓，無需閉環控制，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。通過分析其工作特性，給出了均壓電路的參數設計方法。實驗結果與理論分析相符，證明了該均壓電路的優良均壓性能。
關鍵詞：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，相對成本低等優點，是微電網儲能系統研究的重要方向之一。SC單體電壓等級無法滿足微電網要求，故實際中需對其串聯形成SC組以提高電壓等級。但串聯SC組單體參數不同，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，提出能量轉移型均衡器均壓方法，其原理是通過開關管、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，以實現均壓。但這些均壓電路需大量開關管、傳感器或多繞組變壓器，且元件數量會隨SC串聯個數增加而逐漸增加，使均壓電路復雜性及成本增加。
針對上述均壓方案的缺點，建立了一種基于多段式Zetas的單開關均壓電路。該電路僅需一個開關，相對于傳統均壓電路其構更為簡單，且該均壓電路工作于DCM即可完成均壓，無需閉環控制，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)疊加在一起并聯在SC單體(Cs1～Cs4)兩端，故為多段式Zetas均壓電路。C與串聯SC組并聯以保持Zetas變換器中的Uin穩定。

假設4個SC串聯，將串聯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 實驗參數及結果
按照圖3所示的均壓電路搭建實驗樣機，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示出均壓過程中VD1～VD4兩端的電壓波形。可見，在均衡工作起始階段，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。可見，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，因此應當在完成均壓后立即斷開均壓電路。

5 結論
實驗結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狀態下，無需閉環控制，使系統更為簡單可靠。該均壓方案可應用于微電網，超級電容儲能裝置或蓄電池儲能裝置。