串联超级电容器的均压控制

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1、串联超级电容器的均压控制摘要：电压不均衡是制约超级电容串联应用的重要因素。文章对现有的超级电容电压均衡方法进行了简要讨论，提出了一种带隔离变压器的Cuk变换器动态均衡方法，并给出了相应的控制策略。利用PSIM软件对其均压性能和效果进行了仿真分析。仿真结果表明该动态均压电路均衡速度快、均衡性能好，对由于不同因素造成的电压不均衡都具有良好的均压效果。关键词：超级电容器；电压均衡；隔离变压器；Cuk变换器；控制策略引言超级电容器是一种介于传统电容器和充电电池之间的新型储能元件，其具有功率密度高、充电速度快、循环寿命长、免维护等

2、优点，被广泛应用于汽车工程、不间断电源、电力系统等领域中。超级电容单体额定电压较低，一般小于3V，需要通过多个超级电容串并联使用，来满足外部设备对电压等级的需要。由于超级电容单体内部参数的不一致性，造成各电容单体充放电速度不同从而导致电压不均衡，降低了电容组的储存能力和使用寿命。因此，采取合适的电压均衡措施使超级电容单体电压保持一致具有重要意义。目前在串联超级电容器储能系统中采用的电压均衡方法，主要分为能耗型和能量转移型两大类。能耗型均压电路结构一般比较简单，易于实现，常见的有开关电阻法和稳压管法，此类均衡方法具有均压效

3、果好、可靠性高等优点，缺点是能量浪费严重。能量转移型均压电路是利用DC/DC变换器或者储能元件作为能量传递器件，将高电压电容单体中的能量转移到低电压电容单体，实现动态平衡。如DC/DC变换器法和飞渡电容法，此类方法优点是能量损耗低、电压均衡速度快、充放电状态下均可进行电压均衡。缺点是控制复杂、成本高。针对上述各种方法存在的问题，本文提出了带隔离变压器的Cuk变换器的均衡电路。此均衡电路与传统的基于双向DC/DC变换器电压均衡电路相比，功率开关管的数目减少了一半，简化了控制的复杂度，并且节约了成本。仿真结果表明均压效果良好

4、，从而验证了该均压方法的有效性和可行性。1、Cuk变换器均衡电路简介Cuk斩波电路也称Cuk变换器，美国加州理工学院SlobodanCuk提出的对Buck/Boost改进的单管不隔离直流变换器，在输入输出段均有电感，可以显著减小输入和输出电流的脉动，输出电压的极性和输入电压相反，输出电压既可以低于也可以高于输入电压。Cuk变换器的电路原理图如图1所示，从该电路图可知Cuk变换器的工作原理为：当有源开关V导通时，无源开关VD因反偏而截止，此时输入给滤波电感L1储能，电容C1中的能量给负载供电和滤波电感L2储能；当有源开关V

5、截止时，由于电感电流不能突变，故使无源开关VD正偏而导通，此时电感L1和电感L2的总电流经二极管续流，电感L2储存的能量向负载供电，电感L1储存的能量补充电容C1在前一间隔所损失的能量，并由输出电压对电感L2进行去磁。图1Cuk变换器2、均压电路工作原理和控制策略分析本文提出了一种带隔离变压器的Cuk变换器均衡电路，利用此均衡电路对串联超级电容器组进行电压均衡，如图2所示。图中C1～Cn是串联起来的超级电容组，其中前n-1个超级电容C1～Cn-1利用Cuk变换器实现相邻两个超级电容的能量单向传递，从而达到电压均衡。例如，

6、当Vci＞Vci+1时，控制器通过PWM信号对开关管Qi控制导通，使Ci的能量传递给Ci+1，达到Vci=Vci+1。由于Cuk变换器是单向能量流动的，假如超级电容器Cn的电压比Cn-1高，此时Cn的能量无法转移到前n-1个超级电容从而达不到均衡效果。所以采用匝数比为1:1的隔离变压器将超级电容Cn和C1相连接，使能量可以从Cn流向C1，进而流向C2~Cn-1，实现了超级电容器组的整体电压均衡。图2带隔离变压器的Cuk变换器均衡电路2.1Cuk变换器均衡电路分析图3Cuk变换器均衡电路带隔离变压器的Cuk变换器均衡电路的

7、前n-1级是利用Cuk变换器均压电路进行均压的。如图3所示，该电路由控制器、晶体管Q1和二极管D1等构成的。设Q1的开关周期为T，导通期为Ton，截止期为Toff=T-Ton，占空比D=Ton/T。由控制器产生的PWM信号来控制Q1的通断，当控制器检测到Vc1＞Vc2，产生PWM信号加到开关管Q1上，此时C1向C2转移能量。过程如下：（a）(b)图4能量流动过程（1）如图4(a)所示，当检测到Vc1＞Vc2时，Qi导通，二极管D1反偏截止，即Ton期间，输入输出环路均形成闭合回路。此时由超级电容C1的放电电流i1使电感L

8、1充电储能；电容C的放电电流使充电储能，并向超级电容C2充电转移能量。（2）如图4(b)所示，在Toff期间，Qi截止，二极管D1正偏而导通，将输入输出回路闭合。此时超级电容C1和电感L1的感应电势相加向电容C充电储能；电感L2释放能量，其电流i2向超级电容C2充电储能。由此可见，无论在开关管Qi的导通还是截止期间，