超级电容器的动态电压均衡方法分析

引言

要对超级电容器的动态电压均衡方法进行研究,首先必须全面了解电容器,电容器本身单体电压并不高,仅达1~3V,所以其具体应用主要以单体多个串联的方式,以弥补电压方面的不足。超级电容器应用期间,电容变化较大,在完成串联设计之后进行充电,但是一旦动态电压变化过大,将会出现过电压现象,严重影响超级电容器的动态电压均衡处理,缩短电容器使用寿命。因此,需要深入研究超级电容器的动态电压均衡方法,实现电压变化的均衡处理,以稳定电容器串联参数以及电压,保证超级电容器的正常运行。

1超级电容器的实际应用

超级电容器在很多行业中均有涉及,运输业中最先应用超级电容器的是纯电动汽车领域。某公司针对纯电动汽车研究进行创新,将超级电容器应用其中,打造真正的"零排放"公交车。公交车在超级电容器作用下,可以在固定的公里数内进行充电且充电时间非常短,操作简便灵活,还能够通过公交车刹车获得电动能量,能耗低,为正常燃油车的1/3,电力消耗仅为无轨电车的40%。

混合电动汽车升级同样应用了超级电容器。超级电容器通过多能源系统为混合电动汽车提供运行动力,保证燃油发动机正常运行,结合超级电容器发挥辅助动力作用[1]。通过科学控制汽车运行过程中的加速或者减速、爬坡等操作,以超级电容器为载体,存储吸收的电池能量,车辆运行动力降低,及时为其充电,提高了混合电动汽车的能量使用率,增加了混合电动汽车再生制动功能,至少节省50%汽油,降低80%的环境污染。超级电容器应用期间,需要与蓄电池结合使用,在两者优势互补的基础上,打造理想的贮能系统,延长汽车使用寿命。

2超级电容器动态电压均衡方法研究

2.1单元电路

超级电容器运行以串联形式为主,将超级电容器串联之后,电流相同,随时充电,相同变化时间内电路与电流保持不变,计算所出现的电压差:

式中,AU为电压差:U为电压:1为时间:1为电流:C1、C2为超级电容器的电容量。

电压差受到电解电容器、单刀双掷开关等因素的影响,恒压充电期间,电压差出现明显变化。超级电容器充电过程中,恒电流呈线形增长,超级电容器、电压差之间不会受到电压变化干扰,实现恒压充电状态。超级电容器运行中,串联设计会将电解电容器放置于超级电容器(Cf、C2)单体的间隔位置,连接单刀双掷开关。开关以s1、s2表示,控制开关传输电压,调整高压、低压变化,从而达到动态电压均衡。其中单刀双掷开关的控制必须通过安装MosFET装置,根据电容电压均衡原理进行系统控制[2]。

2.2动态电压均衡电路

动态电压均衡电路结构属于全新的模块化电路类型,其主要运行原理如图1所示。

结合图1可以发现,变换器位置(DC/AC)属于能量转换点,通过变压器,调整DC/AC处的电压变化,需要AC/DC的辅助。电压通过DC/AC环节,将电压及时输送到均衡电路的交流母线,随后将超级电容器串联,以此连接不同环节的AC/DC,两者的连接个数以N表示,在整个环节中变压器结构始终相同,并且原边处于并联状态。变压器对应固定的AC/DC环节,同时AC/DC环节对应固定的超级电容器组合,以并联方式扩展超级电容器组合。

设置3个超级电容器为串联状态,按照上述原理打造新型电压均衡电路。串联3个超级电容器,连接个数为N,电压均衡电路设置中包含2个分压电容,分别为Ca、Cb,变换器包括分压电容与开关管,开关管分别为sa、sb,其中的电流抑制主要通过电感L实现,变压器数量为3个,分别为T1、T2、T3,变压器变比相同。变压器连接方式为并联,控制变压器必须通过组建桥式整流电路,涉及二极管,二极管为Dia~Did,其中i=1,2,3。连接系统整流器,连接电容器单元输出段,电压均衡电路运行,绕组设计主要是为了降低变压器漏感,同时抑制电流波动,保持电压稳定。动态电压均衡设计,能够有效控制电流与电压,同时阻断其他整流器运行,以此节省单元电压检测步骤,增加自动识别电压的能力,随时为超级电容器充电。将超级电容器电压控制至最低,随后完成充电进入到第二单元,有效均衡不同单元的电压,满足电压持久运行要求。电容器组及时判断电压单元变化情况,随后抽取并均衡配置能量,以实现对最高电压单元的电压调整,调整电压波动,保证电压运行平稳。

3超级电容器动态电压均衡方法的优势

对于超级电容器的动态电压均衡方法应用,变压器设置比为K:1,其中的变换器主要为半桥类型,开关管分别为sa、sb,两者在动态电压均衡处理中相互导通。电容器为C1、C2、C3,电容器组合因为是串联关系,所以总端电压uarray均衡电路中输出电流ieq。及时在二极管ud中输入电流,确保能够随时为各单元充电,输入电流变化为ieqx(x=1,2,…,N)。正式运行之前,检查初始电压,其必须处于零的状态,随后系统运行,电压升高。超级电容器的动态电压均衡研究,关注运行期间可能出现的电容器单元电压波动或者出现的电压偏差等。面对这种情况,必须根据公式计算ui=Q/Ci=ich1/Ci(i=1,2,3),计算结果显示C1<C2<C3,在此状态下,u1>u2>u3。保持超级电容器C3处于最低电压状态,这样就可以设置桥式整流器工作顺序从C3开始。在此工作状态中,根据动态均衡电路运行原理,有效控制电流波形,掌握可能出现的不同工作模态。在串联电容器组合下的动态电压均衡方法,很大程度上提高了超级电容器应用的安全性与可靠性,提升其使用性能,延长电容器的使用寿命,优化了超级电容器的应用结构,增加了电压均衡操作的灵活性。

4结语

综上所述,超级电容器的动态电压均衡方法,弥补了传统电压均衡方式的不足,将电压均衡控制系统简化,设置不同的控制模块,便于管理。通过对整个系统的调整,在一定程度上稳定了动态电压变化,增强了超级电容器的储能特性,拓展了超级电容器的应用范围,以有效的动态电压均衡控制方法保持电能消耗得当,提高了超级电容器的应用价值。