超級電容器的動態(tài)電壓均衡方法分析

引言

要對超級電容器的動態(tài)電壓均衡方法進行研究,首先必須全面了解電容器,電容器本身單體電壓并不高,僅達1~3V,所以其具體應(yīng)用主要以單體多個串聯(lián)的方式,以彌補電壓方面的不足。超級電容器應(yīng)用期間,電容變化較大,在完成串聯(lián)設(shè)計之后進行充電,但是一旦動態(tài)電壓變化過大,將會出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象,嚴重影響超級電容器的動態(tài)電壓均衡處理,縮短電容器使用壽命。因此,需要深入研究超級電容器的動態(tài)電壓均衡方法,實現(xiàn)電壓變化的均衡處理,以穩(wěn)定電容器串聯(lián)參數(shù)以及電壓,保證超級電容器的正常運行。

1超級電容器的實際應(yīng)用

超級電容器在很多行業(yè)中均有涉及,運輸業(yè)中最先應(yīng)用超級電容器的是純電動汽車領(lǐng)域。某公司針對純電動汽車研究進行創(chuàng)新,將超級電容器應(yīng)用其中,打造真正的"零排放"公交車。公交車在超級電容器作用下,可以在固定的公里數(shù)內(nèi)進行充電且充電時間非常短,操作簡便靈活,還能夠通過公交車剎車獲得電動能量,能耗低,為正常燃油車的1/3,電力消耗僅為無軌電車的40%。

混合電動汽車升級同樣應(yīng)用了超級電容器。超級電容器通過多能源系統(tǒng)為混合電動汽車提供運行動力,保證燃油發(fā)動機正常運行,結(jié)合超級電容器發(fā)揮輔助動力作用[1]。通過科學(xué)控制汽車運行過程中的加速或者減速、爬坡等操作,以超級電容器為載體,存儲吸收的電池能量,車輛運行動力降低,及時為其充電,提高了混合電動汽車的能量使用率,增加了混合電動汽車再生制動功能,至少節(jié)省50%汽油,降低80%的環(huán)境污染。超級電容器應(yīng)用期間,需要與蓄電池結(jié)合使用,在兩者優(yōu)勢互補的基礎(chǔ)上,打造理想的貯能系統(tǒng),延長汽車使用壽命。

2超級電容器動態(tài)電壓均衡方法研究

2.1單元電路

超級電容器運行以串聯(lián)形式為主,將超級電容器串聯(lián)之后,電流相同,隨時充電,相同變化時間內(nèi)電路與電流保持不變,計算所出現(xiàn)的電壓差:

式中,AU為電壓差:U為電壓:1為時間:1為電流:C1、C2為超級電容器的電容量。

電壓差受到電解電容器、單刀雙擲開關(guān)等因素的影響,恒壓充電期間,電壓差出現(xiàn)明顯變化。超級電容器充電過程中,恒電流呈線形增長,超級電容器、電壓差之間不會受到電壓變化干擾,實現(xiàn)恒壓充電狀態(tài)。超級電容器運行中,串聯(lián)設(shè)計會將電解電容器放置于超級電容器(Cf、C2)單體的間隔位置,連接單刀雙擲開關(guān)。開關(guān)以s1、s2表示,控制開關(guān)傳輸電壓,調(diào)整高壓、低壓變化,從而達到動態(tài)電壓均衡。其中單刀雙擲開關(guān)的控制必須通過安裝MosFET裝置,根據(jù)電容電壓均衡原理進行系統(tǒng)控制[2]。

2.2動態(tài)電壓均衡電路

動態(tài)電壓均衡電路結(jié)構(gòu)屬于全新的模塊化電路類型,其主要運行原理如圖1所示。

結(jié)合圖1可以發(fā)現(xiàn),變換器位置(DC/AC)屬于能量轉(zhuǎn)換點,通過變壓器,調(diào)整DC/AC處的電壓變化,需要AC/DC的輔助。電壓通過DC/AC環(huán)節(jié),將電壓及時輸送到均衡電路的交流母線,隨后將超級電容器串聯(lián),以此連接不同環(huán)節(jié)的AC/DC,兩者的連接個數(shù)以N表示,在整個環(huán)節(jié)中變壓器結(jié)構(gòu)始終相同,并且原邊處于并聯(lián)狀態(tài)。變壓器對應(yīng)固定的AC/DC環(huán)節(jié),同時AC/DC環(huán)節(jié)對應(yīng)固定的超級電容器組合,以并聯(lián)方式擴展超級電容器組合。

設(shè)置3個超級電容器為串聯(lián)狀態(tài),按照上述原理打造新型電壓均衡電路。串聯(lián)3個超級電容器,連接個數(shù)為N,電壓均衡電路設(shè)置中包含2個分壓電容,分別為Ca、Cb,變換器包括分壓電容與開關(guān)管,開關(guān)管分別為sa、sb,其中的電流抑制主要通過電感L實現(xiàn),變壓器數(shù)量為3個,分別為T1、T2、T3,變壓器變比相同。變壓器連接方式為并聯(lián),控制變壓器必須通過組建橋式整流電路,涉及二極管,二極管為Dia~Did,其中i=1,2,3。連接系統(tǒng)整流器,連接電容器單元輸出段,電壓均衡電路運行,繞組設(shè)計主要是為了降低變壓器漏感,同時抑制電流波動,保持電壓穩(wěn)定。動態(tài)電壓均衡設(shè)計,能夠有效控制電流與電壓,同時阻斷其他整流器運行,以此節(jié)省單元電壓檢測步驟,增加自動識別電壓的能力,隨時為超級電容器充電。將超級電容器電壓控制至最低,隨后完成充電進入到第二單元,有效均衡不同單元的電壓,滿足電壓持久運行要求。電容器組及時判斷電壓單元變化情況,隨后抽取并均衡配置能量,以實現(xiàn)對最高電壓單元的電壓調(diào)整,調(diào)整電壓波動,保證電壓運行平穩(wěn)。

3超級電容器動態(tài)電壓均衡方法的優(yōu)勢

對于超級電容器的動態(tài)電壓均衡方法應(yīng)用,變壓器設(shè)置比為K:1,其中的變換器主要為半橋類型,開關(guān)管分別為sa、sb,兩者在動態(tài)電壓均衡處理中相互導(dǎo)通。電容器為C1、C2、C3,電容器組合因為是串聯(lián)關(guān)系,所以總端電壓uarray均衡電路中輸出電流ieq。及時在二極管ud中輸入電流,確保能夠隨時為各單元充電,輸入電流變化為ieqx(x=1,2,…,N)。正式運行之前,檢查初始電壓,其必須處于零的狀態(tài),隨后系統(tǒng)運行,電壓升高。超級電容器的動態(tài)電壓均衡研究,關(guān)注運行期間可能出現(xiàn)的電容器單元電壓波動或者出現(xiàn)的電壓偏差等。面對這種情況,必須根據(jù)公式計算ui=Q/Ci=ich1/Ci(i=1,2,3),計算結(jié)果顯示C1<C2<C3,在此狀態(tài)下,u1>u2>u3。保持超級電容器C3處于最低電壓狀態(tài),這樣就可以設(shè)置橋式整流器工作順序從C3開始。在此工作狀態(tài)中,根據(jù)動態(tài)均衡電路運行原理,有效控制電流波形,掌握可能出現(xiàn)的不同工作模態(tài)。在串聯(lián)電容器組合下的動態(tài)電壓均衡方法,很大程度上提高了超級電容器應(yīng)用的安全性與可靠性,提升其使用性能,延長電容器的使用壽命,優(yōu)化了超級電容器的應(yīng)用結(jié)構(gòu),增加了電壓均衡操作的靈活性。

4結(jié)語

綜上所述,超級電容器的動態(tài)電壓均衡方法,彌補了傳統(tǒng)電壓均衡方式的不足,將電壓均衡控制系統(tǒng)簡化,設(shè)置不同的控制模塊,便于管理。通過對整個系統(tǒng)的調(diào)整,在一定程度上穩(wěn)定了動態(tài)電壓變化,增強了超級電容器的儲能特性,拓展了超級電容器的應(yīng)用范圍,以有效的動態(tài)電壓均衡控制方法保持電能消耗得當(dāng),提高了超級電容器的應(yīng)用價值。