楊威，楊世彥，黃軍

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程系，哈爾濱　150001）

摘要：串聯(lián)超級(jí)電容器組中各單體能量維持均衡是安全使用并充分發(fā)揮電容器組性能的重要保證。在分析比較幾種均衡充電方案的基礎(chǔ)上，提出一種雙電源結(jié)構(gòu)的均衡充電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了充、放電全過程的能量均衡，可有效避免超級(jí)電容器單體的過充、過放，有利于提高電容器組能量存儲(chǔ)效能，延長(zhǎng)其循環(huán)使用壽命。簡(jiǎn)要介紹了充電電源緩沖式軟開關(guān)Buck變換器和均衡電源半橋隔離變換器，并給出了以FPGA為核心的監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及軟硬件設(shè)計(jì)方案。

1引言

超級(jí)電容器（ultracapacitor）是一種新興的儲(chǔ)能元件，它具有比功率大、充電速度快、充放電效率高、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)等突出優(yōu)點(diǎn)[1]。雖然超級(jí)電容器能量密度小、成本較高，但仍不失為一種理想的城市公交電動(dòng)客車能量源[2]。

超級(jí)電容器公交電動(dòng)客車的充電系統(tǒng)必須滿足充電快速性的要求，同時(shí)還要保證充放電時(shí)各單體的能量均衡[3]。快速充電系統(tǒng)有利于充分發(fā)揮超級(jí)電容器充電迅速的突出優(yōu)點(diǎn)，使電動(dòng)客車在終點(diǎn)站短暫停留時(shí)能快速得到能量補(bǔ)充，從而彌補(bǔ)其能量 密度小導(dǎo)致行駛里程短的缺陷；充放電時(shí)保持各單體能量均衡是充分發(fā)揮超級(jí)電容器儲(chǔ)能容量，防止各單體過充或過放的必要保證。

2均衡充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

公交電動(dòng)客車選用的超級(jí)電容器有較好的容量一致性，可以以電壓為依據(jù)來(lái)判斷各單體的能量是否均衡。超級(jí)電容器在充放電時(shí)所表現(xiàn)出的特性與動(dòng)力電池相似，因此可以借鑒一些針對(duì)動(dòng)力電池提出的均衡充電方法，這些方法主要是保證各單體電壓相等來(lái)維持其能量均衡。如文獻(xiàn)[4-5]采用了如圖1a所示的方法，利用DC/DC變換器在相鄰的兩個(gè)單體間建立能量轉(zhuǎn)移的雙向通道，相鄰單體間能量均衡也就保證了整組單體的能量均衡；另外也可以采用飛渡電容建立能量交換通道[6]。文獻(xiàn)[7]的方法是為每個(gè)單體配置一個(gè)DC/DC變換器，如圖1b所示。它可以把單體多余的能量回饋到充電電源中，最終均衡地充入各單體中。文獻(xiàn)[8]提出了類似的一種級(jí)聯(lián)DC/DC方案。上述方法的缺陷是當(dāng)串聯(lián)的能量源單體數(shù)目較多時(shí)，需要提供大量的DC/DC變換器（或飛渡電容），使系統(tǒng)過于繁雜，可靠性降低。

3充電電源

電動(dòng)城市公交客車選用的超級(jí)電容器單體容量為167F，共20個(gè)，串聯(lián)為一組，電壓變化范圍190～340V，充電電流為300A。大功率開關(guān)電源中，開關(guān)管的工作環(huán)境較差、開關(guān)損耗大，為此設(shè)計(jì)了帶緩沖式軟開關(guān)電路的Buck變換器作為充電電源，如圖4所示。圖中L2、C2分別是緩沖電感和緩沖電 容。在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，由于緩沖電感L2的作用，開關(guān)管電流緩慢上升，主續(xù)流二極管VD1的電流緩慢下降，實(shí)現(xiàn)零電流開通，這樣開關(guān)管電壓和電流交叉部分電流值小，相應(yīng)地開通損耗也小。開關(guān)管導(dǎo)通期間，緩沖電容C2被充電到電源電壓值；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電流通過C2、VD2續(xù)流，開關(guān)管的電流迅速減小，由于緩沖電容的作用，開關(guān)管兩端的電壓從零開始緩慢上升，這樣開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷，相應(yīng)地關(guān)斷損耗減小。為了限制緩沖電容C2的反向充電電壓及加速緩沖電感L2存儲(chǔ)能量的泄放，由R3、VD3組成了快速泄放電路。加入緩沖式軟開關(guān)電路以后，開關(guān)管的工作條件得以改善，開關(guān)損耗顯著降低，提高了變換效率。為了抑制線路雜散電感引起開關(guān)管、二極管上的電壓尖峰，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的吸收電路。

4均衡電源

均衡電源以整組超級(jí)電容器為輸入，其輸出可以通過切換網(wǎng)絡(luò)來(lái)投切到組中任意一個(gè)單體上，整組電壓約為單體電壓的20倍，為此采用了帶變壓器隔離的半橋變換器，對(duì)輸出和輸入進(jìn)行隔離，如圖5所示。均衡電源采用MOSFET作為開關(guān)管，為了抑制開關(guān)管和副邊整流二極管上的尖峰電壓，分別設(shè)置了吸收電路R3、C3和R4、C4。考慮到超級(jí)電容器組的充放電電流在幾百安培左右，過大的均衡充電電流會(huì)對(duì)電容器組正常充放電造成影響，因此均衡電源的最大輸出電流為20A。為了確保充電安全，均衡電源采用了先恒流后恒壓的輸出特性。在未達(dá)到單體的額定電壓值時(shí)，均衡電源輸出恒定電流，當(dāng)充電到額定電壓值后，電源輸出恒定電壓防止單體過充造成損壞。均衡電源控制電路采用了SG3525，利用芯片內(nèi)部的誤差放大器構(gòu)成電壓環(huán)，實(shí)現(xiàn)恒壓輸出；利用芯片8腳的軟啟動(dòng)功能，配合相應(yīng)的外部電路構(gòu)成電流環(huán)，實(shí)現(xiàn)恒流輸出。

5巡檢監(jiān)控系統(tǒng)

巡檢監(jiān)控系統(tǒng)是整個(gè)均衡充電系統(tǒng)的核心控制部分，它負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控各單體的電壓，控制切換網(wǎng)絡(luò)把均衡電源投入到組內(nèi)相應(yīng)單體上，促進(jìn)整組的能量均衡。總體框圖如圖6所示，主要由基于現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列FPGA的控制器、電壓采樣電路和均衡電源切換網(wǎng)絡(luò)組成。

利用FPGA現(xiàn)場(chǎng)可編程功能可以實(shí)時(shí)改變電路系統(tǒng)，從而可以實(shí)現(xiàn)不同的控制策略以滿足巡檢監(jiān)控系統(tǒng)的需要。基于FPGA的控制器控制整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行，首先控制多路開關(guān)的切換，依次采集各單體電壓，然后控制A/D轉(zhuǎn)換器將其變?yōu)閿?shù)字量，經(jīng)過處理后發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)切換網(wǎng)絡(luò)，把均衡電源投切到相應(yīng)的單體上。超級(jí)電容器組最高電壓達(dá)到340V，較高的共模電壓使得在單體兩端直接跨接差分放大器的方法無(wú)法應(yīng)用，因此采用電阻分壓的方法。利用繼電器矩陣構(gòu)成均衡電源切換網(wǎng)絡(luò)，使用的繼電器個(gè)數(shù)較少可以提高可靠性。

采用VHDL語(yǔ)言對(duì)基于FPGA的控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件的總體框圖如圖7所示。其中總控制單元負(fù)責(zé)控制協(xié)調(diào)其他單元的運(yùn)行，采樣單元和A/D轉(zhuǎn)換單元控制對(duì)各單體的電壓采樣，最小值單元判斷電壓最低的單體，驅(qū)動(dòng)單元控制切換網(wǎng)絡(luò)動(dòng)作。

6實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)20個(gè)單體串聯(lián)的超級(jí)電容器組進(jìn)行充、放電實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。其中，圖8a所示為初始狀態(tài)，各單體電壓值比較分散，個(gè)別單體電壓與期望電壓9.5V差距較大；圖8b所示為加入均衡系統(tǒng)后的充、放電結(jié)果，各單體電壓值保持了較好的一致性。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，均衡電源為單體補(bǔ)充充電的時(shí)間若保持固定不變，則動(dòng)態(tài)均衡效果不是十分理想，因此可以考慮根據(jù)單體電壓與整組平均電壓的差值大小來(lái)調(diào)整均衡電源為其補(bǔ)充充電的時(shí)間。

7結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文提出的均衡充電系統(tǒng)滿足超級(jí)電容器組快速充電的要求，利用車載式均衡電源實(shí)現(xiàn)了電容器組各單體在充放電全過程中的能量均衡，有效地避免過充和過放。將緩沖式軟開關(guān)電路應(yīng)用于充電電源中，使開關(guān)管的工作條件得以改善，顯著降低了大功率條件下的開關(guān)損耗。均衡電源采用帶隔離變壓器的半橋變換器，為高電壓電容器組和低電壓各單體建立了能量轉(zhuǎn)移通道。以FPGA構(gòu)成系統(tǒng)控制器，實(shí)時(shí)改變控制策略，有利于系統(tǒng)升級(jí)和功能擴(kuò)展。采用相應(yīng)的能量檢測(cè)方法，該系統(tǒng)可推廣應(yīng)用于動(dòng)力電池的能量均衡。

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