基于Zetas的串联超级电容器电压均衡技术

摘要：介绍了一种基于多段式Zetas的串联超级电容器(SC)均压电路。该电压均衡电路通过辅助电源提供能量，依据各单体的端电压对其补充能量，实现各单体电压均衡。与现有均压电路相比，提出的均压电路仅需一个开关管，且当其工作于电流断续模式(DCM)时即可自动完成均压，无需闭环控制，省去电压检测及控制电路，从而降低系统复杂性，提高均压电路可靠性。通过分析其工作特性，给出了均压电路的参数设计方法。实验结果与理论分析相符，证明了该均压电路的优良均压性能。
关键词：超级电容器；多段式；均压电路；电流断续模式

1 引言
SC也称双电层电容器，是一种新兴储能元件。它具有功率密度高，循环使用寿命长，使用温度范围宽，温升小，充放电迅速，相对成本低等优点，是微电网储能系统研究的重要方向之一。SC单体电压等级无法满足微电网要求，故实际中需对其串联形成SC组以提高电压等级。但串联SC组单体参数不同，造成充放电过程中单体电压不均衡，影响SC有效利用容量及使用寿命。为解决上述问题，提出能量转移型均衡器均压方法，其原理是通过开关管、电感、电容的组合将端电压较高单体上能量转移到较低单体上或从外部补充能量，以实现均压。但这些均压电路需大量开关管、传感器或多绕组变压器，且元件数量会随SC串联个数增加而逐渐增加，使均压电路复杂性及成本增加。
针对上述均压方案的缺点，建立了一种基于多段式Zetas的单开关均压电路。该电路仅需一个开关，相对于传统均压电路其构更为简单，且该均压电路工作于DCM即可完成均压，无需闭环控制，从而省去了电压检测电路与控制电路。

2 工作原理
图1示出传统Zeta变换器电路。图2示出基于多段式Zetas的均压电路结构，其中C，L，V，C4，VD4，L4与图1中的Zeta变换器相同，Ci，VDi，Ll(i=1，2，3，4)叠加在一起并联在SC单体(Cs1～Cs4)两端，故为多段式Zetas均压电路。C与串联SC组并联以保持Zetas变换器中的Uin稳定。

假设4个SC串联，将串联SC组总电压作为均压电路的输入，控制MOSFET的通断，通过均压电路实现能量再分配。均压电路开始工作时，端电压最低的单体两端的二极管导通时间最长，该单体得到的能量最多；随着均压电路的工作，各二极管导通时间逐渐趋于一致，最终各单体电压平衡，二极管导通时间相同，各单体得到能量相同。由于均压电路中的电感、电容、MOSFET、二极管的损耗和导通压降会使均压电路速度较慢，且会使得串联SC组有一定的能量损失。因此对原有均压电路进行改进，得到新的均压拓扑。

3 改进后的均压电路
图3示出改进后的均压电路，电路使用外部辅助电源提供能量，断开SC组与均压电路输入端的连线。辅助电源的电压Uin即为均压电路的输入电压，其表达式为：
Uin=4UsCN+UVD+Uc (1)
式中：UsCN为超级电容额定电压；UVD为二极管导通压降；Uc为MOSFET导通压降及电感电容上的损耗压降。

4 实验参数及结果
按照图3所示的均压电路搭建实验样机，电路参数如下：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，工作频率为20 kHz，占空比为0．5。
图4a示出均压过程中VD1～VD4两端的电压波形。可见，在均衡工作起始阶段，VD1的导通时间最长，因此Cs1上得到的能量最多，电压上升最快，而随着均衡电路的工作，各单体电压趋于一致，VD1～VD4的导通时间趋于一致，如图4b所示。

图4c示出SC组各单体初始电压为2．5 V，2．2 V，1．5 V，1 V，SC组静置时，均压电路工作过程中各单体端电压波形。均压电路汲取辅助电源能量，再将能量分配给电压最低的单体。可见，端电压最低的单体电压上升最快，然后速度逐渐降低，直到电压达到均衡。但由于辅助电源不断提供能量，各单体电压会逐步升高，因此应当在完成均压后立即断开均压电路。

5 结论
实验结果验证了提出的基于多段式Zetas的均压电路可以满足快速均压要求，且该电路只需工作在电流断续状态下，无需闭环控制，使系统更为简单可靠。该均压方案可应用于微电网，超级电容储能装置或蓄电池储能装置。