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超級電容（Super-Capacitor, SC）作為一種綠色儲能元件，具有等效串聯(lián)內(nèi)阻小、充放電速率快、功率密度高、使用壽命長和工作溫度范圍寬等優(yōu)點，近年來常作為能量儲存裝置應(yīng)用于新能源領(lǐng)域和電動汽車領(lǐng)域。由于單體電壓較低，往往需要多個電容單體串并聯(lián)構(gòu)成超級電容組。

但受限于制造工藝，超級電容在生產(chǎn)制造過程中，存在單體電壓、容量、自放電率和內(nèi)阻等參數(shù)不一致性問題。另外，超級電容使用過程中環(huán)境差異和溫度差異進一步增加了電容單體各參數(shù)的不一致。這種不一致性導(dǎo)致使用過程中存在部分電容單體過充過放現(xiàn)象，降低其使用壽命并可能進一步導(dǎo)致熱失控，引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸。

針對超級電容不一致問題，近年來國內(nèi)外學(xué)者提出一系列模組均衡方案，根據(jù)均衡所用器件可以劃分為電阻型耗能均衡，以及利用變壓器、電感、電容進行能量轉(zhuǎn)移型的主動均衡。其中，開關(guān)電容結(jié)構(gòu)的均衡電路采用電容實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移，無需磁性元件，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低和能量利用率高等優(yōu)點，因此在均衡領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

• 基于開關(guān)電容原理，有學(xué)者利用開關(guān)管和均衡電容構(gòu)建儲能元件間的能量轉(zhuǎn)移路徑，實現(xiàn)儲能元件的電壓均衡。該方法無需傳感器檢測和復(fù)雜的閉環(huán)控制，可實現(xiàn)多個儲能元件同時進行電壓均衡，提高了均衡速度和效率；但是，所提拓?fù)湫枰拈_關(guān)管和均衡電容數(shù)目眾多，隨著儲能元件的增加，使該方法并不適用于大規(guī)模儲能系統(tǒng)。
• 有學(xué)者針對超級電容儲能系統(tǒng)，將超級電容二次利用，既作為儲能元件，又將其作為均衡電容，通過控制相應(yīng)開關(guān)管，實現(xiàn)超級電容的串并聯(lián)重構(gòu)，從而實現(xiàn)超級電容間的電壓自均衡，該方法避免了均衡電容的使用，降低了均衡系統(tǒng)的體積和成本。
• 有學(xué)者基于鏈?zhǔn)介_關(guān)電容拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過控制相應(yīng)的開關(guān)管，實現(xiàn)超級電容串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的切換，但是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中采用了較多的開關(guān)管，不利于大規(guī)模儲能場合的應(yīng)用。
• 有學(xué)者所提出的均衡拓?fù)?，由于不同串的超級電容?shù)目不同，為了維持電容的一致，需要引入電容值不同的超級電容，不利于整個儲能系統(tǒng)的設(shè)計。有學(xué)者對此進行了完善，保證了每串超級電容數(shù)目和電容值的一致性，但是增加了拓?fù)涔ぷ髂B(tài)，導(dǎo)致控制復(fù)雜，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

同時，上述開關(guān)電容均衡電路只考慮少數(shù)超級電容串并聯(lián)的均衡問題，而超級電容作為儲能裝置，往往需要多個單體串并聯(lián)，因此上述均衡拓?fù)渚枰霐?shù)量繁多的均衡器件。此外，上述文獻(xiàn)只對少數(shù)超級電容進行均衡分析，缺少對拓?fù)溲诱剐缘倪M一步思考。

傳統(tǒng)超級電容陣列的能量儲存與均衡電路往往分開設(shè)計，導(dǎo)致引入大量額外的均衡器件，從而增加了系統(tǒng)的成本。鑒于此，華南理工大學(xué)的科研人員提出了一種超級電容陣列組間電壓自均衡拓?fù)?，?fù)用首列超級電容作為均衡電容，將能量均衡與能量儲存進行統(tǒng)一化處理，避免大量均衡電容的引入，從而降低了系統(tǒng)的體積和成本。同時，通過4串4并、6串4并和8串4并的仿真結(jié)果對比，證實了所提拓?fù)渚哂辛己玫耐卣剐?，適用于大規(guī)模超級電容串并聯(lián)場合。

圖1 超級電容陣列電壓自均衡拓?fù)?/p>

本新型超級電容陣列組間電壓自均衡電路的研究工作具體為：

（1）設(shè)計n×m超級電容陣列（n≥2，m≥2），僅復(fù)用首列超級電容作為均衡元件，就能實現(xiàn)陣列的電壓自均衡，減少了開關(guān)管的數(shù)量，從而降低了系統(tǒng)體積和復(fù)雜程度。

（2）通過少量開關(guān)管對超級電容陣列的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)進行重組，利用超級電容大電流充放電特性，快速調(diào)節(jié)整個模組間能量分布，實現(xiàn)電壓的快速均衡。

（3）將整個儲能系統(tǒng)作為研究對象，利用等效電容來代替并聯(lián)電容組，從而得到超級電容在均衡過程中的電壓、電流表達(dá)式，并進一步得到等效電路，從理論上驗證了所提拓?fù)涞目尚行浴?/p>

（4）所提拓?fù)渚哂辛己猛卣剐裕馑俣炔皇苣＝M拓展影響，適用于大規(guī)模超級電容串并聯(lián)場合。本研究從電路結(jié)構(gòu)和工作原理的角度分析所提出的均衡拓?fù)?，并通過理論推導(dǎo)以及仿真和實驗驗證了該結(jié)構(gòu)的可行性。

以上研究成果發(fā)表在2021年《電工技術(shù)學(xué)報》增刊1，論文標(biāo)題為“基于儲能電容復(fù)用的超級電容陣列自均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析”，作者為劉俊峰、高鵬舉 等。