楊威，楊世彥，黃軍

（哈爾濱工業大學電氣工程系，哈爾濱　150001）

摘要：串聯超級電容器組中各單體能量維持均衡是安全使用并充分發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上，提出一種雙電源結構的均衡充電系統，實現了充、放電全過程的能量均衡，可有效避免超級電容器單體的過充、過放，有利于提高電容器組能量存儲效能，延長其循環使用壽命。簡要介紹了充電電源緩沖式軟開關Buck變換器和均衡電源半橋隔離變換器，并給出了以FPGA為核心的監控系統的結構以及軟硬件設計方案。

1引言

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

超級電容器公交電動客車的充電系統必須滿足充電快速性的要求，同時還要保證充放電時各單體的能量均衡[3]。快速充電系統有利于充分發揮超級電容器充電迅速的突出優點，使電動客車在終點站短暫停留時能快速得到能量補充，從而彌補其能量 密度小導致行駛里程短的缺陷；充放電時保持各單體能量均衡是充分發揮超級電容器儲能容量，防止各單體過充或過放的必要保證。

2均衡充電系統結構

公交電動客車選用的超級電容器有較好的容量一致性，可以以電壓為依據來判斷各單體的能量是否均衡。超級電容器在充放電時所表現出的特性與動力電池相似，因此可以借鑒一些針對動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維持其能量均衡。如文獻[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單體間建立能量轉移的雙向通道，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[7]的方法是為每個單體配置一個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[8]提出了類似的一種級聯DC/DC方案。上述方法的缺陷是當串聯的能量源單體數目較多時，需要提供大量的DC/DC變換器（或飛渡電容），使系統過于繁雜，可靠性降低。

3充電電源

電動城市公交客車選用的超級電容器單體容量為167F，共20個，串聯為一組，電壓變化范圍190～340V，充電電流為300A。大功率開關電源中，開關管的工作環境較差、開關損耗大，為此設計了帶緩沖式軟開關電路的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。在開關管導通時，由于緩沖電感L2的作用，開關管電流緩慢上升，主續流二極管VD1的電流緩慢下降，實現零電流開通，這樣開關管電壓和電流交叉部分電流值小，相應地開通損耗也小。開關管導通期間，緩沖電容C2被充電到電源電壓值；當開關管關斷時，電流通過C2、VD2續流，開關管的電流迅速減小，由于緩沖電容的作用，開關管兩端的電壓從零開始緩慢上升，這樣開關管實現了零電壓關斷，相應地關斷損耗減小。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。加入緩沖式軟開關電路以后，開關管的工作條件得以改善，開關損耗顯著降低，提高了變換效率。為了抑制線路雜散電感引起開關管、二極管上的電壓尖峰，設計了相應的吸收電路。

4均衡電源

均衡電源以整組超級電容器為輸入，其輸出可以通過切換網絡來投切到組中任意一個單體上，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，對輸出和輸入進行隔離，如圖5所示。均衡電源采用MOSFET作為開關管，為了抑制開關管和副邊整流二極管上的尖峰電壓，分別設置了吸收電路R3、C3和R4、C4。考慮到超級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對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。在未達到單體的額定電壓值時，均衡電源輸出恒定電流，當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，利用芯片內部的誤差放大器構成電壓環，實現恒壓輸出；利用芯片8腳的軟啟動功能，配合相應的外部電路構成電流環，實現恒流輸出。

5巡檢監控系統

巡檢監控系統是整個均衡充電系統的核心控制部分，它負責實時監控各單體的電壓，控制切換網絡把均衡電源投入到組內相應單體上，促進整組的能量均衡。總體框圖如圖6所示，主要由基于現場可編程邏輯陣列FPGA的控制器、電壓采樣電路和均衡電源切換網絡組成。

利用FPGA現場可編程功能可以實時改變電路系統，從而可以實現不同的控制策略以滿足巡檢監控系統的需要。基于FPGA的控制器控制整個監控系統的運行，首先控制多路開關的切換，依次采集各單體電壓，然后控制A/D轉換器將其變為數字量，經過處理后發出驅動信號驅動切換網絡，把均衡電源投切到相應的單體上。超級電容器組最高電壓達到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法應用，因此采用電阻分壓的方法。利用繼電器矩陣構成均衡電源切換網絡，使用的繼電器個數較少可以提高可靠性。

采用VHDL語言對基于FPGA的控制器進行設計，軟件的總體框圖如圖7所示。其中總控制單元負責控制協調其他單元的運行，采樣單元和A/D轉換單元控制對各單體的電壓采樣，最小值單元判斷電壓最低的單體，驅動單元控制切換網絡動作。

6實驗結果

對20個單體串聯的超級電容器組進行充、放電實驗，實驗結果如圖8所示。其中，圖8a所示為初始狀態，各單體電壓值比較分散，個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后的充、放電結果，各單體電壓值保持了較好的一致性。

實驗中發現，均衡電源為單體補充充電的時間若保持固定不變，則動態均衡效果不是十分理想，因此可以考慮根據單體電壓與整組平均電壓的差值大小來調整均衡電源為其補充充電的時間。

7結論

實驗結果表明本文提出的均衡充電系統滿足超級電容器組快速充電的要求，利用車載式均衡電源實現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。將緩沖式軟開關電路應用于充電電源中，使開關管的工作條件得以改善，顯著降低了大功率條件下的開關損耗。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移通道。以FPGA構成系統控制器，實時改變控制策略，有利于系統升級和功能擴展。采用相應的能量檢測方法，該系統可推廣應用于動力電池的能量均衡。

參考文獻

[1]Burke A．Ultracapacitors: why，how，and where is thetechnology[J]．Journal of Power Sources，2000，91: 37-50.

[2]王嘉善，王海杰．超級電容器電動車——城市公共 交通現代化新模式[J]．城市車輛，2002 (1): 58-60．

[3]Linzen D，Buller S，Karden E，et al．Analysis andevaluation of charge balancing circuits on performance，reliability and lifetime of supercapacitor systems[C]．IEEE Industry Applications Society，2003，3: 1589-1595.

[4]Li H L，Zhang C N，Peng L Y，et al．Energytransferring dynamic equalization for battery packs[J]．Journal of Beijing Institute of Technology，2005，14 (3): 306-309．

[5]Lee Y S，Chen G T．ZCS bi-directional DC-to-DCconverter application in battery equalization for electric vehicles[C]．IEEE Power Electronics Specialists Conference，Aachen，Germany，2004: 2766-2772.

[6]Krein P T，West S，Papenfuss C．Equalization requirementsfor series VRLA batteries[C]．16th Annual Battery Conference on Applications and Advances，2001: 125-130.

[7]Hung S T，Hopkins D C，Mosling C R．Extension ofbattery life via charge equalization control[J]．IEEE Transactions on Industrial Electronics，1993，40 (1): 96-104.

[8]Moo C S，Hsieh I S，Tsai I S，et al．Dynamic charge equalization for series-connected batteries[J]．IEE Proceedings: Electric Power Applications，2003，150(5): 501-505．

[9]Kutkut N H，Wiegman H L N，Divan D M．Designconsiderations for charge equalization of an electric vehicle battery system[J]．IEEE Transactions on Industry Applications，1999，35 (1): 28-35.

[10] Tang M，Stuart T．Selective buck-boost equalizer forseries battery packs[J]．IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，2000，36 (1): 201-211.