车载空气净化装置的储能结构研究

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摘 要： 储能结构是实现车载空气净化装置能量自给管理的重要单元，在分析和对比大量储能数据的基础上，选择了具有独特优势的超级电容作为储能结构。但是由于超级电容器单体之间在等效电阻和容量等方面存在一定差异，影响超级电容的使用寿命和储能效率。因此，需要对串联的超级电容组采取措施使得电压均衡。通过对比现有的几种超级电容的均压方法，选择了多飞渡电容均压方案，在研究和分析其工作原理之后，提出改进方案，该方法能够有效提高均压的效率和均压误差。最后通过PSIM仿真软件的仿真验证，通过仿真结果得知该改进方案的可行性。

关键词： 储能结构 超级电容器 多飞渡电容 均压PSIM

引言

在分析和对比大量储能数据之后，选择了具有独特优势的超级电容作为车载空气净化装置的储能结构。储能结构分为四部分，即检测模块、驱动模块、主电路和控制模块。储能结构的系统框图如图1所示。系统以PIC单片机为核心，通过协调各模块，可以实现超级电容组的电压均衡。

超级电容器具有超大容量，较高能量密度，较大的放电电流和长时间的循环使用寿命，因此具有很广泛的应用前景。由于超级电容器单体之间在等效电阻和容量等方面存在一定差异，当超级电容器串联的时候，超级电容单体之间会存在电压不均衡现象，超级电容组将处于不健康的状态。

超级电容的均压分为能量消耗型和非能量消耗型两种。能量消耗型均压通过电路中电阻等元器件消耗多余的能量来达到均压的效果。所以按其均压的性质可以分为：能量转移式和能量转换式。常见的几种消耗能量的均压电路有并联电阻法、稳压管法和开关电阻法。

由表1可知，在考虑到超级电容器数量，均压时转移电容的数量，电容的重量、电容的体积、均压控制系统的难易程度，以及均压的速度、均压的精度和均压的效率之后，决定采用改进的多飞渡电容法进行超级电容器储能均压电路设计与研究。

1.传统多飞渡电容法电压均衡原理

多飞渡电容均压的工作原理就是在n个超级电容之间放置n-1个飞渡电容，通过开关矩阵实现能量转移，达到均压的目的。多飞渡电容均压法的拓扑电路如图2所示。

飞渡电容均压法的等效电路图如图3所示，飞渡电容用等效模型电容C代替，假设C的初始电压比C的电压高，开关K闭合，C开始向C放电。

a.工作模式1（T≤t≤T；T为开关K闭合起始时刻，T为开关K断开且K闭合时刻）

设C的初始电压为U，工作t时间后C的电压为U（t），初始电压与t时刻的电压之间的关系如式1所示。由于C的容量比C的大很多，时间很短的一段工作期间内，暂时将超级电容看成是一个电源，此时电路工作的等效电路图如图3所示。

i（t）=×e（1）

U（t）=U-（U-U）×e（2）

式（1）和式（2）为充电电流、电压与时间的关系式，其中τ=R×C，R是放电回路中等效串联电阻。

b.工作模式2（T≤t≤T）

在t=T时刻，开关K闭合，飞渡电容C向超级电容C放电，充电t时间后，C电压值用U表示。此时电路工作的等效电路图如图5所示。C放电时候的电流、电压与放电时间的关系如式（3）和式（4）所示：

i（t）=×e（3）

U（t）=U+（U-U）×e（4）

2.改进的多飞渡电容均压控制

为提高能量转移的效率，在原来的均压电路的基础上，对原有的多飞渡电容均压法进行了改进，改进后的拓扑结构图如图6所示。其工作原理与原先的多飞渡均压的工作原理类似。

3.飞渡电容仿真分析

利用PSIM软件对由3支超级电容器串联组成的储能模块进行充电过程的仿真分析。超级电容器以KAMCAP为研究对象，其容量为16F，额定电压为16V，最大充电电流11A，由于内阻与漏电流对电路的影响较小，此处可以忽略不计。

设定3支超级电容器C、C、C容量及初始电压分别为14.4F/0V，16F/0V，20.8F/0V。图7给出在恒定10A电流充电情况下，普通充电模式下，单体电压值、总电压值及充电电流与时间关系的曲线。从图7中可以明显看到分散性对3支超级电容器充电的影响，当C充满时，C、C并未达到额定值，若继续对电容充电，则C会过充，将严重影响其使用寿命，反之，则会影响整个系统能量的利用率。经过23.08s充电结束，各单体电压、总电压不再上升，恒流源停止充电，充电时长与理论计算值一致。

图8是均压充电模式下各单体电压值、总电压值、充电电流与时间的曲线。在充电33.35s之后，各个单体电压值达到一致，完成均压，过程并没过压。当C达到额定值，系统将其剔除停止充电，此时总电压下降，充电电流产生一定波动；当C达到额定值，系统也将其剔除，此时总电压继续下降，充电电流又产生一次波动；最终，C达到额定值，3支超级电容器都充满，系统停止工作，总电压将为0，实现均压。

图9是多飞渡电容电压均衡效果图。仿真参数设置如上，其超级电容器初始值同上。可见，改进后多飞度电容均压充电效率和利用率都得到提升。

将3支超级电容器，分别通过普通充电、改进前多飞渡电容法、改进后多飞渡电容法进行充电，对比仿真结果。普通充电所需时间最短，但其利用率较低。改进前多飞渡电容法，利用多个飞渡电容，通过控制开关管的反复通断，从而实现相邻单体间能量转移，以达到均压的目的，利用率有所提高，但依然存在利用效率低的缺点。通过图8和图9的对比，可以看出改进后的多飞度电容均压法更能有效地提高利用效率。

结语

由于单个的超级电容之间在等效电阻和容量等方面存在一定差异，在给电容器充电的过程中，电压不均衡将影响超级电容的使用寿命和储能效率。通过对比分析各种超级电容均压方法，确定了多飞渡电容均压方案，在分析其工作原理的基础上，提出了改进方案，有效提高了均压的效率和均压误差。最后通过PSIM仿真软件验证，仿真结果表明了所提方案的有效性。

参考文献：

[1]慧妍，齐智平.超级电容储能单元的设计分析[J].电源技术，2006，30（4）：322-325.

[2]马奎安，陈敏.超级电容器储能系统充电模式控制设计[D].浙江：浙江大学，2010.

[3]张补涵，曾杰，毛承雄，等.串并联型超级电容器储能系统在风力发电中的应用[J].电力自动化设备，2008（4）：1-4.

[4]于鹏，杨仁刚.超级电容串联储能系统的并联电容均压方法[J].农业工程学报，2014-12-23.

[5]张国驹，唐西胜，齐智平.超级电容器与蓄电池混合储能系统在微网中的应用[J].电力系统自动化，2010，34（12）：85-89.

[6]韩晓男.超级电容串联均压研究[J].东北电力大学学报，2010，30（4）.