超级电容器的动态电压均衡方法分析

超级电容器的动态电压均衡方法分析韦红美1

冯甘泉1

潘思妍1

奚秀芳2

（1.百色职业学院，广西百色533000；2.广西农业职业技术学院，广西南宁530000）

摘要：结合超级电容器的实际应用情况，对超级电容器的动态电压均衡方法展开了研究，总结了超级电容器动态电压均衡方法

的优势。

关键词：超级电容器；动态电压均衡系统；单元电路；变压器

0引言要对超级电容器的动态电压均衡方法进行研究，首先必

须全面了解电容器，电容器本身单体电压并不高，仅达1～3V，所以其具体应用主要以单体多个串联的方式，以弥补电压方面的不足。超级电容器应用期间，电容变化较大，在完成串联设计之后进行充电，但是一旦动态电压变化过大，将会出现过电压现象，严重影响超级电容器的动态电压均衡处理，缩短电容器使用寿命。因此，需要深入研究超级电容器的动态电压均衡方法，实现电压变化的均衡处理，以稳定电容器串联参数以及电压，保证超级电容器的正常运行。

1超级电容器的实际应用超级电容器在很多行业中均有涉及，运输业中最先应用

超级电容器的是纯电动汽车领域。某公司针对纯电动汽车研究进行创新，将超级电容器应用其中，打造真正的“零排放”公交车。公交车在超级电容器作用下，可以在固定的公里数内进行充电且充电时间非常短，操作简便灵活，还能够通过公交车刹车获得电动能量，能耗低，为正常燃油车的1/3，电力消耗仅为无轨电车的40%。

混合电动汽车升级同样应用了超级电容器。超级电容器通过多能源系统为混合电动汽车提供运行动力，保证燃油发动机正常运行，结合超级电容器发挥辅助动力作用[1]。通过科学控制汽车运行过程中的加速或者减速、爬坡等操作，以超级电容器为载体，存储吸收的电池能量，车辆运行动力降低，及时为其充电，提高了混合电动汽车的能量使用率，增加了混合电动汽车再生制动功能，至少节省50%汽油，降低80%的环境污染。超级电容器应用期间，需要与蓄电池结合使用，在两者优势互补的基础上，打造理想的贮能系统，延长汽车使用寿命。

2超级电容器动态电压均衡方法研究2.1单元电路

超级电容器运行以串联形式为主，将超级电容器串联之

后，电流相同，随时充电，相同变化时间内电路与电流保持不变，计算所出现的电压差：

驻U=

CUC×I伊t1×2

基金项目：2017年广西壮族自治区中青年教师基础能力提升项目“基于超级电容的本质安全型开关电源的设计与应用”2017ky1281）

式中，驻U为电压差；U为电压；t为时间；I为电流；C1、C2为超级电容器的电容量。

电压差受到电解电容器、单刀双掷开关等因素的影响，恒压充电期间，电压差出现明显变化。超级电容器充电过程中，恒电流呈线形增长，超级电容器、电压差之间不会受到电压变化干扰，实现恒压充电状态。超级电容器运行中，串联设计会将电解电容器放置于超级电容器（Cf、C2）单体的间隔位置，连接单刀双掷开关。开关以S1、S2表示，控制开关传输电压，调整高压、低压变化，从而达到动态电压均衡。其中单刀双掷开关的控制必须通过安装MOSFET装置，根据电容电压均衡原理进行系统控制[2]。2.2动态电压均衡电路

动态电压均衡电路结构属于全新的模块化电路类型，其主要运行原理如图1所示。

图1模块化均压电路原理图

结合图1可以发现，变换器位置（DC/AC）属于能量转换点，通过变压器，调整DC/AC处的电压变化，需要AC/DC的辅助。电压通过DC/AC环节，将电压及时输送到均衡电路的交流母线，随后将超级电容器串联，以此连接不同环节的AC/DC，两者的连接个数以N表示，在整个环节中变压器结构始终相同，并且原边处于并联状态。变压器对应固定的AC/DC环节，同时AC/DC环节对应固定的超级电容器组合，以并联方式扩展超级电容器组合。

设置3个超级电容器为串联状态，按照上述原理打造新型电压均衡电路。串联3个超级电容器，连接个数为N，电压均衡电路设置中包含2个分压电容，分别为Ca、Cb，变换器包括分压电容与开关管，开关管分别为Sa、Sb，其中的电流抑制主要通过电感L实现，变压器数量为3个，分别为T1、T2、T3，变压器

变比相同。变压器连接方式为并联，控制变压器必须通过组建桥式整流电路，涉及二极管，二极管为Dia～Did，其中i=1，2，3。连接系统整流器，连接电容器单元输出段，电压均衡电路

（114ShejiyuFenxi◆设计与分析一种小型消费级水下机器人的设计与实现方法高

芬

（巨浪创新（深圳）科技有限公司，广东深圳518052）

摘制造。

关键词：水下机器人；ROV；推进器；系统设计；五推进器

要：针对一种小型消费级水下机器人，分析了其系统总体设计及各关键子系统（推进系统、通信系统、控制系统及其他系统等）

设计的要点和方法，举例介绍了一种五推进器小型消费级水下机器人。经验证，该设计方法可以用于同类型水下机器人的设计及生产

0引言随着机器人技术及相关产业的发展，原本仅用于军事及

工业用途的水下机器人，由于近年来潜水爱好者的不断增加，对消费级的水下机器人需求逐渐突显。本文针对一种小型消费级有缆水下机器人（RemotelyOperatedVehicle，简称

[1]

ROV），介绍其各关键子系统的设计要点及方法，可为相关

从业人员提供参考。

1系统总体设计系统总体结构设计如图1所示，主要包括小型消费级水

图1

系统总体结构设计图

下机器人的推进系统、通信系统、控制系统及其他系统等的设计过程及相互关系。图中实线表示设计过程，虚线表示各系统之间数据及指令的传递关系。需要说明的是，在设计过程中，上述各系统并非相对独立，而是具有较强的耦合特性，需要采取循环设计方法，最终得出相对最优的设计方案。运行，绕组设计主要是为了降低变压器漏感，同时抑制电流波动，保持电压稳定。动态电压均衡设计，能够有效控制电流与电压，同时阻断其他整流器运行，以此节省单元电压检测步骤，增加自动识别电压的能力，随时为超级电容器充电。将超级电容器电压控制至最低，随后完成充电进入到第二单元，有效均衡不同单元的电压，满足电压持久运行要求。电容器组及时判断电压单元变化情况，随后抽取并均衡配置能量，以实现对最高电压单元的电压调整，调整电压波动，保证电压运行平稳。

22.1关键子系统设计推进系统

推进系统设计的关键是确定推进器的数量及排布方式，

这将使最终设计的机器人具有不同的自由度及机动性能。大器组合下的动态电压均衡方法，很大程度上提高了超级电容器应用的安全性与可靠性，提升其使用性能，延长电容器的使用寿命，优化了超级电容器的应用结构，增加了电压均衡操作的灵活性。

4结语综上所述，超级电容器的动态电压均衡方法，弥补了传

统电压均衡方式的不足，将电压均衡控制系统简化，设置不同的控制模块，便于管理。通过对整个系统的调整，在一定程度上稳定了动态电压变化，增强了超级电容器的储能特性，拓展了超级电容器的应用范围，以有效的动态电压均衡控制方法保持电能消耗得当，提高了超级电容器的应用价值。

［参考文献］

[1]曹洪奎，霍悦，李玉宝，等.超级电容器组双向主动均衡系统

的研究[J].电工电气，2016（7）：5-8.

[2]李海冬，冯之钺，齐智平.一种超级电容器快速电压均衡方法

的研究[J].电源技术，2007，31（3）：186-190.

[3]王恩峰，龚学余，阳璞琼，等.串联超级电容器的均压策略研

究[J].电子技术，2014（10）：1-4.

3超级电容器动态电压均衡方法的优势对于超级电容器的动态电压均衡方法应用，变压器设置

比为K:1，其中的变换器主要为半桥类型，开关管分别为Sa、Sb，两者在动态电压均衡处理中相互导通。电容器为C1、C2、C3，电容器组合因为是串联关系，所以总端电压uarray均衡电路中输出电流ieq。及时在二极管ud中输入电流，确保能够随时为各单元充电，输入电流变化为ieqx（x=1，2，…，N）。正式运行之前，检查初始电压，其必须处于零的状态，随后系统运行，电压升高。超级电容器的动态电压均衡研究，关注运行期间可能出现的电容器单元电压波动或者出现的电压偏差等。面对这种情况，必须根据公式计算ui=Q/Ci=icht/C（2，3），计算结果ii=1，显示C1＜C2＜C3，在此状态下，u1＞u2＞u3。保持超级电容器C3处于最低电压状态，这样就可以设置桥式整流器工作顺序从C3开始。在此工作状态中，根据动态均衡电路运行原理，有效控制电流波形，掌握可能出现的不同工作模态[3]。在串联电容

收稿日期：2019-06-12

作者简介：韦红美（1985—），女，广西南宁人，讲师，研究生，研究方向：电气自动化。

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