超級電容器的串聯技術，提升儲能系統可靠性，應用價值高

串聯超級電容器組的電容電壓不均衡是目前超級電容器儲能應用的一大難題，實現串聯超級電容器的電壓均衡可以延長超級電容器的使用壽命，增加儲存能量，提高儲能系統的可靠性，因此實現這個目標可以使超級電容器的應用取得重大性地突破。

本文討論了目前正在研究和已經應用的超級電容器電壓均衡方法，這些方法對超級電容器儲能系統有很大的意義，而且對提高電能質量具有很高的實用價值。

超級電容器是利用雙電層原理直接儲存電能的新型儲能元件。目前超級電容器儲能在分散式發電系統、混合動力汽車中應用非常廣泛，具有良好的發展前景。超級電容器具有功率密度高、充電速度快、充放電效率高、使用溫度範圍寬、迴圈壽命長等優點，因此超級電容器在電力系統領域的應用具有很高的實用價值。

由於超級電容器的額定電壓很低，一般為1-3伏，而實際應用中的電壓等級往往很高，所以在實際應用中需要將大量的超級電容器進行串聯組合。

同一型號規格的超級電容器在電壓、內阻、容量等引數上存在著不一致性，由U=Q/C可知，在串聯充電時，每個超級電容器單體上Q是相同的，U和C是成反比的。而電壓不一致對超級電容器模組儲能容量、使用壽命影響很大，因此如何使串聯中的各個單體電容器上電壓趨於一致是至關重要的，為此可以採用超級電容器串聯電壓均衡方法。

超級電容器的串聯電壓均衡方法的研究

1、穩壓管法

當超級電容器的工作電壓超過穩壓管的擊穿電壓時，充電電流就會從穩壓管上流過，電容器的電壓不再上升，防止了超級電容器過壓。這種方法的優點是電路結構簡單，成本低。缺點是充電能量完全消耗在穩壓管上，穩壓管會嚴重發熱，能量浪費嚴重；而且穩壓管的擊穿電壓精度低，分散性差，電壓均衡電路的工作可靠性不高。

2、開關電阻法

當超級電容器的工作電壓達到給定參考電壓值，旁路開關S閉合，充電電流就會從電阻和開關上流過，使超級電容器上的電壓不再上升或者上升速率大幅度下降。這種方法比穩壓管法更加靈活，它可以根據充電電流的大小設定旁路的電阻，具有電壓監控精度高，均衡效果好、可靠性高的優點。其缺點是耗費能量，電阻發熱量大。這種方法適用於充電功率小的應用場合。

3、飛渡電容器電壓均衡方法

這種方法分為多飛渡電容器電壓均衡法和單飛渡電容器電壓均衡法。

1）多飛渡電容器電壓均衡法

多飛渡電容器電壓均衡法是利用多個容量很小的普通電容器作為中間儲能單元，將電壓高的超級電容器中的一部分能量向電壓低的超級電容器中轉移的一種電壓均衡方法。透過開關的往復切換，實現了相鄰超級電容器之間的電壓平等，進而使整個超級電容模組的電壓達到均衡。

實驗結果表明，多飛渡電容器電壓均衡電路，在小功率應用場合中，電壓均衡速度快，超級電容器模組電壓一致性得到大幅度提高，具有較高的應用價值。

2）單飛渡電容器電壓均衡法

單飛渡電容器電壓均衡法，是利用一個容量很小的普通電容器作為中間儲能單元，將電壓高的超級電容器中的能量向電壓低的超級電容器中轉移的一種電壓均衡方法。

實驗結果表明，單飛渡電容器電壓均衡方法電壓均衡速度快，可以大幅度提高超級電容器模組的電壓一致性，適合在中小功率的應用場合中使用，具有較高的應用價值。

3）兩種飛渡電容器電壓均衡方法的比較

多飛渡電容器電壓均衡法在進行電壓均衡的過程中，因為會經過許多其它的超級電容器，所以會浪費許多能量。又因為多飛渡電容器電壓均衡速度取決於所有的飛渡電容器的均衡速度，所以當相鄰超級電容器電壓差很小時，將導致整個超級電容器模組的電壓均衡速度下降。

而單飛渡電容器電壓均衡法將電壓高的超級電容器中的能量直接轉移到電壓低的超級電容器中，電壓均衡速度僅取決於串聯超級電容器模組中最大電壓差和放電迴路的等效串聯電阻，因此電壓均衡速度要大大高於多飛渡電容器法。同理，在能量的傳遞過程中單飛渡電容器電壓均衡法損耗較少，因此工作效率也要遠高於多飛渡電容器電壓均衡法。

4、電感儲能電壓均衡方法

這種方法分為平均值電感儲能電壓均衡法和相鄰比較式電感儲能電壓均衡法。

1）平均值電感儲能電壓均衡法

實驗結果表明平均值電感儲能電壓均衡電路在充電的過程中不僅平衡了四支超級電容器容量差異帶來的電壓上升率的不均，而且還大大減小了它們之間的初始電壓差，提高了超級電容器模組的電壓一致性。透過恆定負載放電模擬，在超級電容器模組的放電過程中，由於平均值電感儲能電壓均衡電路的作用，超級四支超級電容器的電壓始終保持一致。

2）相鄰比較式電感儲能電壓均衡法

實驗結果表明，相鄰比較式電感儲能電壓均衡電路極大地改善了超級電容器模組的電壓一致性，在中等功率應用場合中，電壓均衡效果非常明顯，具有較高的應用價值。

3）兩種電感儲能電壓均衡方法的比較

由於能量不是從電壓最高的超級電容器中向電壓最低的超級電容器中轉移，所以這兩種電壓均衡方法在工作過程中都存在著能量浪費問題。在超級電容器模組串聯支數較多的情況下，或者相鄰超級電容器電壓相差不大時，能量從電壓最高的超級電容器中向電壓最低的超級電容器中轉移時需要經過多個超級電容器，從而導致相鄰式電壓均衡方法的均衡速度下降，同時浪費的能量也隨之增加；而平均值電感儲能電壓均衡法則恰恰相反，它的電壓均衡速度會隨著串聯支數的增加而加快。

電路模擬驗證（略）

為了驗證串聯均壓技術的效果，選用均衡效果較好的單飛渡電容器電壓均衡法，並採用PSIM軟體對由三支超級電容器串聯組成的模組進行了充電模擬。採用飛渡電容器電壓均衡法明顯改善了三支超級電容器電壓的不平衡性。

結論

目前超級電容器串聯技術，按其工作原理可分為上述幾種方法，每種方法都有其優缺點，而且每種方法都有適用的場合，具有很高的應用價值。其中單飛渡電容器電壓均衡法和平均值電感儲能電壓均衡法均衡效果相比來說最好，但是這兩種方法也並非盡善盡美，從均衡速度和工作效率來看，還有很大的提高空間。

（摘編自《電氣技術》，原文標題為“超級電容器的串聯技術的研究”，作者為穆世霞。）