李洪珠，王 俏，張 壘，孫佳月

（遼寧工程技術大學電氣與控制工程學院，葫蘆島125105）

半橋變換器與多變壓器次級串聯(lián)的超級電容均壓

李洪珠，王 俏，張 壘，孫佳月

（遼寧工程技術大學電氣與控制工程學院，葫蘆島125105）

針對于超級電容串聯(lián)儲能系統(tǒng)中單體電壓不均衡的問題，介紹了一種基于半橋變換器和多變壓器次級串聯(lián)的均壓電路，可利用多次級繞組減小因變壓器單元漏感誤差而引起的超級電容單體電壓不均衡。該電路結(jié)構(gòu)簡單，還可以均衡超級電容器的電壓，恒定開關頻率和占空比時不需要反饋控制環(huán)節(jié)。通過分析半橋變換器每個工作模態(tài)，建立了輸出電壓方程，推導了串聯(lián)超級電容電壓均衡方程。根據(jù)電路特性，分析了變壓器匝比設計方程及實現(xiàn)軟開關變壓器原邊漏感要求。仿真及實驗結(jié)果表明此均壓電路具有均壓速度快且均壓效果好的特點。

半橋變換器；次序耦合；超級電容器；電壓均衡

微網(wǎng)是由分布式電源、分布式儲能和能量管理模塊構(gòu)成負荷的供電系統(tǒng)，與負荷一起組成一個獨立的可控系統(tǒng)，解決了大電網(wǎng)與分布式電源之間的矛盾。儲能系統(tǒng)是調(diào)節(jié)微電源性能，保證負荷供電質(zhì)量，抑制系統(tǒng)振蕩的重要環(huán)節(jié)，因此儲能技術在微網(wǎng)中具有十分重要的作用。超級電容器［1-3］作為一種新型的儲能器件，具有法拉級甚至數(shù)千法拉的容量，作為介于傳統(tǒng)靜態(tài)電容和電池之間的新型儲能元件，超級電容器具有功率密度高、充放電速度快、使用溫度寬和循環(huán)壽命長的優(yōu)點，因此被廣泛用于微網(wǎng)儲能系統(tǒng)中。但超級電容器單體電壓較低，必須將多個超級電容器串聯(lián)使用以滿足電壓的需求。由于超級電容容量偏差、漏電流以及等效串聯(lián)電阻的不同，都會使超級電容在充電時出現(xiàn)過充電現(xiàn)象，影響電容器使用壽命，因此超級電容在串聯(lián)應用時必須考慮均壓問題。

目前超級電容器的均壓方法主要有能耗型和回饋型兩種［4］，能耗型包括并聯(lián)穩(wěn)壓二極管法和開關電阻法［5］，這類均壓方法的優(yōu)點是電路簡單、成本低，缺點是二極管和電阻消耗能量，損耗嚴重；回饋型包括DC-DC變換器法［6］和開關電容法［7］，該類均壓方法的優(yōu)點是能量消耗低、均壓速度快，缺點是電路結(jié)構(gòu)復雜，系統(tǒng)控制困難。

本文介紹了一種基于半橋變換器和多變壓器次級串聯(lián)的均壓電路，利用變壓器單元副邊繞組首尾相接實現(xiàn)超級電容能量轉(zhuǎn)移。此均壓電路明顯地減少了電路的復雜性，且均壓過程不需要反饋控制環(huán)節(jié)。通過仿真分析和實驗驗證了該新型電壓均衡電路的可行性和有效性。

1 均壓電路模型及其原理分析

1.1 電路拓撲結(jié)構(gòu)

圖1為超級電容器電壓均衡電路原理。為便于分析，本文給出4個超級電容器串聯(lián)的情況。分壓電容C1、C2與開關S1、S2組成半橋 DC/AC變換器；T1～T2為2個變比相同的變壓器，Lp為變壓器漏感。隔離變壓器單元如圖2所示，每個變壓器由3個繞組構(gòu)成，繞組Na為原邊繞組，Nb、Nc為副邊繞組。T1的原邊繞組N1-a和T2的原邊繞組N2-a并聯(lián)，T1的副邊繞組N1-c與T2的副邊繞組N2-b串聯(lián)，T2的副邊繞組N2-c與T1的副邊繞組N1-b串聯(lián)，實現(xiàn)變壓器副邊繞組首尾次序耦合；D1～D4為二極管，SC1～SC4為串聯(lián)的超級電容器。

圖1 超級電容器電壓均衡模型Fig.1 Voltage balancing model of supercapacitor

圖2 隔離變壓器單元Fig.2 Isolation transformer unit

1.2 工作原理分析

半橋變換器的開關S1和S2以接近50%的占空比互補導通，超級電容器的端電壓分別為VSC1、VSC2、VSC3、VSC4，二極管壓降為Vd，由圖2可得變壓器原邊繞組電壓為

變壓器副邊繞組的端電壓為

在一個開關周期Ts內(nèi)，超級電容器均壓過程可以分為4個模態(tài)，其工作波形如圖3所示，均壓等效電路如圖4所示。

圖3 工作波形Fig.3 Working waveforms

模態(tài)1（t0～t1）:開關S1導通，變壓器漏感Lp中的電流iLp上升見，圖4（a），此模態(tài)分為2種情況。

（1）當超級電容器單體電壓小于變壓器副邊電壓時，二極管D2和D4導通，流過二極管D2和D4的電流iD2和iD4上升，此時有

圖4 均壓等效電路Fig.4 Equivalent circuits of voltage balance

（2）當超級電容器的單體電壓大于變壓器副邊電壓時，超級電容器所對應的二極管不導通，超級電容器將能量回饋給電源。

模態(tài)2（t1～t2）：開關S1關斷，變壓器漏感Lp中的電流iLp經(jīng)過開關S2中的反并聯(lián)二極管續(xù)流，S2零電壓開通ZVS（zero voltage switching）導通，且二極管D2和D4持續(xù)導通，電流iLp下降，流過二極管D2和D4的電流iD2和iD4下降，見圖4（b）。

模態(tài)3（t2～t3）:在t3時刻，變壓器漏感Lp中的電流iLp下降到0，電流iLp開始反向上升，見圖4（c）。此模態(tài)也分為2種情況。

（1）當超級電容器單體電壓小于變壓器副邊電壓時，二極管D1和D3導通，流過二極管D1和D3的電流iD1和iD3增長，此時有

（2）當超級電容器的單體電壓大于變壓器二次側(cè)電壓時，同模態(tài)1的情況（2）。

模態(tài)4（t3～t0）:開關S2關斷，變壓器漏感Lp中的電流 iLp經(jīng)過開關 S1中的反并聯(lián)二極管續(xù)流，S1ZVS導通，且二極管D1和D3持續(xù)導通,變壓器漏感Lp中的電流iLp反向下降，流過二極管D1和D3的電流iD1和iD3下降；當電流iLp下降到0時，開始下一個周期，見圖4（d）。設變壓器的匝比為na：nb：nc，其中nb=nc=ns。由式（2）～式（4）得

由式（1）和式（5）可得各超級電容端電壓為

1.3 參數(shù)的設計

半橋變換器在前后2個半周期內(nèi)的工作原理相同，這里只對t0-t2階段進行分析。假設半橋變換器無損耗，在模態(tài)1和模態(tài)2中，變壓器漏感Lp上的電壓分別為VLp1和VLp2，則

穩(wěn)定情況下，根據(jù)伏秒特性原理有

則TS1和TS2的關系為

由式（7）～式（9）可得

設開關管的占空比為d，則有

若要實現(xiàn)開關的ZVS導通，需要滿足

把式（10）和式（11）代入式（12），得

變壓器漏感Lp為

結(jié)合式（8）和式（10）得

一般地，半橋變換器的變壓器原邊電壓Va為

根據(jù)式（6）可得到變壓器的匝比為

2 仿真與實驗

利用Saber仿真軟件對圖1所示的均壓原理圖進行仿真，仿真參數(shù)如下：Vin=10.8 V，開關頻率為f=20 kHz，S1和S2為MOSFET功率開關管，占空比為 0.48，二極管的壓降為 VD=0.36 V，C1=C2= 1 000 μF,變比為na：nb：nc=51:15:15，耦合系數(shù)均為0.96，超級電容參數(shù)如表1所示，各電流仿真結(jié)果如圖5所示。

表1 超級電容參數(shù)Tab.1 Supercapacitor parameters

圖5（a）表明漏感電流iLp在一個周期內(nèi)成對稱的正負兩部分，開關S1和開關S2交替導通且能實現(xiàn)ZVS導通。因為超級電容SC3的初始值最小，與變壓器二次側(cè)的電壓差最大，因而流過二極管D3的電流最大，如圖5（b）所示。

圖5 各電流仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of currents

圖6為超級電容器仿真均壓曲線。因為超級電容器的串聯(lián)等效電阻很小，在給超級電容充電的初始時刻，會出現(xiàn)一個比較大的充電電流，使超級電容器的初始電壓發(fā)生改變，因而圖6中初始時刻的超級電容去電壓并不是初始時刻給定的電壓。從圖6可知，約13 s時，4個超級電容器的電壓達到均衡。

實驗采用的超級電容器為錦州凱美公司生產(chǎn)的HP-2R7-J307UY，單體容量為30 F，額定電壓為2.7 V，開關管為 MOSFETIRF540，二極管采用MBR20100CT。工作頻率和占空比分別為20 KHz和0.48，Vin設置為10.8V。圖7為實驗測得的波形。由圖可見，實驗結(jié)果與理論分析及仿真相一致，2個開關S1和S2均可以實現(xiàn)ZVS導通，二極管D1（D3）和D2（D4）交替導通，實現(xiàn)超級電容器的均壓。

圖6 超級電容仿真均壓曲線Fig.6 Simulation curves of Supercapacitor equalization

圖7 實驗波形Fig.7 Experimental waveforms

3 結(jié)語

超級電容器因其容量、等效串聯(lián)內(nèi)阻等不同，在串聯(lián)使用時會導致單體電壓不均衡，影響超級電容器的使用壽命和可靠性，本文介紹了一種基于半橋變換器和多變壓器次級串聯(lián)的均壓電路，變壓器原邊繞組并聯(lián)，副邊繞組首尾相接，能夠?qū)崿F(xiàn)超級電容器的自主電壓均衡，通過分析均壓的原理，得到了適用于此電路的占空比以及變壓器的匝比，仿真和實驗結(jié)果驗證了該電路具有良好均壓特性。

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Voltage Balancing for Supercapacitor Based on Half-bridge Inverter with Transformers Secondary In-series

LI Hongzhu,WANG Qiao,ZHANG Lei,SUN Jiayue
（Faculty of Electrical and Control Engineering,Liaoning Technical University,HuLudao 125105,China）

According to the problem that cell voltage imbalance of series connected super capacitor in energy storage system,this paper presented a voltage-balance circuit for super capacitors in a half-bridge inverter based on with muti-transformer in secondary series method.Muti-secondary coupling method was used in secondary winding of converter to achieve voltage balance of monomer,which can reduce voltage unbalance caused by leakage error in transformer.The circuit topology is simple,to balance super capacitor voltage automatically,and to feedback control climinate when the system is operated with a fixed switching frequency and duty ratio.By analyzing the each working mode of half-bridge converter,the output voltage equations and the super capacitor voltage balance equation are established.According to the circuit characteristics,the design equation of the transformer turns ratio and the leakage inductance of the transformer primary to achieve soft switch are analyzed.The simulation and experimental results show that this equalizing circuit has good features of both speed and pressure equalizing.

half-bridge inverter;sequence coupling transformer;super capacitor;voltage equalization

李洪珠

李洪珠（1974-），男，博士,教授，研究方向：電力電子和電力系統(tǒng),E-mail：4965 12786@qq.com。

王俏（1992-），女，通信作者，碩士研究生，研究方向：電力電子和電力系統(tǒng)領，E-mail：496512786@qq.com。

張壘（1990-），男，碩士研究生，研究方向：電力電子和電力系統(tǒng)，E-mail：1194 352470@qq.com。

孫佳月（1990-），女，碩士研究生，研究方向：電力電子和電力系統(tǒng)領域，E-mail：601089990@qq.com。

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.1.75

：TM 623.1

：A

2015-11-22

國家自然科學基金資助項目（51177067，50607007）

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51177067，50607007）