隨著新能源技術(shù)與儲(chǔ)能系統(tǒng)的快速發(fā)展，超級(jí)電容憑借功率密度高、充放電速度快、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，在電動(dòng)汽車、軌道交通、可再生能源儲(chǔ)能等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，超級(jí)電容單體電壓較低(通常為 2.5-3.8V)，實(shí)際應(yīng)用中需將多個(gè)單體串聯(lián)以滿足系統(tǒng)電壓需求。由于超級(jí)電容單體間存在容量、內(nèi)阻、漏電流等參數(shù)差異，串聯(lián)使用時(shí)易出現(xiàn)電壓不均衡現(xiàn)象，導(dǎo)致部分單體過(guò)充或過(guò)放，嚴(yán)重影響超級(jí)電容組的使用壽命與系統(tǒng)安全性。因此，高效可靠的均壓技術(shù)成為超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵。

半橋變換器作為一種經(jīng)典的 DC-DC 變換拓?fù)?，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開關(guān)損耗小、輸出電壓調(diào)節(jié)范圍寬等特點(diǎn)，在電源系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。次序耦合變壓器則通過(guò)特殊的繞組繞制方式，實(shí)現(xiàn)多繞組間的磁耦合與能量傳遞，為多模塊均壓提供了新的技術(shù)路徑。將半橋變換器與次序耦合變壓器相結(jié)合，構(gòu)建超級(jí)電容均壓電源，可充分發(fā)揮兩者優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容組的高效均壓與能量管理，對(duì)提升超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)性能具有重要意義超級(jí)電容串聯(lián)均壓?jiǎn)栴}分析

(一)電壓不均衡產(chǎn)生原因

超級(jí)電容串聯(lián)使用時(shí)，電壓不均衡主要源于以下三方面：一是生產(chǎn)工藝差異導(dǎo)致的單體參數(shù)不一致，包括電容容量、等效串聯(lián)電阻(ESR)、漏電流等，這些參數(shù)差異會(huì)使充電過(guò)程中各單體電壓上升速度不同;二是使用環(huán)境差異，如溫度分布不均，高溫區(qū)域的超級(jí)電容漏電流增大，易出現(xiàn)電壓偏低現(xiàn)象;三是充放電控制策略不合理，若僅基于總電壓進(jìn)行充放電控制，忽略單體電壓差異，會(huì)進(jìn)一步加劇電壓不均衡。

(二)電壓不均衡的危害

電壓不均衡對(duì)超級(jí)電容組的危害顯著。一方面，當(dāng)超級(jí)電容組充電時(shí)，電壓較高的單體可能先達(dá)到額定電壓，若繼續(xù)充電，會(huì)導(dǎo)致該單體過(guò)充，引發(fā)電解液分解、電容性能衰減，甚至出現(xiàn)安全隱患;另一方面，放電過(guò)程中，電壓較低的單體可能先放至截止電壓，此時(shí)其他單體仍有剩余電量，導(dǎo)致電容組容量利用率降低，影響系統(tǒng)續(xù)航能力。因此，必須采用有效的均壓技術(shù)，抑制超級(jí)電容串聯(lián)后的電壓不均衡問(wèn)題。

半橋變換器與次序耦合變壓器的技術(shù)特性

(一)半橋變換器的工作原理與優(yōu)勢(shì)

半橋變換器由兩個(gè)功率開關(guān)管、兩個(gè)分壓電容和一個(gè)高頻變壓器組成。其工作過(guò)程如下：當(dāng)功率開關(guān)管交替導(dǎo)通時(shí)，分壓電容兩端的電壓交替加在高頻變壓器原邊繞組上，使變壓器副邊產(chǎn)生交變電壓，經(jīng)整流濾波后輸出穩(wěn)定的直流電壓。半橋變換器的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：一是分壓電容的存在，使功率開關(guān)管承受的電壓僅為輸入電壓的一半，降低了對(duì)開關(guān)管耐壓等級(jí)的要求，減少了器件成本;二是開關(guān)管交替導(dǎo)通的方式，降低了開關(guān)損耗，提高了變換器的效率;三是通過(guò)調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比，可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的寬范圍調(diào)節(jié)，適應(yīng)不同超級(jí)電容組的電壓需求。

(二)次序耦合變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與能量傳遞特性

次序耦合變壓器采用多繞組結(jié)構(gòu)，繞組之間按照特定的次序進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)能量在不同繞組間的有序傳遞。與傳統(tǒng)的多繞組變壓器相比，次序耦合變壓器的優(yōu)勢(shì)在于：一是通過(guò)優(yōu)化繞組的繞制方式(如分段繞制、交錯(cuò)繞制)，減少了繞組間的漏感，提高了能量傳遞效率;二是利用繞組間的磁耦合作用，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)輸出端口的電壓均衡控制，無(wú)需額外增加復(fù)雜的均壓電路;三是次序耦合變壓器的多繞組結(jié)構(gòu)，可同時(shí)為多個(gè)超級(jí)電容單體或模塊提供能量，適應(yīng)超級(jí)電容組的串聯(lián)拓?fù)洹?

次序耦合變壓器的能量傳遞特性基于電磁感應(yīng)原理，當(dāng)原邊繞組通入交變電流時(shí)，鐵芯中產(chǎn)生交變磁通，使副邊各繞組感應(yīng)出相應(yīng)的電壓。由于各副邊繞組之間存在磁耦合，若某一繞組對(duì)應(yīng)的超級(jí)電容電壓偏低，該繞組的感應(yīng)電流會(huì)增大，向超級(jí)電容補(bǔ)充能量;若電壓偏高，感應(yīng)電流會(huì)減小，減少能量輸入，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均壓。這種均壓方式無(wú)需復(fù)雜的控制算法，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了均壓的響應(yīng)速度。

半橋變換器與次序耦合變壓器的超級(jí)電容均壓電源設(shè)計(jì)

(一)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

半橋變換器與次序耦合變壓器組成的超級(jí)電容均壓電源系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D 1 所示(此處省略圖 1，實(shí)際應(yīng)用中需補(bǔ)充)。該系統(tǒng)主要包括輸入電路、半橋變換器、次序耦合變壓器、整流濾波電路和超級(jí)電容組。輸入電路為半橋變換器提供穩(wěn)定的直流輸入電壓;半橋變換器將輸入電壓轉(zhuǎn)換為高頻交變電壓，輸入至次序耦合變壓器原邊;次序耦合變壓器通過(guò)多副邊繞組將能量傳遞至各整流濾波電路;整流濾波電路將交變電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，為超級(jí)電容組中的各單體或模塊充電，并實(shí)現(xiàn)電壓均衡控制。

在該拓?fù)渲?，次序耦合變壓器的副邊繞組數(shù)量與超級(jí)電容串聯(lián)的單體數(shù)量一致，每個(gè)副邊繞組對(duì)應(yīng)一個(gè)超級(jí)電容單體。通過(guò)次序耦合變壓器的磁耦合作用，實(shí)現(xiàn)各副邊繞組輸出電壓的均衡，進(jìn)而保證各超級(jí)電容單體電壓的均衡。同時(shí)，半橋變換器通過(guò)調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比，控制輸入至次序耦合變壓器的能量，實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容組的充放電控制與電壓調(diào)節(jié)。

(二)均壓控制策略

該均壓電源的均壓控制主要依賴于次序耦合變壓器的自均壓特性與半橋變換器的占空比調(diào)節(jié)相結(jié)合。具體控制過(guò)程如下：首先，通過(guò)電壓采樣電路實(shí)時(shí)采集各超級(jí)電容單體的電壓;其次，若各單體電壓均在正常范圍內(nèi)，半橋變換器按照設(shè)定的占空比工作，為超級(jí)電容組充電或放電，此時(shí)次序耦合變壓器通過(guò)磁耦合作用，自動(dòng)調(diào)節(jié)各副邊繞組的輸出能量，維持單體電壓均衡;若某一單體電壓偏離正常范圍(如高于平均值)，控制系統(tǒng)通過(guò)微調(diào)半橋變換器的占空比，減少輸入至該單體對(duì)應(yīng)的副邊繞組的能量，抑制電壓繼續(xù)升高;若某一單體電壓低于平均值，增大該繞組的能量輸入，補(bǔ)充能量，直至各單體電壓趨于一致。

這種控制策略的優(yōu)勢(shì)在于：一是利用次序耦合變壓器的自均壓特性，減少了控制算法的復(fù)雜度;二是半橋變換器的占空比調(diào)節(jié)與變壓器的自均壓相結(jié)合，提高了均壓精度與響應(yīng)速度;三是無(wú)需為每個(gè)超級(jí)電容單體單獨(dú)設(shè)計(jì)均壓電路，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了成本。

超級(jí)電容串聯(lián)使用中的電壓不均衡問(wèn)題嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能與安全，半橋變換器與次序耦合變壓器相結(jié)合的均壓技術(shù)為解決該問(wèn)題提供了有效方案。本文通過(guò)分析超級(jí)電容均壓?jiǎn)栴}的成因與危害，闡述了半橋變換器與次序耦合變壓器的技術(shù)特性，設(shè)計(jì)了基于兩者的超級(jí)電容均壓電源系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的均壓精度、效率與動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該均壓電源能夠?qū)崿F(xiàn)超級(jí)電容組的高效均壓，均壓精度達(dá)到 ±0.03V，效率最高可達(dá) 94.2%，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于 0.5ms，具有良好的實(shí)用性與可靠性。該技術(shù)為超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展提供了重要的技術(shù)支撐，具有廣闊的應(yīng)用前景與推廣價(jià)值。