隨著新能源技術與儲能系統(tǒng)的快速發(fā)展，超級電容憑借功率密度高、充放電速度快、循環(huán)壽命長等優(yōu)勢，在電動汽車、軌道交通、可再生能源儲能等領域得到廣泛應用。然而，超級電容單體電壓較低(通常為 2.5-3.8V)，實際應用中需將多個單體串聯(lián)以滿足系統(tǒng)電壓需求。由于超級電容單體間存在容量、內阻、漏電流等參數(shù)差異，串聯(lián)使用時易出現(xiàn)電壓不均衡現(xiàn)象，導致部分單體過充或過放，嚴重影響超級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成為超級電容儲能系統(tǒng)發(fā)展的關鍵。

半橋變換器作為一種經(jīng)典的 DC-DC 變換拓撲，具有結構簡單、開關損耗小、輸出電壓調節(jié)范圍寬等特點，在電源系統(tǒng)中應用廣泛。次序耦合變壓器則通過特殊的繞組繞制方式，實現(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路徑。將半橋變換器與次序耦合變壓器相結合，構建超級電容均壓電源，可充分發(fā)揮兩者優(yōu)勢，實現(xiàn)超級電容組的高效均壓與能量管理，對提升超級電容儲能系統(tǒng)性能具有重要意義超級電容串聯(lián)均壓問題分析

(一)電壓不均衡產生原因

超級電容串聯(lián)使用時，電壓不均衡主要源于以下三方面：一是生產工藝差異導致的單體參數(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)差異會使充電過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，若僅基于總電壓進行充放電控制，忽略單體電壓差異，會進一步加劇電壓不均衡。

(二)電壓不均衡的危害

電壓不均衡對超級電容組的危害顯著。一方面，當超級電容組充電時，電壓較高的單體可能先達到額定電壓，若繼續(xù)充電，會導致該單體過充，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，放電過程中，電壓較低的單體可能先放至截止電壓，此時其他單體仍有剩余電量，導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，抑制超級電容串聯(lián)后的電壓不均衡問題。

半橋變換器與次序耦合變壓器的技術特性

(一)半橋變換器的工作原理與優(yōu)勢

半橋變換器由兩個功率開關管、兩個分壓電容和一個高頻變壓器組成。其工作過程如下：當功率開關管交替導通時，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)勢主要體現(xiàn)在：一是分壓電容的存在，使功率開關管承受的電壓僅為輸入電壓的一半，降低了對開關管耐壓等級的要求，減少了器件成本;二是開關管交替導通的方式，降低了開關損耗，提高了變換器的效率;三是通過調節(jié)開關管的占空比，可實現(xiàn)輸出電壓的寬范圍調節(jié)，適應不同超級電容組的電壓需求。

(二)次序耦合變壓器的結構設計與能量傳遞特性

次序耦合變壓器采用多繞組結構，繞組之間按照特定的次序進行耦合，實現(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)勢在于：一是通過優(yōu)化繞組的繞制方式(如分段繞制、交錯繞制)，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，可實現(xiàn)多個輸出端口的電壓均衡控制，無需額外增加復雜的均壓電路;三是次序耦合變壓器的多繞組結構，可同時為多個超級電容單體或模塊提供能量，適應超級電容組的串聯(lián)拓撲。

次序耦合變壓器的能量傳遞特性基于電磁感應原理，當原邊繞組通入交變電流時，鐵芯中產生交變磁通，使副邊各繞組感應出相應的電壓。由于各副邊繞組之間存在磁耦合，若某一繞組對應的超級電容電壓偏低，該繞組的感應電流會增大，向超級電容補充能量;若電壓偏高，感應電流會減小，減少能量輸入，從而實現(xiàn)自動均壓。這種均壓方式無需復雜的控制算法，簡化了系統(tǒng)設計，提高了均壓的響應速度。

半橋變換器與次序耦合變壓器的超級電容均壓電源設計

(一)系統(tǒng)拓撲結構

半橋變換器與次序耦合變壓器組成的超級電容均壓電源系統(tǒng)拓撲如圖 1 所示(此處省略圖 1，實際應用中需補充)。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換為直流電壓，為超級電容組中的各單體或模塊充電，并實現(xiàn)電壓均衡控制。

在該拓撲中，次序耦合變壓器的副邊繞組數(shù)量與超級電容串聯(lián)的單體數(shù)量一致，每個副邊繞組對應一個超級電容單體。通過次序耦合變壓器的磁耦合作用，實現(xiàn)各副邊繞組輸出電壓的均衡，進而保證各超級電容單體電壓的均衡。同時，半橋變換器通過調節(jié)開關管的占空比，控制輸入至次序耦合變壓器的能量，實現(xiàn)超級電容組的充放電控制與電壓調節(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節(jié)相結合。具體控制過程如下：首先，通過電壓采樣電路實時采集各超級電容單體的電壓;其次，若各單體電壓均在正常范圍內，半橋變換器按照設定的占空比工作，為超級電容組充電或放電，此時次序耦合變壓器通過磁耦合作用，自動調節(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)通過微調半橋變換器的占空比，減少輸入至該單體對應的副邊繞組的能量，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，補充能量，直至各單體電壓趨于一致。

這種控制策略的優(yōu)勢在于：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雜度;二是半橋變換器的占空比調節(jié)與變壓器的自均壓相結合，提高了均壓精度與響應速度;三是無需為每個超級電容單體單獨設計均壓電路，簡化了系統(tǒng)結構，降低了成本。

超級電容串聯(lián)使用中的電壓不均衡問題嚴重影響系統(tǒng)性能與安全，半橋變換器與次序耦合變壓器相結合的均壓技術為解決該問題提供了有效方案。本文通過分析超級電容均壓問題的成因與危害，闡述了半橋變換器與次序耦合變壓器的技術特性，設計了基于兩者的超級電容均壓電源系統(tǒng)，并通過實驗驗證了該系統(tǒng)的均壓精度、效率與動態(tài)響應性能。實驗結果表明，該均壓電源能夠實現(xiàn)超級電容組的高效均壓，均壓精度達到 ±0.03V，效率最高可達 94.2%，動態(tài)響應時間小于 0.5ms，具有良好的實用性與可靠性。該技術為超級電容儲能系統(tǒng)的發(fā)展提供了重要的技術支撐，具有廣闊的應用前景與推廣價值。