串联超级电容器组的电容电压不均衡是目前超级电容器储能应用的一大难题，实现串联超级电容器的电压均衡可以延长超级电容器的使用寿命，增加储存能量，提高储能系统的可靠性，因此实现这个目标可以使超级电容器的应用取得重大性地突破。

本文讨论了目前正在研究和已经应用的超级电容器电压均衡方法，这些方法对超级电容器储能系统有很大的意义，而且对提高电能质量具有很高的实用价值。

超级电容器是利用双电层原理直接储存电能的新型储能元件。目前超级电容器储能在分布式发电系统、混合动力汽车中应用非常广泛，具有良好的发展前景。超级电容器具有功率密度高、充电速度快、充放电效率高、使用温度范围宽、循环寿命长等优点，因此超级电容器在电力系统领域的应用具有很高的实用价值。

表1是三种储能元件性能参数的对比，如下所示。

表1 三种储能元件的对比

由于超级电容器的额定电压很低，一般为1-3伏，而实际应用中的电压等级往往很高，所以在实际应用中需要将大量的超级电容器进行串联组合。

同一型号规格的超级电容器在电压、内阻、容量等参数上存在着不一致性，由U=Q/C可知，在串联充电时，每个超级电容器单体上Q是相同的，U和C是成反比的。而电压不一致对超级电容器模块储能容量、使用寿命影响很大，因此如何使串联中的各个单体电容器上电压趋于一致是至关重要的，为此可以采用超级电容器串联电压均衡方法。

超级电容器的串联电压均衡方法的研究

1、稳压管法

如图1所示，当超级电容器的工作电压超过稳压管的击穿电压时，充电电流就会从稳压管上流过，电容器的电压不再上升，防止了超级电容器过压。这种方法的优点是电路结构简单，成本低。缺点是充电能量完全消耗在稳压管上，稳压管会严重发热，能量浪费严重；而且稳压管的击穿电压精度低，分散性差，电压均衡电路的工作可靠性不高。

图1 稳压管法

2、开关电阻法

如图2所示，当超级电容器的工作电压达到给定参考电压值，旁路开关S闭合，充电电流就会从电阻和开关上流过，使超级电容器上的电压不再上升或者上升速率大幅度下降。这种方法比稳压管法更加灵活，它可以根据充电电流的大小设定旁路的电阻，具有电压监控精度高，均衡效果好、可靠性高的优点。其缺点是耗费能量，电阻发热量大。这种方法适用于充电功率小的应用场合。

图2 开关电阻法

3、飞渡电容器电压均衡方法

这种方法分为多飞渡电容器电压均衡法和单飞渡电容器电压均衡法。

1）多飞渡电容器电压均衡法

多飞渡电容器电压均衡法是利用多个容量很小的普通电容器作为中间储能单元，将电压高的超级电容器中的一部分能量向电压低的超级电容器中转移的一种电压均衡方法。

图3给出了多飞渡电容器电压均衡法的电路结构。通过开关的往复切换，实现了相邻超级电容器之间的电压平等，进而使整个超级电容模块的电压达到均衡。

图3 多飞渡电容器均衡法

实验结果表明，多飞渡电容器电压均衡电路，在小功率应用场合中，电压均衡速度快，超级电容器模块电压一致性得到大幅度提高，具有较高的应用价值。

2）单飞渡电容器电压均衡法

单飞渡电容器电压均衡法，是利用一个容量很小的普通电容器作为中间储能单元，将电压高的超级电容器中的能量向电压低的超级电容器中转移的一种电压均衡方法。

图4给出了单飞渡电容器电压均衡法的电路结构。

图4 单飞渡电容器均衡法

实验结果表明，单飞渡电容器电压均衡方法电压均衡速度快，可以大幅度提高超级电容器模块的电压一致性，适合在中小功率的应用场合中使用，具有较高的应用价值。

3）两种飞渡电容器电压均衡方法的比较

多飞渡电容器电压均衡法在进行电压均衡的过程中，因为会经过许多其它的超级电容器，所以会浪费许多能量。又因为多飞渡电容器电压均衡速度取决于所有的飞渡电容器的均衡速度，所以当相邻超级电容器电压差很小时，将导致整个超级电容器模块的电压均衡速度下降。

而单飞渡电容器电压均衡法将电压高的超级电容器中的能量直接转移到电压低的超级电容器中，电压均衡速度仅取决于串联超级电容器模块中最大电压差和放电回路的等效串联电阻，因此电压均衡速度要大大高于多飞渡电容器法。同理，在能量的传递过程中单飞渡电容器电压均衡法损耗较少，因此工作效率也要远高于多飞渡电容器电压均衡法。

4、电感储能电压均衡方法

这种方法分为平均值电感储能电压均衡法和相邻比较式电感储能电压均衡法。

1）平均值电感储能电压均衡法

图5是平均值电感储能电压均衡法电路结构。

图5 平均值电感均衡法

实验结果表明平均值电感储能电压均衡电路在充电的过程中不仅平衡了四支超级电容器容量差异带来的电压上升率的不均，而且还大大减小了它们之间的初始电压差，提高了超级电容器模块的电压一致性。通过恒定负载放电仿真，在超级电容器模块的放电过程中，由于平均值电感储能电压均衡电路的作用，超级四支超级电容器的电压始终保持一致。

2）相邻比较式电感储能电压均衡法

图6给出了两支超级电容器串联的电压均衡模块电路结构。

图6 相邻比较式电感法均衡法

实验结果表明，相邻比较式电感储能电压均衡电路极大地改善了超级电容器模块的电压一致性，在中等功率应用场合中，电压均衡效果非常明显，具有较高的应用价值。

3）两种电感储能电压均衡方法的比较

由于能量不是从电压最高的超级电容器中向电压最低的超级电容器中转移，所以这两种电压均衡方法在工作过程中都存在着能量浪费问题。在超级电容器模块串联支数较多的情况下，或者相邻超级电容器电压相差不大时，能量从电压最高的超级电容器中向电压最低的超级电容器中转移时需要经过多个超级电容器，从而导致相邻式电压均衡方法的均衡速度下降，同时浪费的能量也随之增加；而平均值电感储能电压均衡法则恰恰相反，它的电压均衡速度会随着串联支数的增加而加快。

电路仿真验证

为了验证串联均压技术的效果，选用均衡效果较好的单飞渡电容器电压均衡法，并采用PSIM软件对由三支超级电容器串联组成的模块进行了充电仿真。

仿真参数设置如下：脉冲频率f=20kHz，充电电流I=20A，MOSFET导通电阻Rm=10mΩ。超级电容器模型采用RC模型，电容量分散度d的范围为[-10%，+20%]，设它们的容量和初始电压依次为：9F/0V、11F/0V、12F/0V，等效串联内阻为1mΩ。

图7 电压均衡前后三支超级电容器的电压上升波形

图7(a)、(b)分别给出了三支超级电容器在进行20A电流充电时，采用单飞渡电容器电压均衡电路前后的电压变化曲线。在图7(a)中，三支超级电容器中最高电压为2.7V，最低电压为2.0V，最大电压差为0.7V；而图7(b)中，最高电压为2.7V，最低的为2.4V，最大电压差为0.3V，比电压均衡前减少了0.4 V，可见采用飞渡电容器电压均衡法明显的改善了三支超级电容器电压的不平衡性。

结论

目前超级电容器串联技术，按其工作原理可分为上述几种方法，每种方法都有其优缺点，而且每种方法都有适用的场合，具有很高的应用价值。其中单飞渡电容器电压均衡法和平均值电感储能电压均衡法均衡效果相比来说最好，但是这两种方法也并非尽善尽美，从均衡速度和工作效率来看，还有很大的提高空间。（摘编自《电气技术》，原文标题为“超级电容器的串联技术的研究”，作者为穆世霞。）