CC BY
825
УДК 621.396.6.019.3
МЕТОДЫ БАЛАНСИРОВКИ НАПРЯЖЕНИЙ СУПЕРКОНДЕНСАТОРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Ю.Ю. Разуваев, М.Ю. Чайка, В.В. Агупов, В.С. Горшков, Д.Е. Силютин
В работе рассматриваются основные механизмы балансировки напряжений последовательно соединённых суперконденсаторов. Проводится обзор известных запатентованных методов балансировки. Даются рекомендации по практическому применению рассматриваемых методов
Ключевые слова: суперконденсатор, ионистор, конденсатор с двойным электрическим слоем, балансировка напряжений
Введение
В энергетике, электротехнике и электронике широко применяются конденсаторы различных типов. Относительно новым типом конденсаторов являются электрохимические конденсаторы, за которыми закрепилось название «суперконденсаторы»
[1]. Суперконденсаторы занимают промежуточное положение между традиционными конденсаторами и аккумуляторами по таким параметрам, как удельная энергия и мощность. По сравнению с электролитическими конденсаторами суперконденсаторы (называемые также ионисторами, конденсаторами с двойным электрическим слоем, ультраконденсаторами, гибридными конденсаторами) имеют на несколько порядков большую ёмкость, достигающую тысяч фарад, и позволяют получать относительно длительные импульсы тока до нескольких тысяч ампер. По величине удельной энергии суперконденсаторы уступают аккумуляторным элементам, но, тем не менее, могут применяться в источниках бесперебойного питания короткого действия. Сегодня применение суперконденсаторов, пожалуй, наиболее актуально в сфере гибридного автотранспорта
[2].
Гибридные двигатели используются для рекуперации энергии торможения: движение поддерживает двигатель внутреннего сгорания, но при торможении энергия движения преобразуется в электрическую энергию, которая затем используется электрическим двигателем, осуществляющим разгон. В условиях города фазы разгона и торможения довольно часто чередуются, поэтому применение гибридного двигателя позволяет значительно уменьшить потребление топлива и улучшить экологическую обстановку города.
Разуваев Юрий Юрьевич - ВГУ, канд. физ.-мат. наук, ассистент, тел. (473) 220-22-84, e-mail: [email protected] Чайка Михаил Юрьевич - ОАО ВСКБ «Рикон», канд. хим. наук, начальник НИЛ, тел. (473) 246-35-60, e-mail: [email protected]
Агупов Владимир Владимирович - ОАО ВСКБ «Рикон», заместитель генерального директора, тел. (473) 246-35-60, e-mail: [email protected]
Горшков Владислав Сергеевич - ВГУ, аспирант, тел. (473) 246-35-60, e-mail: vgorsh88@gmail .com Силютин Дмитрий Евгеньевич - ОАО ВСКБ «Рикон», инженер-конструктор НИЛ, тел. (473) 246-35-60, e-mail: dsilvutin@vandex. ru
Основным недостатком суперконденсаторов является малое значение номинального напряжения, которое обычно не превышает 3 В. Для получения больших напряжений суперконденсаторы включают последовательно. При этом напряжения на конденсаторах ввиду разброса значений ёмкостей и токов утечек оказываются неравными, т.е. разбалансированными [3]. В случае перенапряжения параметры конденсатора могут деградировать, к тому же, существует вероятность взрыва. Для выравнивания напряжений суперконденсаторов и (или) их ограничения номинальным уровнем разработаны разработаны многочисленные методы и системы.
Целью настоящей работы является обзор и анализ известных методов балансировки напряжений суперконденсаторных элементов и выработка рекомендаций по их использованию.
Механизмы разбалансировки
Рассмотрим эквивалентную схему модуля из N суперконденсаторов с цепями заряда и разряда, представленную на рис. 1.
Рис. 1. Эквивалентная схема модуля с цепями заряда и разряда
Каждый г-й конденсатор с номинальным напряжением ином имеет эквивалентное сопротивление утечки, показанное на схеме сопротивлениями Пусть изначально все конденсаторы разряжены, ключи и S2 разомкнуты. Если теперь замкнуть
ключ Sb то начнётся процесс заряда конденсаторов от источника с э.д.с. ивх = ином и внутренним сопротивлением г. Через конденсаторы потечёт ток, рав-
г =Ц.
ный max . Токами утечек можно пренебречь,
поскольку обычно они на много порядков меньше максимального зарядного тока Ітах (например, 10 мкА относительно 150 А). По мере накопления зарядов на конденсаторах ток будет спадать по экспоненте:
<0 =ІтЄ '
(1)
с постоянной времени т = гС, где С - номинальная ёмкость модуля, которая в N раз меньше номинальной ёмкости конденсаторов. Ввиду разброса значений ёмкостей С^ напряжения на конденсаторах в общем случае будут неравными и определяться следующей формулой:
1 г
_
■ ■ (3)
(2)
Если ёмкость конденсатора меньше номинального значения, его напряжение превысит номинальное значение, а если С > Сном, то такой конденсатор не зарядится до {/ном.
Аналогичное соотношение можно получить и для процесса разряда модуля через замкнутый ключ 52 и сопротивление нагрузки КН при разомкнутом ключе Если считать, что изначально все конденсаторы были заряжены до номинального напряжения, то после полного разряда модуля установятся на-пряжения:
с
с_
(4)
Конденсаторы с ёмкостью С > Сном сохранят некоторое положительное напряжение, а конденсаторы с С < Сном окажутся отрицательно заряженными, т.е. произойдёт переполюсовка, которая может привести к деградации характеристик полярного конденсатора.
Итак, мы получили, что разброс значений ёмкостей обуславливает дисбаланс напряжений. Если ёмкость какого-либо конденсатора меньше номинального значения, определяемого при производстве модуля, или некоторого среднего, которое устанавливается со временем при старении модуля, то на этом конденсаторе возможно перенапряжение в процессе заряда или переполюсовка при разряде модуля. Применяемый метод балансировки должен устранять эти эффекты.
Приведённые выше выкладки справедливы для малых токов утечки относительно тока источника заряда или тока разряда, протекающего через нагрузку. В режиме хранения заряда, когда этими токами можно пренебречь по сравнению с токами утечки, дисбаланс напряжений суперконденсаторов будет обуславливаться не значениями ёмкостей, а значениями эквивалентных сопротивлений утечек Я{. В случае подключённого источника напряжения на конденсаторах будут определяться напряжениями на звеньях резистивного делителя Я^Я^-...- Я} относительно выходного напряжения:
Если сопротивление утечки і-го конденсатора больше среднего значения сопротивления утечки для конденсаторов модуля, то Ut будет больше ином, и может возникнуть перенапряжение.
В случае отключенного источника питания и нагрузки (или пренебрежимо малой нагрузки) конденсаторы будут разряжаться с постоянными времени Ті = RiCi до Ui = 0.
Итак, в результате разброса значений ёмкостей конденсаторов модуля в процессе заряда или разряда модуля относительно большими токами может возникнуть, соответственно, перенапряжение или переполюсовка некоторых конденсаторов. Большие токи обуславливают быстрые переходные процессы, поэтому этот механизм разбалансировки напряжений мы будем называть быстрым. В результате разброса значений токов утечки возможно только перенапряжение конденсаторов, но перераспределение напряжений этим механизмом происходит очень медленно (с постоянной времени порядка R^Cu^), поэтому данный механизм мы будем называть медленным.
Метод пассивной балансировки
Самый простой метод балансировки напряжений конденсаторов состоит в том, что параллельно конденсаторам подключаются шунтирующие резисторы. Обычно сопротивление этих резисторов выбирают таким, чтобы создаваемый ими ток шунтирования на порядок превышал ток утечки. Так нивелируется разброс значений токов утечек и, соответственно, устраняется механизм медленной разба-лансировки. Фактически метод годится только для балансировки напряжений в режиме хранения заряда. С быстрым механизмом разбалансировки этот метод справиться не может. Для исключения перенапряжений или переполюсовки необходимо обеспечить работу модуля при пониженном напряжении и исключить возможность его полного быстрого разряда.
Методы активной балансировки
Шунтирующие резисторы потребляют энергию всё время, пока на конденсаторах есть заряд, хотя необходимость в шунтировании возникает только при перенапряжении или переполюсовке. Этот недостаток устраняет метод балансировки с помощью стабилитронов, как показано на рис. 2.
Рис. 2. Балансировка стабилитронами
Г
Стабилитрон dj в обратном смещении шунтирует конденсатор при перенапряжении, а в прямом -при переполюсовке. Для ограничения тока стабилитрона может применяться резистор гг. Метод хорошо подходит для борьбы с медленным механизмом разбалансировки, поскольку требуются небольшие токи шунтирования, и стабилитрон в закрытом состоянии может незначительно повышать ток утечки конденсатора. Устранение быстрого механизма балансировки требует больших токов шунтирования, сопоставимых с величиной максимального зарядного тока. Однако на современном рынке микроэлектроники трудно найти низковольтные стабилитроны мощностью более 0.5 Вт.
Большие токи шунтирования при малом токе утечки может обеспечить схема с источником опорного напряжения, компаратором и мощным транзисторным ключом [4]. На рис. 3 приведена такая схема, которая является функциональным аналогом схемы на стабилитроне.
позволяющий осуществлять балансировку напряжений конденсаторов практически независимо от уровня заряда модуля. На рис. 4 представлена схема, выравнивающая напряжения на двух соседних конденсаторах модуля.
Рис. 3. Компараторная схема балансировки
Компаратор Ш сравнивает напряжение на выходе делителя К2-Я3 с опорным напряжением, задаваемым стабилитроном Б1 ток которого ограничивается сопротивлением Ю. Если напряжение на неинвертирующем входе компаратора превысит напряжение на инвертирующем входе, т.е. напряжение на конденсаторе Сі, поделённое в 1+ Я2/Я3 раз, превысит опорное напряжение, транзистор УТі откроется и вместе с сопротивлением Я4 зашунтирует конденсатор Сі. На современной элементной базе реально получить токи шунтирования в несколько ампер при токах утечки в несколько микроампер и относительно малых размерах схемы балансировки.
Приведённая выше схема, строго говоря, не является схемой балансировки, поскольку только ограничивает напряжения суперконденсаторов номинальным значением, т.е. баланс (равенство) напряжений достигается только при полной зарядке модуля. При малых напряжениях схема неактивна, и разброс напряжений на конденсаторах может быть довольно большим. В патенте [5] предложен способ,
Рис. 4. Схема выравнивания напряжений соседних конденсаторов
Операционный усилитель Ш включен по схеме повторителя напряжения. Два одинаковых сопротивления R делят напряжение пары конденсаторов Сі и Сі+і пополам, и повторитель пытается установить это напряжение на конденсаторе Сі, регулируя его заряд выходным током, протекающим через токоограничивающее сопротивление г. Автоматически выравнивается и напряжение на конденсаторе Сі+1, так что напряжения на конденсаторах со временем оказываются равными. Для выравнивания напряжений на всех N конденсаторах требуется N таких схем, подключенных к парам конденсаторов: Сі, С2; С2, Сз ... 0,-ь С№
Корректирующий заряды конденсаторов ток (нагрузочная способность операционного усилителя) может быть увеличен введением в схему двухтактного транзисторного повторителя [6]. На рис. 5 представлена усовершенствованная таким образом схема рис. 4, которая также приведена в патенте [7].
По сравнению со схемой рис. 3 данная схема проще за счёт исключения источника опорного напряжения, токи шунтирования могут меньше, поскольку выравнивание напряжений осуществляется всё время, а не с момента достижения напряжения на каком-либо конденсаторе номинального значения. Однако последнее достоинство может относиться и к недостатку, поскольку выравнивание напряжений в разряженном состоянии модуля расходует энергию, в то время как необходимость в балансировке возникает только при достижении номинальных значений напряжений. К недостатку можно отнести и некоторую громоздкость схемы, поскольку требуется также N схем, но каждая схема должна подключаться не к одному, а к двум конденсаторам.
Рис. 5. Усовершенствованная схема выравнивания напряжений
Все рассмотренные схемы балансировки являются диссипативными: балансировка осуществляется за счёт рассеяния «избыточной» энергии конденсаторов в виде тепла. Энергетически было бы выгодно перекачивать энергию конденсатора с повышенным напряжением в конденсатор с пониженным напряжением. Практическая реализация такого подхода с применением дополнительного конденсатора в качестве «посредника», переносчика энергии предложена в патенте [8]. На схеме рис. 6 конденсатор С2і с помощью ключей Би, Б2і, управляемых контроллером, подключается параллельно к одному из конденсаторов Сі или Сі+і, заряд которого больше, а затем к конденсатору, заряд которого меньше.
Рис. 6. Балансировка переключением дополнительного конденсатора
После серии переключений напряжения на конденсаторах выравниваются. Несмотря на усложнение схемы балансировки, увеличение габаритов модуля за счёт введения дополнительных конденсаторов большой ёмкости данный метод может рассматриваться как перспективный, если одно из основных требований к эксплуатации модуля - высокий к.п.д.
В связи с развитием импульсной электроники, в частности, импульсных преобразователей напряжения типа БС-БС стало перспективным применение таких преобразователей для решения задачи балансировки напряжений суперконденсаторов.
Если не требуются очень большие зарядные токи, то вполне успешно может быть применён метод балансировки, предложенный в патенте [9]. На рис. 7 заряд каждого конденсатора модуля осуществляется от отдельного БС-БС преобразователя с гальванической развязкой входа и выхода.
Рис. 7. Балансировка зарядом от БС-БС преобразователей
Напряжение источника электрической энергии иС определяет напряжение, до которого зарядятся конденсаторы. Разброс напряжений в идеале будет обусловлен только разбросом параметров БС-БС преобразователей. Очевидный недостаток метода -ограничение возможностей эксплуатации модуля: балансировка обеспечивается только при заряде конденсаторов от источника ИС, а не от силовых выводов модуля, которые должны только отдавать ток. В патенте [10] предложен аналогичный по сути метод с той лишь разницей, что питание БС-БС преобразователей осуществляется не от внешнего источника, а от самого модуля, т.е. энергия отбирается от всех конденсаторов, но возвращается только тем конденсаторам, напряжение которых больше. Например, если окажется, что только один из N конденсаторов имеет пониженное напряжение, то за цикл преобразования от каждого конденсатора будет отобрано по одной единице энергии, а этот конденсатор в результате может увеличить свою энергию на N4 единиц.
Теоретически возможно применение БС-БС преобразования в обратном направлении, т.е. «избыточную» энергию конденсатора отдавать в цепь питания всего модуля, т.е. остальным конденсаторам. Однако это потребует применения повышающих трансформаторов и довольно громоздких и ресурсоемких схемотехнических решений.
Заключение
Рассмотрены методы балансировки напряжений суперконденсаторов в составе суперконденса-торных модулей. Существующие методы балансировки отличаются сложностью реализации и ограничениями, накладываемыми на работу модуля.
По результатам анализа существующих методов балансировки можно сделать следующие рекомендации по их использованию:
1) При использовании любых известных методов балансировки напряжений необходимо учитывать возникновение эффекта ограничения зарядного тока, поскольку быстрые переходные процессы могут привести к значительному дисбалансу напряжений конденсаторов модуля, устранение которого потребует перераспределения больших «объёмов» энергии.
2) Для повышения величины зарядного необходимо увеличивать мощность устройства балансировки.
И, наоборот, если режим работы модуля в конкретной аппаратуре таков, что зарядные токи малы, то и мощность схем балансировки может быть снижена, соответственно упростится и удешевится конструкция модуля. Это возможно, например, если модуль используется для получения импульсов тока с большой скважностью или работает преимущественно в режиме хранения заряда, как например, в источнике бесперебойного питания кратковременного действия.
3) Для практической реализации в качестве наиболее предпочтительного рекомендуется выбирать метод, имеющий компараторную схему балансировки.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы в рамках государственного контракта №16.552.11.7048.
Литература
1. Беляков А.И. Электрохимические суперконденсаторы: текущее состояние и проблемы развития / А.И. Беляков // Электрохимическая энергетика. - 2006. - Т. 6, № 3. - С. 146-149.
Воронежский государственный университет ОАО Воронежское специальное конструкторское
2. Умняшкин В.А. Основы методики расчета и обоснования базовых параметров гибридной энергосиловой установки легкового автомобиля / В.А. Умняшкин, Н.М. Филькин [и др.] // Интеллектуальные системы в производстве.- 2008.- № 1.- С. 164-174.
3. Агупов В.В. Особенности активной балансировки напряжений суперконденсаторов / В.В. Агупов, М.Ю. Чайка, Ю.Ю. Разуваев [и др]. // Вестник Воронежского государственного технического университета. - Воронеж, 2011. - T. 7. - № 10. - С. 85-88.
4. US Patent 2003/0214267 A1. Ultracapacitor balancing circuit / Long L.P. - 2003.
5. US Patent 2004/0263121 A1. Charge balancing circuit for double-layer capacitors / Thrap G.C. - 2004.
6. Титце У. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство / Титце У., Шенк К. -М.: Мир-1983.- 512 с.
7. US Patent 2005/0180074 A1. Active balancing modular circuits / Doljack F.A. [et. al.] - 2005.
8. US Patent 7,271,505 B1. Voltage balancing in intermediate circuit capacitors / Miettinen E. - 2007.
9. US Patent 7,800,346 B2. Device and method for equalizing charges of series-connected energy stores / Bolz S [et. al.]. - 2010.
10. Maxwell active cell voltage management electronics
// maxwell.com: Document #1011130 | Revision 1.0, February 17, 2007. URL:
http://www.maxwell.com/products/ultracapacitors/docs/MAX WELL_ACTIVE_CELL_VOLTAGE_MANAGEMENT_EL ECTRONICS_REV1.PDF (дата обращения 05.02.12).
бюро «Рикон»
METHODS OF SUPERCAPACITOR VOLTAGE BALANCING Yu.Yu. Razuvaev, M.Yu. Chayka, V.V. Agupov, V.S. Gorshkov, D.E. Silyutin
In this paper the basic methods of the voltage balancing of series-connected supercapacitors are studied. The known patented methods of voltage balancing are analyzed. Recommendations of practical application of balancing method are given
Key words: supercapacitor, ionistor, double layer capacitor, voltage balancing
