超级电容（Super-Capacitor, SC）作为一种绿色储能元件，具有等效串联内阻小、充放电速率快、功率密度高、使用寿命长和工作温度范围宽等优点，近年来常作为能量储存装置应用于新能源领域和电动汽车领域。由于单体电压较低，往往需要多个电容单体串并联构成超级电容组。

但受限于制造工艺，超级电容在生产制造过程中，存在单体电压、容量、自放电率和内阻等参数不一致性问题。另外，超级电容使用过程中环境差异和温度差异进一步增加了电容单体各参数的不一致。这种不一致性导致使用过程中存在部分电容单体过充过放现象，降低其使用寿命并可能进一步导致热失控，引发火灾甚至爆炸。

针对超级电容不一致问题，近年来国内外学者提出一系列模组均衡方案，根据均衡所用器件可以划分为电阻型耗能均衡，以及利用变压器、电感、电容进行能量转移型的主动均衡。其中，开关电容结构的均衡电路采用电容实现能量转移，无需磁性元件，具有电路结构简单、体积小、成本低和能量利用率高等优点，因此在均衡领域得到广泛的应用。

• 基于开关电容原理，有学者利用开关管和均衡电容构建储能元件间的能量转移路径，实现储能元件的电压均衡。该方法无需传感器检测和复杂的闭环控制，可实现多个储能元件同时进行电压均衡，提高了均衡速度和效率；但是，所提拓扑需要的开关管和均衡电容数目众多，随着储能元件的增加，使该方法并不适用于大规模储能系统。
• 有学者针对超级电容储能系统，将超级电容二次利用，既作为储能元件，又将其作为均衡电容，通过控制相应开关管，实现超级电容的串并联重构，从而实现超级电容间的电压自均衡，该方法避免了均衡电容的使用，降低了均衡系统的体积和成本。
• 有学者基于链式开关电容拓扑结构，通过控制相应的开关管，实现超级电容串并联结构的切换，但是拓扑结构中采用了较多的开关管，不利于大规模储能场合的应用。
• 有学者所提出的均衡拓扑，由于不同串的超级电容数目不同，为了维持电容的一致，需要引入电容值不同的超级电容，不利于整个储能系统的设计。有学者对此进行了完善，保证了每串超级电容数目和电容值的一致性，但是增加了拓扑工作模态，导致控制复杂，降低了系统的稳定性。

同时，上述开关电容均衡电路只考虑少数超级电容串并联的均衡问题，而超级电容作为储能装置，往往需要多个单体串并联，因此上述均衡拓扑均需要引入数量繁多的均衡器件。此外，上述文献只对少数超级电容进行均衡分析，缺少对拓扑延展性的进一步思考。

传统超级电容阵列的能量储存与均衡电路往往分开设计，导致引入大量额外的均衡器件，从而增加了系统的成本。鉴于此，华南理工大学的科研人员提出了一种超级电容阵列组间电压自均衡拓扑，复用首列超级电容作为均衡电容，将能量均衡与能量储存进行统一化处理，避免大量均衡电容的引入，从而降低了系统的体积和成本。同时，通过4串4并、6串4并和8串4并的仿真结果对比，证实了所提拓扑具有良好的拓展性，适用于大规模超级电容串并联场合。

图1 超级电容阵列电压自均衡拓扑

本新型超级电容阵列组间电压自均衡电路的研究工作具体为：

（1）设计n×m超级电容阵列（n≥2，m≥2），仅复用首列超级电容作为均衡元件，就能实现阵列的电压自均衡，减少了开关管的数量，从而降低了系统体积和复杂程度。

（2）通过少量开关管对超级电容阵列的串并联结构进行重组，利用超级电容大电流充放电特性，快速调节整个模组间能量分布，实现电压的快速均衡。

（3）将整个储能系统作为研究对象，利用等效电容来代替并联电容组，从而得到超级电容在均衡过程中的电压、电流表达式，并进一步得到等效电路，从理论上验证了所提拓扑的可行性。

（4）所提拓扑具有良好拓展性，均衡速度不受模组拓展影响，适用于大规模超级电容串并联场合。本研究从电路结构和工作原理的角度分析所提出的均衡拓扑，并通过理论推导以及仿真和实验验证了该结构的可行性。

以上研究成果发表在2021年《电工技术学报》增刊1，论文标题为“基于储能电容复用的超级电容阵列自均衡拓扑结构的分析”，作者为刘俊峰、高鹏举 等。