超级电容模组主动均衡系统Simulink仿真项目

资 源 简 介

本模型旨在解决串联超级电容组因制造工艺差异、老化程度不同及工作环境温度变化导致的单体电压不一致问题。在大型储能系统中，这种不一致性会限制整体模组的可用容量，甚至引发个别电容过压损坏。本项目通过MATLAB及Simulink工具箱搭建完整的动态仿真平台，其实际应用逻辑如下：首先，建立高精度的超级电容单体模型，通常采用包含等效串联电阻和等效并联电阻的RC模型，以还原真实充放电特性。其次，设计均衡控制电路，包括被动耗散型电路（电阻放电）或主动非耗散型电路（如双向Buck-Boost变换器、飞跨电容等），实现能量

详 情 说 明

超级电容模组主动均衡系统仿真项目

项目介绍

本项目提供了一个基于MATLAB开发的超级电容串联模组动态仿真平台。该仿真旨在解决由于制造工艺偏差、老化程度不一及环境因素导致的单体电压不一致问题。通过建立包含等效串联电阻（ESR）和等效并联电阻（EPR）的高精度RC模型，本项目模拟了四串超级电容在充电、静置及放电全过程中的电压演变。核心功能在于实现了一套基于双向DC-DC能量转移逻辑的主动均衡系统，能够在线实时调度各单体间的能量分布，提高模组的能量利用率并延长其使用寿命。

功能特性

1. 动态运行工况模拟：支持从0秒到1200秒的完整工作循环，涵盖了5A恒流充电、零电流静置以及3A恒流放电三个典型阶段。
2. 非耗散性主动均衡：不同于传统的电阻放电被动均衡，模型模拟了能量从高电压单体向低电压单体的非耗散转移过程，最大均衡电流可达2.0A。
3. 滞回控制策略：内置滞回比较器（启停阈值分别为0.02V和0.005V），有效避免了均衡开关在平衡点附近的频繁切换，增强了系统的稳定性。
4. 实时状态监测：提供每秒十次的端电压、荷电状态（SOC）以及均衡电流的实时计算与监测。
5. 综合性能报告：自动统计仿真过程中的收敛时间、最终压差、累计能量损耗，并根据输入能量评估系统整体效率。

使用方法

1. 环境要求：确保本地安装有MATLAB R2016b或更高版本。
2. 运行仿真：打开MATLAB环境，运行主程序脚本。
3. 参数调节：用户可根据需求在代码开头的参数设置区域修改电容容量、内阻、初始不一致电压序列以及均衡系统的转换效率。
4. 结果分析：仿真结束后，程序会自动弹出可视化窗口，展示电压、电流和SOC的动态曲线，并在控制台及界面右下角输出详细的分析报告。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB (包含基础计算与绘图工具箱)。
2. 硬件环境：标准桌面级PC，建议内存4GB以上。
3. 知识背景：适用于电力电子、储能系统及自动化控制领域的工程技术人员进行算法演示与参数整定。

实现逻辑说明

1. 系统参数化建模

程序首先定义了一个由4个100F单体组成的串联系统，并赋予了不同的初始电压（2.7V至2.0V）。通过时间步长（dt=0.1s）驱动迭代，模拟连续变化的物理过程。

1. 端电压动态计算

每个步长内，程序利用电容的电荷电压减去在等效串联电阻（R_esr）上产生的动态压降（I_load * R_esr），从而得到更贴合实际物理特性的单体端电压。

1. 主动均衡决策逻辑

算法在每一采样时刻自动搜寻模组中的电压极值点（V_max和V_min）。基于当前的压差状态，通过滞回逻辑决定均衡器的激活状态。一旦激活，能量将受控地从V_max单体流出，并以92%的效率转化为注入V_min单体的补偿电流。

1. 状态空间方程更新

采用一阶RC微分方程的数值解法，综合考虑外部负荷电流、内部均衡支路电流以及并联漏阻（R_epr）引起的自放电电流，对每个单体的电压状态进行实时积分累加。

1. 安全防护模块

在电压更新过程中嵌入了硬性安全限制逻辑（0.5V至2.8V），模拟了电池管理系统（BMS）中基本的过压与欠压保护功能。

关键函数与算法实现细节

1. 比例增益均衡电流控制

均衡电流的设计并非恒定值，而是通过电压差值与特定增益系数的乘积计算得出，并设置了物理极限。这种设计实现了在压差较大时快速均衡，而在接近平衡时自动减小强度以防止过冲。

1. 能量损耗计算模型

程序通过计算DC-DC变换器输入功率与输出功率的差值（即 P_in - P_out），并在时间轴上进行积分，从而精确统计由于均衡动作产生的热损耗（E_loss）。

1. 滞回比较器（Hysteresis Comparator）

实现了一个具有双阈值的逻辑判断结构。该逻辑确保了均衡过程在开始后，必须将压差缩小到远低于启动门限的水平（0.005V）才会停止，这模拟了实际工程中为了抑制采样噪声而采取的去抖动措施。

1. 自动化报告生成

程序集成了图形化报告功能，使用text函数将仿真结果（如均衡总时长、最终电压均匀度等）直接标注在图表界面上。同时，利用逻辑判断记录“收敛时间点”，即系统首次达到平衡目标的时间。

1. SOC归一化算法

基于单体最高工作电压（2.7V），程序实时计算并导出了SOC百分比曲线，直观地反映了即便在总电压变化的情况下，各单体剩余能量比例的收敛趋势。