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随着城市地铁系统的不断发展，如何降低运营成本，更加节能环保运营显得越来越重要。其中制动能量回收系统就是一个热门研究方向，使用超级电容储能装置的制动能量回收系统在国内外被广泛研究。超级电容串联模组不均压是超级电容应用中无法避免的核心问题，本文针对这一关键问题，进行研究，提出了一种新型均衡方案。结合具体的地铁运行特点，研究了具体的均衡控制方法，并针对所提出的均衡方案设计了相关硬件和软件，进行仿真和实验验证。 本文首先引入模块化思想，提出了一种超级电容阵列模块化结构，从而实现根据电压等级和均衡特性分别解决模块间均衡及模块内均衡问题。在此结构基础上，对于超级电容模块间均衡提出了一种级联式拓扑，该拓扑无需实时检测超级电容电压，控制方法简单，均衡效率高。针对模块内电压均衡提出了一种倍压式均衡拓扑，该拓扑无需电压检测及电流控制，适合低压小功率的模块内均衡。结合均衡方案，本论文进一步设计了相关环路控制，提出了一种间接电压采样方式和计算了动态控制控制方式以及控制算法。在此基础上，对均衡控制方案进行相应软件及硬件设计。由于定制的超级电容模块内已集成模块内均衡控制模块，根据应用需求，设计和计算模块间均衡控制电路参数，采用C8051F040作为主控芯片设计控制软件。在电路分析基础上，论文对均衡拓扑进行软件仿真，结合软硬件设计制作样机进行实验验证。对于模块间均衡电路，搭建小功率平台，进行独立实验。最终实验结果表明，本次论文所设计的电压均衡方案均衡能力良好，动态均衡满足要求，均衡精度高。