CN100547879C - 一种超级电容器模块充放电电压均衡装置 - Google Patents

Abstract

一种超级电容器模块充放电电压均衡装置，由一个超级电容器模块、电压均衡控制器、若干个电感均压器和飞渡电容器均压器电联接而成。其中超级电容器模块由若干个串联储能单元串联，每个储能单元由若干个超级电容器串联组成。相邻的两个储能单元之间采用电感均压器均压，每个储能单元内采用飞渡电容器均压器均压。在飞渡电容器均压器和电感均压器的作用下，超级电容器模块内所有的超级电容器均可达到电压均衡。本发明工作效率高，能有效改善超级电容器之间的电压不平衡，每个超级电容器之间的电压差不超过某一设定的范围，防止了过充电、过放电，延长了超级电容器的使用寿命，提高了储能系统的能量利用率和可靠性。

Description

一种超级电容器模块充放电电压均衡装置

技术领域

本发明涉及一种超级电容器模块充放电电压均衡装置。

背景技术

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，其容量可达数万法拉，能量密度显著高于传统的静电电容器，而功率密度却保持静电电容器的优点。超级电容器具有循环寿命长、工作温度范围宽、功率密度高、充放电速度快、环境友好等优点。近年来，超级电容器作为瞬时、高功率储能器件已经在电力机车启动、备份电源等场合得到了广泛应用。随着超级电容器技术的发展，超级电容器储能技术有望在可再生能源发电系统、电动汽车、电力系统等领域发挥它的作用。

尽管超级电容器储能的优点非常的突出，但是在技术上还有一些问题需要解决，超级电容器工作电压不一致就是其中之一。使用超级电容器做储能单元时，通常采用多个超级电容器串联和并联的方式组合构成储能模块，来满足储能容量和电压等级的需要。而超级电容器参数的分散性，使得对超级电容器进行充放电时，其工作电压分布的非常不均匀，造成超级电容器的过充和过放。这种不均匀性将会对超级电容器储能系统的安全可靠性、效率、使用寿命、利用率带来不良的影响。

一种传统的串联超级电容器充电方法如图1所示，超级电容器组C₁、C₂、C₃、C₄、C₅串联联接，超级电容器C₁的正极与充电器的正极相联，超级电容器C5的负极与充电器的地相联；超级电容器C₁、C₂、C₃、C₄、C₅分别依次和串联支路开关S₁与电阻R₁、开关S₂与电阻R₂、开关S₃与电阻R₃、开关S₄与电阻R₄、开关S₅与电阻R₅并联组成五个回路；超级电容器C₁、C₂、C₃、C₄、C₅的正极和地信号与充电控制器相连，充电控制器控制开关S₁、S₂、S₃、S₄、S₅的导通和关断，当检测到超级电容器C₁、C₂、C₃、C₄、C₅中某个超级电容器的电压超过额定工作电压时，充电控制器就会使其对应的开关与电阻串联所形成的回路导通，充电电流就会流过相应的电阻，能量就会消耗在电阻上，这个超级电容器的电压就不会再提高，当五个超级电容器的两端电压达到一定值时，充电控制器就会发出充电停止的信号。

采用这种方法，电压均衡只能在充电的过程中进行，不能有效的防止过放现象，同时放电的功率会受到容量小的超级电容器的限制。这种方法通过电阻消耗能量来防止超级电容器的电压过充，达到超级电容器的电压均衡，其主要的缺点一是能量的极大浪费，电能转化为热能，二是应用面窄，不能满足较大充电电流的应用场合。

为了解决这个问题，欧洲专利EP1081824提出了一种新方法，在一组串联的超级电容器充电和放电的过程中，两个相邻的超级电容器之间通过一个Buck/Boost变换器进行能量交换来减小两个超级电容器之间的电压差异。日本专利JP11-098698中提出了一种飞渡电容器均压的方法，在充放电过程中，通过对每个超级电容器的电压的测量，选出其中电压最高的和最低的超级电容器，然后将飞渡电容器分别与这两个超级电容器进行并联相接，重复这样的过程，就会使这两个超级电容器之间的电压渐渐趋于一致。

上述的两种方法，可以在整个充放电过程中都可以实现均压，而且浪费能量少，电压均衡效率也很高，但是这两种方法都存在着一些技术问题。例如，在电力系统动态电压恢复器中或者其它的电力系统应用场合中，往往需要超级电容器的输出电压在300V左右，如果每个超级电容器的额定电压为2.5V，就要求上百个超级电容器串联起来才能满足条件，而且充放电时间很短。在这样的高压、大电流的条件下，这两种方法还都不能很好的满足需要，具体分析如下：

一、它们都需要对每个超级电容器的电压进行检测，而当上百只的超级电容器串联起来时，如果不采用分组管理的方式，就需要能够耐高压的测量电路和芯片，这无疑会大大增加系统的成本。

二、随着串联数目的增加，欧洲专利EP1081824中提出的方法，均压速度会变得越来越慢，效率也会不断地下降，因为串联数目的增加带来了大量重复的能量交换。日本专利JP11-098698中提出的方法，在串联电容数目增多时，超级电容器之间的空间距离加大时，均压速度也逐渐变慢，不能适应快速充放电的应用场合。

三、如果不采用分组的形式，各种驱动和芯片电源就需要一个输入范围非常宽的DC/DC变换器，这增加了系统的复杂性。大量的超级电容器串联，不采用分组的形式控制，信号控制、联结线距离长，不易于安装调试，还将大大降低超级电容器模块的可靠性，而且万一出现故障，不易于故障的排除和检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超级电容器模块充放电电压均衡装置，解决在高压大电流充放电下超级电容器模块的均压问题。

本发明电压均衡装置由电压均衡控制器与M-1个电感均压器、M个飞渡电容器均压器电联接组成，设超级电容器模块由N支超级电容器串联组成，分成M个串联的储能单元，其中N/M是整数，且满足关系3≤N/M≤9。飞渡电容器均压器的

个输入端分别与储能单元内N/M个超级电容器的电极一一相联。每两个相邻的储能单元之间有一个电感均压器，电感均压器的三个输入端分别与这两个串联的储能单元的输出端相联。

每个电感均压器由控制芯片、电压检测单元、P沟道MOS管P₁和N沟道MOS管P₂、电感L₁和L₂、快恢复二极管D₁和D₂电联接而成，电感均压器有三个输入端E、F、G，这三个端分别与两个串联的储能单元的三个输出端相联接。输入端E、F之间并联由P沟道MOS管P₁和电感L₁串联组成的支路，P沟道MOS管P₁和电感L₁串联支路的中点与输入端G之间并联有反向的二极管D₂，输入端F、G之间并联由电感L₂和N沟道MOS管P₂串联组成的支路，输入端E与电感L₂和N沟道MOS管P₂串联支路的中点之间并联有反向的二极管D₁。两个相邻的电感均压器中，前一个的输入端F、G分别和后一个的输入端E、F相联。

每个飞渡电容器均压器由微机控制系统、开关S₁、S₂、S₃、S₄……S_2N/M-1、S_2N/M，飞渡电容器C_f电联接而成；超级电容器C₁、C₂……C_N/M串联在一起，它们的两极分别依次与飞渡电容器均压器

个输入端联接，每个电容器的两极都通过一个开关电路与飞渡电容器C_f相联。超级电容器C₁的正极通过开关S₁与飞渡电容器C_f的正极相联，超级电容器C₁的负极通过开关S₂与飞渡电容器C_f的负极相联。超级电容器C₂的正极通过开关S₃与飞渡电容器C_f的正极相联，超级电容器C₂的负极通过开关S₄与飞渡电容器C_f的负极相联，依次类推，超级电容器C_N/M的正极通过开关S_2N/M-1与飞渡电容器C_f的正极相联，超级电容器C_N/M的负极通过开关S_2N/M与飞渡电容器C_f的负极相联；超级电容器C1、C2……C_N/M的电压通过电压检测单元输入到微机控制系统中，开关S₁、S₂、S₃、S₄……S_2N/M-1、S_2N/M的栅极与微机控制系统的输出信号相联；联接每一个超级电容器的两个开关的控制信号由飞渡电容器均压器控制。

本发明工作原理和工作过程如下：充电时，电压均衡控制器向所有的电感均压器和飞渡电容器均压器发出开始工作的控制信号。在各个储能单元的内部，飞渡电容器微机控制系统检测出电压最高的超级电容器和电压最低的超级电容器后，控制开关组在一个开关周期内使飞渡电容器分别与电压最高的超级电容器和电压最低的超级电容器并联相接，如此循环，从而实现储能单元内超级电容器的均压。在相邻的两个储能单元之间，电感均压控制芯片不断的检测储能单元的电压，当二者的电压差值超过一定的设定值时，控制芯片就会发出信号控制相应的开关导通和关断，使电压高的储能单元放电，能量储存在电感中，在下一时刻再通过电感将能量充到电压低的储能单元中，重复工作，储能单元间的电压也会渐渐趋于一致。这样，整个超级电容器模块在充电过程中就会始终保持电压平衡。同理，在放电的过程中按照同样的工作过程，也能实现超级电容器模块的电压平衡。

在整个超级电容器模块的充放电过程中，电压均衡控制器不停的采集每个超级电容器的电压，如果检测出某个超级电容器的工作电压超过了超级电容器的安全工作电压，或者低于超级电容器设定的放电电压，电压均衡控制器发出控制信号，电压均衡器停止工作，同时报警并停止对超级电容器进行充电或者放电。若检测到的超级电容器的温度过高，电压均衡控制器发出指令开启冷却风扇，若经过一段时间后，温度仍然不见下降，电压均衡控制器发出控制信号，电压均衡器停止工作，同时报警并停止对超级电容器进行充电或者放电。

本发明工作效率高，能有效改善超级电容器之间的电压不平衡，每个超级电容器之间的电压差不超过某一设定的范围，防止了过充电、过放电，延长了超级电容器的使用寿命，提高了储能系统的能量利用率和可靠性。

附图说明

图1传统的超级电容器电压均衡原理图；

图2为本发明的电路原理图；

图3电感均压器电路原理图；

图4飞渡电容器均压器原理图；

图5飞渡电容器均压器的开关控制信号；

图6电感均压器中的开关控制信号和电感上的工作电流。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

图2所示为本发明用于一个超级电容器模块的充放电过程的电压均衡装置。如图2所示，超级电容器C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆、C₇、C₈、C₉依次串联在一起组成一个超级电容器模块，其中超级电容器C₁的正极与充电器或放电负载500的正极联接，C₉的负极与充电器或放电负载500的地联接。超级电容器C₁、C₂、C₃串联构成储能单元100，储能单元100的输出端M₁、N₁分别与超级电容器C₁的正极和超级电容器C₃的负极联接。超级电容器C₄、C₅、C₆串联构成储能单元101，储能单元101的输出端M₂、N₂分别与超级电容器C₄的正极和超级电容器C₆的负极联接。超级电容器C₇、C₈、C₉串联构成储能单元102，储能单元102的输出端M₃、N₃分别与超级电容器C₇的正极和超级电容器C₉的负极联接。本发明超级电容器模块电压均衡器是由一个电压均衡控制器600和两个电感均压器300、301，以及三个飞渡电容器均压器200、201、202电联接组成；飞渡电容器均压器200的输入端A₁、B₁、C₁、D₁分别与超级电容器C₁、C₂、C₃、C₄的正极联接，飞渡电容器均压器201的输入端A₂、B₂、C₂、D₂分别与超级电容器C₄、C₅、C₆、C₇的正极联接，飞渡电容器均压器202的输入端A₃、B₃、C₃、D₃分别与超级电容器C₇、C₈、C₉的正极和地联接。电感均压器300的输入端E₁、F₁、G₁分别与储能单元100的输出端M₁和储能单元100与101的公共点N₁以及储能单元101的输出端N₂相联接。电感均压器301的输入端E₂、F₂、G₂分别与储能单元101的输出端M₂和储能单元101与102的公共点N₂以及储能单元102的输出端N₃相联。

电感均压器的均压原理图如图3所示，电感均压器由控制芯片700、电压检测单元、P沟道MOS管P₁和N沟道MOS管P₂、电感L₁和L₂、快恢复二极管D₁和D₂电联接而成，电感均压器有三个输入端E、F、G。超级电容器储能单元100的输出端N1、储能单元101的输出端M₂和电感均压器的输入端F联接在一起。储能单元100的输出端M1与电感均压器的输入端E相联接，储能单元101的输出端N₂与电感均压器的输入端G相联接。电感均压器输入端E和MOS管P₁的源极、二极管D₁的阴极联接在一起，电感L₁的两端分别与MOS管P₁的漏极和电感均压器输入端F联接，MOS管P₁和电感L₁的联接点P与输入端G之间通过一个反向的二极管D₂联接。电感L₂和MOS管P₂串联在电感均压器输入端F和G之间，MOS管P₂的源极与电感均压器输入端G相联，MOS管P₂和电感L₂的联接点Q与电感均压器输入端E之间通过一个反向的二极管D₁联接。MOS管P₁和P₂的栅极与控制芯片700相联。

飞渡电容器均压器的均压原理图如图4所示，飞渡电容器均压器由微机控制系统800、电压检测单元、开关S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆，飞渡电容器C_f电联接而成，飞渡电容器均压器的输入端为A、B、C、D。超级电容器C₁、C₂、C₃串联在一起，它们的两极分别与飞渡电容器均压器输入端(A，B)、(B，C)、(C，D)相联接，每个电容器的两极都通过一个开关电路与飞渡电容器C_f相联。超级电容器C₁的正极通过开关S₁与飞渡电容器C_f的正极相联，超级电容器C₁的负极通过开关S₂与飞渡电容器C_f的负极相联。超级电容器C₂的正极通过开关S₃与飞渡电容器C_f的正极相联，超级电容器C₂的负极通过开关S₄与飞渡电容器C_f的负极相联。超级电容器C₃的正极通过开关S₅与飞渡电容器C_f的正极相联，超级电容器C₃的负极通过开关S₆与飞渡电容器C_f的负极相联。超级电容器C₁、C₂、C₃的电压通过电压检测单元输入到微机控制系统中，开关S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆的栅极与微机控制系统的输出信号相联。

图4所示的飞渡电容器均压器中，假设超级电容器C₁的电容值最小，超级电容器C₃的电容值最大，充电和放电时所有超级电容器的起始电压相同。在充电过程中，飞渡电容器微机控制系统检测到超级电容器C₁的电压最高，超级电容器C₃的电压最低，微机控制系统发出控制信号驱动开关S₁、S₂同时导通，于是超级电容器C₁与飞渡电容器C_f并联联结在一起，导通一段时间后，微机控制系统发出控制信号，开关S₁、S₂同时关断，延迟一段时间后，微机控制系统再发出控制信号，开关S₅、S₆同时导通，超级电容器C₃与飞渡电容器C_f并联联结在一起，导通一段时间后微机控制系统发出控制信号，开关S₅、S₆同时关断，完成一次工作周期，所对应的飞渡电容器均压器的开关控制信号如图5所示，在此期间电荷从超级电容器C₁中转移到超级电容器C₃中，超级电容器C₁的电压下降，超级电容器C₃的电压上升，缩小了二者之间的电压差异。如此重复两组开关S₁、S₂和S₅、S₆的轮流导通，经过多次的循环工作后，超级电容器C₁和超级电容器C₃的电压差将变得越来越小。如果在此过程中，超级电容器C2的电压变成最高，轮流导通和关断的两组开关将变为S₃、S₄和S₅、S₆，同样如果超级电容器C₂的电压变成最低，轮流导通和关断的两组开关将变为S₁、S₂和S₃、S₄。因此，随着开关S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆的轮流导通，超级电容器C₁、C₂、C₃的电压逐渐趋于一致。同理，另外两个储能单元内，超级电容器C₄、C₅、C₆，C₇、C₈、C₉的电压也都趋于一致。

图3所示的电感均压器中，超级电容器储能单元100是由超级电容器C₁、C₂、C₃串联组成的，超级电容器储能单元101是由超级电容器C₄、C₅、C₆串联组成的，在充放电过程中，电感均压控制芯片不停的检测二个储能单元的电压，如果储能单元100的电压超过储能单元101的电压一定值时，控制芯片就会向MOS管P₁发出导通和关断信号，而且导通时间将随着电压差距的增大而增大，电感均压器中的开关控制信号和电感上的工作电流，如图6所示，MOS管P₁导通后储能单元100和电感L₁形成实际上的闭合回路，电感L₁上的电流逐渐上升，MOS管P₁关断后电感L₁上产生反电势，电感L₁上的电流，沿着储能单元101和二极管D₂形成闭合回路，电流方向不变，但是值在不断的减小，因此在一个周期内，储能单元100通过电感L₁放电，电压下降了，储能单元101通过电感L₁充电，电压上升了，达到了缩小二者电压差的目的，如此反复若干个周期后，就会将二者的电压差别控制在设定值以下。如果是储能单元101的电压超过储能单元100的电压一定值时，控制芯片就会向MOS管P₂发出导通和关断控制信号，通过电感L₂上电流的上升和下降，对储能单元101和100分别进行放电和充电，达到控制电压差别的目的。同理，另外两个储能单元101和102之间的电压差通过它们之间的电感均压器也都控制在设定值内。

通过储能单元内的飞渡电容器均压器和储能单元之间的电感均压器的共同作用，使整个超级电容器模块实现了充放电过程中的电压均衡。

若检测到的超级电容器模块中的温度过高，电压均衡控制器发出指令开启冷却风扇，如果经过一段时间后，温度仍然不见下降，电压均衡控制器将使电压均衡器停止工作，同时报警并停止充电和放电。

此外，如果检测出某个超级电容器的电压超过超级电容器的安全工作电压，或者低于超级电容器的设定放电电压，电压均衡控制器将使电压均衡器停止工作，同时报警并停止充电和放电。

Claims (4)

1、一种超级电容器模块充放电电压均衡装置，其特征在于它由一个超级电容器模块、电压均衡控制器、M-1个电感均压器和M个飞渡电容器均压器电联接而成；超级电容器模块由N支超级电容器串联组成，分成M个串联的储能单元，每个储能单元由N/M个超级电容器串联组成，其中N/M是整数，且满足关系3≤N/M≤9；飞渡电容器均压器的个输入端分别与储能单元内N/M个超级电容器的电极一一相联；每两个相邻的储能单元之间有一个电感均压器，电感均压器的三个输入端分别与这两个串联的储能单元的输出端相联。

2.根据权利要求1所述超级电容器模块充放电电压均衡装置，其特征在于所述的电感均压器由控制芯片700、电压检测单元、P沟道MOS管P₁和N沟道MOS管P₂、电感L₁和L₂、快恢复二极管D₁和D₂电联接而成，电感均压器有三个输入端E、F、G；超级电容器储能单元100的输出端N₁、储能单元101的输出端M₂和电感均压器的输入端F联接在一起；储能单元100的输出端M₁与电感均压器的输入端E相联接，储能单元101的输出端N₂与电感均压器的输入端G相联接；电感均压器输入端E和MOS管P₁的源极、二极管D₁的阴极联接在一起，电感L₁的两端分别与MOS管P₁的漏极和电感均压器输入端F联接，MOS管P₁和电感L₁的联接点P与输入端G之间通过一个反向的二极管D₂联接；电感L₂和MOS管P₂串联在电感均压器输入端F和G之间，MOS管P₂的源极与电感均压器输入端G相联，MOS管P₂和电感L₂的联接点Q与电感均压器输入端E之间通过一个反向的二极管D₁联接；MOS管P₁和P₂的栅极与控制芯片700相联。

3、根据权利要求2所述超级电容器模块充放电电压均衡装置，其特征在于所述的P沟道MOS管P₁和N沟道MOS管P₂的开关控制是由相邻两个储能单元之间的电压差来决定的，如果储能单元100的电压超过储能单元101的电压一定值时，控制芯片会向P沟道MOS管P₁发出导通信号，且导通时间随着电压差距的增大而增大；反之，如果储能单元101的电压超过储能单元100的电压一定值时，控制芯片会向N沟道MOS管P₂发出导通和关断控制信号，且导通时间随着电压差距的增大而增大。

4、根据权利要求1所述超级电容器模块充放电电压均衡装置，其特征在于所述的飞渡电容器均压器由微机控制系统800、开关S₁、S₂、S₃、S₄……S_2N/M-1、S_2N/M，飞渡电容器C_f电联接而成；超级电容器C₁、C₂……C_N/M串联在一起，它们的两极分别依次与飞渡电容器均压器

个输入端联接，每个电容器的两极都通过一个开关电路与飞渡电容器C_f相联：超级电容器C₁的正极通过开关S₁与飞渡电容器C_f的正极相联，超级电容器C₁的负极通过开关S₂与飞渡电容器C_f的负极相联；超级电容器C₂的正极通过开关S₃与飞渡电容器C_f的正极相联，超级电容器C₂的负极通过开关S₄与飞渡电容器C_f的负极相联，依次类推，超级电容器C_N/M的正极通过开关S_2N/M-1与飞渡电容器C_f的正极相联，超级电容器C_N/M的负极通过开关S_2N/M与飞渡电容器C_f的负极相联；超级电容器C1、C2……C_N/M的电压通过电压检测单元输入到微机控制系统中，开关S₁、S₂、S₃、S₄……S_2N/M-1、S_2N/M的栅极与微机控制系统的输出信号相联；联接每一个超级电容器的两个开关的控制信号由飞渡电容器均压器控制。

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