CN101188364A - 一种串联超级电容器组用电压均衡电路 - Google Patents

Abstract

一种串联超级电容器组用电压均衡电路，由一个控制逻辑和一个电解电容器组成。控制逻辑内含分压电路，脉冲发生电路，以及开关阵列。电压均衡电路与需要均衡的超级电容器相连。相邻两只超级电容器电压差值超过设定范围，则电压均衡电路将电荷由电压高的超级电容器转移至电压低的超级电容器，直至二者电压差值进入设定范围之内，此时，电压均衡电路在内部的使能电路的控制下停止工作，进入待机模式，减少能耗。该电压均衡电路结构简洁，成本低廉，易于安装，能有效解决多只超级电容器串联的电压不均衡问题。

Description

一种串联超级电容器组用电压均衡电路

技术领域

本发明涉及一种电压均衡电路，尤其是一种能平衡串联超级电容器组各单体之间电压的电路。

背景技术

单个超级电容器的额定工作电压很低，为了使它在能量储存领域有更广泛的应用，典型的做法就是将多个超级电容器串联成组，从而获得更大的容量。由于每个超级电容器之间特性参数的不同，超级电容器组在正常充放电或者待机状态下，单体之间的电压会出现不均衡，过充和过放现象都会造成超级电容器的永久损坏，进而造成整个储能系统的失效。传统的充放电检测电路监控单体超级电容器的电压，如果达到允许最大值或最小值，则停止对整个超级电容器组的充放电，这样就无法充分利用资源，减小了系统容量。

为了均衡串联超级电容器组的单体电压，过去普遍使用的是能量消耗型电压均衡电路，如电阻耗能型，通过检测每一个超级电容器的电压，控制与该超级电容器并联的电阻支路的断开和闭合。这种仅包含电压检测芯片，开关器件，功率电阻的电压均衡电路虽然成本低，安装简易，可以提供过压保护，但是存在很多缺点，比如，电阻支路不能完全旁路充电电流，使得超级电容器仍有过充的危险；消耗在电阻上的能量以热能表现，由于超级电容器数量多，电阻发热的总量会造成储能系统的不稳定，同时增加散热成本。

目前，有一种针对电阻耗能型电压均衡电路的改进措施，如美国专利US0214267A1、美国专利US0077875A1及美国专利US6806686B1，该类型的电压均衡电路由电压比较器，两只等值的电阻构成的分压电路、开关管、功率电阻构成。分压电路跨接于相邻两个超级电容器两端，得出相邻两只超级电容器的电压平均值，作为参考电压输入比较器的同相输入端，相邻两只超级电容器的连接中点连接到比较器的反相输入端。通过比较两个输入电压的大小，比较器生成开关管的动作信号。两只超级电容器中电压高的那只沿着闭合的电阻支路放电，直到两只超级电容器电压相等。这种比较器电压均衡电路的主要缺点在于：时刻保持在工作状态，造成能量消耗严重，电压均衡所需时间长，没有电压过充和过放的保护机制。

所以，针对以上，需要一种新型的电压均衡电路和方法，等技术指标。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中，多单元串联的超级电容器组内，单体超级电容器之间的电压无法均衡的缺点，提供一种电压均衡电路，在保持低成本，安装简便的前提下，使得由多单元串联的超级电容器组构成的储能系统的待机功耗低，单个超级电容器之间的电压均衡速度快。

本发明所设计的电路还包含了使能功能，以减少超级电容器电压均衡过程完毕之后的待机损耗。本发明电路主要由电阻、比较器和开关阵列组成，结构简单，安装方便，适于大规模应用。

本发明所采用的技术方案是：利用电荷泵的原理，实现相邻两个超级电容器之间的电荷转移，当相邻电压差值在设定范围之外，电压高的超级电容器的电荷被转移到电压低的超级电容器。直至二者的电压差值在设定范围之内，电压均衡电路内部的使能功能被激活，开关器件停止动作，电压均衡电路进入待机模式。

本发明电压均衡电路包括：四个开关器件，一个脉冲发生电路，一只低电压，大容量的电解电容，两个低电压运算放大器，四只电阻，两只二极管。四个开关器件构成一个级联桥臂，连接到相邻两个超级电容器两端，脉冲发生电路控制四只开关管以特定的频率动作，将电解电容和两只超级电容器交替并联连接，完成电荷转移的过程。

本发明仅有少部分能量消耗在开关管的导通电阻上。而且两个运算放大器组成的窗口比较电路的输出连接到脉冲发生器的使能端，当相邻两只超级电容器的电压差值进入设定范围之内，脉冲发生器的信号脉冲被屏蔽，开关器件停止动作，电荷转移停止。相对于耗能型电压均衡电路，本发明的电压均衡电路没有了功率电阻上的损耗，也省去了相应的冷却措施，不仅节省成本，也减少损耗，提高了储能系统的效率。另外，本发明的电压均衡电路均衡速度比传统耗能型电压均衡电路快很多，而且均压效果明显。

附图说明

图1为本发明原理图；

图2为本发明的一个具体实施例；

图3为本发明的另一个具体实施例。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，一组串联的超级电容器中的四个单体超级电容器，分别是超级电容器400，401、402和403。电压均衡电路711、712和713的内部结构相同，均由一个控制逻辑和一个电解电容组成。其中，电压均衡电路712由控制逻辑521和一个电解电容511组成。电解电容511的正端接到控制逻辑521的第四引出端204，电解电容511的负端接到控制逻辑521的第五引出端205。

控制逻辑521的功能是将电解电容511分别与需要均衡的相邻两个超级电容器并联，从而把电压高的超级电容器的电荷转移到电压低的超级电容器。控制逻辑521的内部结构可以有两种实现方式，分别是：图2所示的包含窗口比较电路701、脉冲发生电路905和开关阵列801的结构；以及图3所示的包含窗口比较电路701和电荷泵601的结构。

电压均衡电路711、712和713对应接到相邻的两个单体超级电容器。其中，电压均衡电路712用于均衡第一超级电容器401和第二超级电容器402之间的电压，第一引出端201接第一超级电容器401的正端a1，这里使用的是有极性的超级电容器。第二引出端202接至相邻的两个超级电容器401和402的连接中点a2，第三个引出端203接到第二超级电容器402的负端a3。均衡电路711及713的接法与此类似。

电压均衡电路711用于均衡第四超级电容器400和第一超级电容器401之间的电压，电压均衡电路711的第一引出端101接第四超级电容器400的正端。第二引出端102接至相邻的两个超级电容器400和401的连接中点a1，第三引出端103接到第一超级电容器401的负端a2。

电压均衡电路713用于均衡第二超级电容器402和第三超级电容器403之间的电压，电压均衡电路713的第一引出端301接第二超级电容器402的正端a2。第二引出端302接至相邻的两个超级电容器402和403的连接中点a3，第三引出端303接到第三超级电容器403的负端。

本发明安装简便，易于维护，只需连接三根导线，一个电压均衡电路就可独立工作，而且不需要外部电源和控制电路。

图2具体描述了电压均衡电路712的一种实施方案，电压均衡电路712内部结构主要有三部分：窗口比较电路701、脉冲发生电路905和开关阵列801。开关阵列801由四个上下级联的可控功率开关管a、b、c和d组成，一个电解电容511的正端接在开关管a、b的中点，负端接在开关管c、d的中点。当相邻两个超级电容器401和402二者电压差值在设定范围之外时，电压均衡电路712进入工作模式，在脉冲发生电路905的控制下，四个开关管a、b、c和d以特定频率按序导通，使得电解电容511与两只相邻的超级电容器401和402交替并联，从而将电荷由电压高的超级电容器转移至电压低的超级电容器。

其中，开关管的导通规则是：开关管a和c共用一个脉冲序列，由脉冲发生电路905的输出端m2输出，开关管b和d共用一个脉冲序列，由脉冲发生电路905的输出端m3输出，而且开关管a、c的脉冲序列和开关管b、d的脉冲序列互锁，即两组脉冲序列是逻辑互反的。脉冲发生电路905必须有避免开关管a、b、c和d直通的措施，即不能出现开关管a、b、c和d同时导通的情况。当第一超级电容器401的电压大于第二超级电容器402的电压，即二者电压差值超过设定范围时，电压均衡电路712工作。开关管a、c导通，开关管b、d关断，电解电容511和第一超级电容器401并联连接，由于电解电容511初始时没有电荷，所以第一超级电容器401把一部分电荷转移至电解电容511，表现为第一超级电容器401电压的减小，直至电解电容511的电压与第一超级电容器401的电压相等。半周期以后，开关管a、c关断，开关管b、d导通，电解电容511和第二超级电容器402并联连接。由于电解电容511的电压高于第二超级电容器402的电压，因此电荷由电解电容511转移至第二超级电容器402，表现为第二超级电容器402电压的增加，直至电解电容511电压与第二超级电容器402的电压相等。经过若干周期的电荷转移，第一超级电容器401和第二超级电容器402的电压差值进入设定范围之内，电压均衡电路712停止工作。

由于这种电压均衡电路以电解电容作为能量传递媒介，与以往的耗能型电压均衡电路最大的不同在于，相邻的两只超级电容器相差的能量不是被消耗在电阻上，而是通过一个电解电容间接转移到电压低的超级电容器。虽然每个开关管的导通电阻会消耗能量，但与耗能型电压均衡电路相比是很小的。这种此消彼涨的电压均衡方式可以在短时间内完成电压均衡的过程，这与耗能型电压均衡电路相比也是一个改进。在满足最大允许导通电流的前提下，开关阵列801应该使用导通电阻尽可能小的开关管，包括但不限于MOSFET。

当相邻两个超级电容器的电压差值进入设定范围之内，窗口比较电路701封闭脉冲发生电路905的脉冲序列，使开关阵列801停止导通，进一步降低能耗。第一电阻702和第二电阻705构成一个分压电路，其分压输出至第一运算放大器902的反相输入端，作为上门限电压值。与此相同，第三电阻703和第四电阻704也构成一个分压电路，其分压输出至第二运算放大器903的同相输入端，作为下门限电压值。第一运算放大器902的同相输入端和第二运算放大器903的反相输入端连接，再与相邻两只超级电容器401和402的中点202相连，中点202的电压就是超级电容器402的电压(以端点203为参考点)。二极管706的正端接第一运算放大器902的输出端；二极管707的正端接第二运算放大器903的输出端。两个二极管706和707的负端相连，然后接到脉冲发生电路905的使能端m1。

将中点202的电压与窗口比较电路701的门限电压相比较，如果在门限电压范围之外，则电压均衡电路工作，比如，当中点202的电压大于上门限电压值，则运算放大器902输出高电平，二极管706导通，同时，运算放大器903输出低电平，二极管707截止，窗口比较电路701输出高电平，不影响后级的脉冲发生电路905的脉冲产生。当中点202的电压在门限电压范围之内，即，高于下门限电压值，低于上门限电压值。认为相邻两只超级电容器401和402的电压达到均衡，运算放大器902和903输出低电平，二极管706和707截止，窗口比较电路701输出低电平，该低电平作用于脉冲发生电路905的使能端m1，将脉冲信号完全封闭，电压均衡电路进入待机模式。仅通过电阻和运算放大器就完成了控制脉冲发生电路905的输出的任务。

为了使电阻分压支路的损耗尽量小，电阻702、703、704和705应尽量大。保证电阻分压支路的电流低于超级电容器充满后自身的漏电流。具体阻值的选择方法描述如下：设定四个电阻R₇₀₂，R₇₀₃，R₇₀₄，R₇₀₅，其中R₇₀₃＝R₇₀₅，R₇₀₂＝R₇₀₄，而且R₇₀₅＞R₇₀₂。窗口比较电路701的门限电压范围可以表达成 $[(V_{401}+V_{402})\frac{R_{704}}{R_{703}+R_{704}},(V_{401}+V_{402})\frac{R_{705}}{R_{702}+R_{705}}],$ 那么，使用者可以根据设计要求的超级电容器的电压差值来选择具体的电阻值，V₄₀₁，V₄₀₂分别表示相邻超级电容器401和402的电压。则

$V_{\mathrm{ts}}=\frac{R_{705}-R_{704}}{R_{705}+R_{704}}*(V_{401}+V_{402})$

V_ts表示设定的电压差值。

举例：如果设定相邻的两只超级电容器401和402差值范围在0.05v以内，则V_ts＝0.05v，其中，V₄₀₁+V₄₀₂＝2v，就可得 $\frac{R_{705}}{R_{702}}=\frac{41}{39}.$

图3所示为本发明的另一种实现方式，带有使能端SHND的电荷泵601可以将图2中所述实施例的脉冲发生电路905和开关阵列801的功能完全替代，因此进一步简化了电压均衡电路的结构。电荷泵601可以是但不限于安森美公司的芯片NCP1729。电荷泵601的输入端IN接到超级电容器401的正端a1，输出端OUT接到超级电容器402的负端a3。相邻的两个超级电容器401和402的中点a2接到电荷泵601的GND。电解电容器511的正负两端分别接到电荷泵601的C+和C-，窗口比较电路701的输出端接到电荷泵601的使能端SHND。当相邻超级电容器401和402的电压差值在设定范围之外，窗口比较电路701输出高电平，电荷泵601工作，其内部的开关电路以特定频率导通和关断，使得电解电容器511将电荷由相邻的两个超级电容器中电压高的超级电容器转移至电压低的超级电容器；当相邻超级电容器401和402的电压差值进入设定范围之内，窗口比较电路701输出低电平，电荷泵601停止工作。

根据图3所示的本发明的一种实现方式，制作完成了用于串联超级电容器组电压均衡的实验电路，使用的参数如表1所示。

表1实验电路参数

电路参数
		超级电容器401，402	6000F，1.25v超级电容器
分压电阻702，704	1.9M ohm
		分压电阻703，705	2M ohm
电荷泵601	NCP1729
		运算放大器902，903	1.5mA供电电流的低电压运放
电解电容器511	100uF，10V

Claims (6)

1.一种串联超级电容器组用电压均衡电路，其特征在于：该电压均衡电路由控制逻辑和一个电解电容组成；电压均衡电路(712)的三个引出端(201、202、203)分别连接第一超级电容器(401)的正极a1、负极a2和相邻的第二超级电容器(402)的负极a3；当第一超级电容器(401)和第二超级电容器(402)电压的差值在设定范围之内，电压均衡电路(712)不工作；当第一超级电容器(401)和第二超级电容器(402)二者电压差值超出设定范围，电压均衡电路(712)通过控制逻辑(521)使电解电容(511)按特定的频率交替连接到第一引出端(201)、第二引出端(202)和第二引出端(202)、第三引出端(203)上，使电解电容(511)与第一超级电容器(401)和第二超级电容器(402)交替并联连接；电解电容(511)采用低电压、大容量的电解电容。

2.根据权利要求1所述的串联超级电容器组用电压均衡电路，其特征在于：电压均衡电路(712)包括由比较器(902、903)组成的窗口比较电路(701)、脉冲发生电路(905)、开关阵列(801)；窗口比较电路(701)的第一电阻(702)和第四电阻(705)构成一个分压电路，其分压输出至第一运算放大器(902)的反相输入端，作为上门限电压值；第二电阻(703)和第三电阻(704)构成另一个分压电路，其分压输出至第二运算放大器903的同相输入端，作为下门限电压值；分压电路的电流低于超级电容器充满之后自身的漏电流；第一运算放大器(902)和第二运算放大器(903)上下级联；第一运算放大器(902)的同相输入端和第二运算放大器(903)的反相输入端连接，再与第一超级电容器(401)和第一超级电容器(402)的中点(202)相连；开关阵列(801)由四个上下级联的可控功率开关管a、b、c和d组成，电解电容(511)的正端接在开关管a、b的中点，负端接在开关管c、d的中点。

3.根据权利要求2所述的串联超级电容器组用电压均衡电路，其特征在于：脉冲发生电路(905)产生脉冲序列，驱动开关阵列(801)中开关管a、b、c、d的导通和关断：脉冲发生电路(905)的一个输出端m2驱动开关管a和c的导通与关断，脉冲发生电路(905)的另一个输出端m3驱动开关管b和d的导通与关断，开关管a、c的脉冲序列和开关管b、d的脉冲序列互锁；脉冲发生电路(905)的使能端ml接受来自窗口比较电路(701)的使能信号，该信号控制脉冲发生电路(905)发出驱动脉冲。

4.根据权利要求1或2所述的串联超级电容器组用电压均衡电路，其特征在于：第一超级电容器(401)和第二超级电容器(402)的中点(202)的电压作为窗口比较电路(701)的输入电压值；当中点(202)电压位于窗口比较电路(701)的门限电压范围之内，电压均衡电路(712)停止工作，进入待机模式。

5.根据权利要求1所述的串联超级电容器组用电压均衡电路，其特征在于：电压均衡电路(712)包括由第一比较器(902)和第二比较器(903)组成的窗口比较电路(701)、带有使能端SHND的电荷泵(601)和电解电容(511)；电荷泵(601)的输入端IN接到第一超级电容器(401)的正端al，电荷泵(601)的输出端OUT接到第二超级电容器(402)的负端a3；第一超级电容器(401)和第二超级电容器(402)的中点a2接到电荷泵(601)的GND；电解电容器(511)的正负两端分别接到电荷泵(601)的C+和C-，窗口比较电路(701)的输出端接电荷泵(601)的使能端SHND。

6.根据权利要求1或5所述的串联超级电容器组用电压均衡电路，其特征在于：电荷泵(601)的使能端SHND和窗口比较电路(701)的输出端连接，当相邻两个超级电容器电压差值在设定范围内，电荷泵(601)停止工作。

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