CN101202470A - 用于串联超级电容器组的电压均衡电路 - Google Patents

Abstract

一种用于串联超级电容器组的电压均衡电路，由运算放大器、开关管和电阻组成。两个阻值相等的电阻构成分压电路跨接于相邻的两个超级电容器，该分压电路的中点输出作为运算放大器的参考电压，相邻两个超级电容器的中点电压作为运算放大器的输入电压。相邻两只超级电容器的电压差值超过设定范围，则电压均衡电路工作，将相邻两只超级电容器中的电压高者和一只功率电阻串联放电，直至这相邻两只超级电容器的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。该电压均衡电路结构简洁，易于安装，能耗较低，成本低廉，能有效解决多只超级电容器串联时的电压不均衡问题。

Description

用于串联超级电容器组的电压均衡电路

技术领域

本发明涉及一种电压均衡电路，尤其是一种能均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分散性，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，如电阻耗能型电压均衡电路，通过检测每个超级电容器两端的电压，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；被电阻支路旁路的充电电流大部分都流过功率电阻，造成消耗在功率电阻上的能量过大。

目前，有一种针对电阻耗能型电压均衡电路的改进型电压均衡电路，如美国公开专利US2003/0214267A1和美国授权专利S6806686B1，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、三极管及功率电阻构成。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。两只超级电容器中的电压高者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：由于需要均衡的超级电容器之间的电压不可能达到完全静态相等，没有使能功能的运算放大器，即使在需要均衡的超级电容器达到近似均衡状态，依然继续运行在工作模式，除了其本身消耗的能量之外，闭合的电阻支路持续放电，进一步损耗能量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，为串联超级电容器组提供一种电压均衡电路，在保持安装简便、成本低的前提下，使得电压均衡电路的待机功耗低，电压均衡速度快。

本发明所采用的技术方案是：把相邻两只超级电容器的电压平均值与其中一只超级电容器的电压相比较，如果这只超级电容器的电压大于平均电压值，而且两者的电压差超过设定值，就将这只超级电容器和一个功率电阻串联，进行放电，使其电压减小；如果这支超级电容器的电压小于平均电压值，而且两者的电压差超过设定值，那么就将另一只超级电容器和一个功率电阻串联，进行放电，使其电压减小。当这只超级电容器电压与平均电压的差值减小至设定范围之内时，运算放大器的输出电压减小，不足以驱动开关管的开通，电压均衡过程结束。运算放大器的输出通过反馈电阻构成了电压死区控制电路，可以通过改变电阻的阻值来改变电压死区的大小。当其中一只超级电容器的电压和两只超级电容器的电压平均值的差值在死区之外，运算放大器驱动两只开关管中的一只开通，使得相邻两只超级电容器中电压高的那只与一个功率电阻串联放电，电压减小；当其中一只超级电容器的电压和两只超级电容器的电压平均值的差值在死区之内，运算放大器的输出电压减小至无法驱动开关管的开通，电压均衡过程结束。

本发明在独立于单体电压均衡电路的电压保护电路内部设有一个电压检测模块，能快速准确地检测串联超级电容器组的总电压，可以根据超级电容器单体的额定工作电压范围设定串联超级电容器组的电压保护门限值，当串联超级电容器组发生过充或过放的情况，电压保护电路能够将超级电容器组与充电电源或放电负载断开。

本发明与现有技术相比，优点在于：

1.解决了超级电容器电压均衡电路的功耗问题，在保证单体超级电容器之间电压均衡的前提下，运算放大器进入待机模式，其本身的功耗大大降低，而且由于开关管停止工作，进一步降低了电路的损耗。

2.独立于超级电容器电压均衡电路的电压保护电路，有效地防止了串联超级电容器组发生过充和过放的现象。

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，一个串联的超级电容器组中的四个单体超级电容器400，401、402和403，电压均衡电路711、712和713对应接到相邻的两个超级电容器，其中，第二电压均衡电路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，第三引出端203接到第二超级电容器402的负端a3。也就是相邻的两个超级电容器402和403的中点，均衡电路711及713的接法与此相同。

第一电压均衡电路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，也就是相邻两只超级电容器401和402的中点。

第三电压均衡电路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。也就是相邻两只超级电容器401和402的中点。第二引出端302接至第二超级电容器402的负端a3，也就是相邻的两个超级电容器402和403的中点，第三引出端303接到第三超级电容器403的负端a4。

电压保护电路511连接在串联超级电容器组两端，准确测量串联超级电容器组的总电压。当出现过充的情况，即串联超级电容器组的总电压超过储能系统设定的电压上限，电压保护电路511切断充电电源；当出现过放的情况，即串联超级电容器组的总电压低于储能系统设定的电压下限，电压保护电路511将超级电容器组与负载断开。达到保护超级电容器组的目的。

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的一种实施例。如图2所示，电压均衡电路712由分压电路501，运算放大器901，死区控制电路502，开关管611、612和功率电阻615构成。两个等值的电阻708和709构成一个分压电路501，分压电路501跨接在相邻两个待均衡的超级电容器401和402两端，分压电路501的第一电阻708的上端接到第一超级电容器401的正端a1，分压电路501的第二电阻709的下端接到第二超级电容器402的负端a3。分压电路501的中点电压值就是两只超级电容器401和402的电压平均值，该平均电压值输出至运算放大器901的同相输入端，作为参考电压。以第二超级电容器402的负端a3为电压参考点，则相邻两只超级电容器401和402的中点a2的电压，即是第二超级电容器402的电压值，经过一个死区控制电路502，输入运算放大器901的反相输入端，作为输入电压。

开关管612和611可以是但不限于三极管、MOS管。本实施例以三极管为例。开关管三极管612和611的基极共同接到运算放大器901的输出端，第一开关三极管612的集电极接到第一超级电容器401的正端a1，发射极与第二开关三极管611的发射极相接，然后再与电阻615相接，而电阻615的另一端与相邻的两个超级电容器401和402的连接中点a2相接。第二开关三极管611的集电极接到第二超级电容器402的负端a3。

运算放大器901的输入电压与参考电压的差值超过死区控制电路502设置的电压范围，电压均衡电路712开始均衡相邻两只超级电容器401和402的电压。其中，当运算放大器901输出高电平，表明第二超级电容器402的电压小于两只超级电容器401和402的电压平均值，则第二超级电容器402的电压小于第一超级电容器401的电压。第一开关三极管612开通，第二开关三极管611关断。第一超级电容器401和功率电阻615串联放电，电压减少，直至运算放大器901的输入电压与参考电压的差值进入死区控制电路502设置的电压范围，运算放大器901在死区控制电路502的控制下输出电压减小，不能再驱动第一开关三极管612的导通，则电压均衡电路712停止工作，进入待机低功耗模式；当运算放大器901输出低电平，表明第二超级电容器402的电压大于两只超级电容器401和402的电压平均值，则第二超级电容器402的电压大于第一超级电容器401的电压。第二开关三极管611开通，第一开关三极管612关断。第二超级电容器402和功率电阻615串联放电，电压减小，直至运算放大器901的输入电压与参考电压的差值进入死区控制电路502设置的电压范围，运算放大器901在死区控制电路502的控制下输出电压减小，不能再驱动开关三极管611的导通，则电压均衡电路712停止工作，进入待机低功耗模式。

死区控制电路502由两只电阻613和614组成，死区控制电路502的第一电阻613的一端接到运算放大器901的输出端，第一电阻613的另一端接到运算放大器901的反相输入端。第二电阻614的一端接到运算放大器901的反相输入端，第二电阻614的另一端接到相邻的两个超级电容器401和402的连接中点a2。改变这两只电阻的大小即可以改变死区的大小。该死区可以确定在毫伏的数量级，允许相邻两只超级电容器的电压有较小的差别。根据图2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的电压均衡电路，电路参数如表1所示，根据下表的设计，死区控制在50mv左右。

表1实验电路参数

电路参数
		超级电容器401，402分压电阻708，709死区电阻613死区电阻614	6000F，1.5v超级电容器100K欧姆100K欧姆200欧姆

运算放大器901开关三极管612，613电阻615

1.5mA供电电流的低电压运放8050，855010欧姆，1瓦

图3具体描述了电压均衡电路712的另一种实施例。如图3所示，两个等值的电阻708和709构成一个分压电路501，跨接在相邻两个待均衡的超级电容器401和402两端，分压电路501的第一电阻708的上端接到第一超级电容器401的正端a1，分压电路501的第二电阻709的下端接到第二超级电容器402的负端a3。分压电路501的中点电压值就是两只超级电容器401和402的电压平均值，该平均电压值输出至运算放大器901的同相输入端，作为参考电压。以a3为电压参考点，则相邻两只超级电容器401和402的中点a2的电压，即是第二超级电容器402的电压值，经过一个死区控制电路502，输入运算放大器901的反相输入端，作为输入电压。

开关管612和611的基极共同接到运算放大器901的输出端，第一开关三极管612的集电极接到第一超级电容器401的正端a1，发射极与第二开关三极管611的集电极相接，然后再与电阻615相接，而电阻615的另一端与相邻的两个超级电容器401和402的连接中点a2相接。第二开关三极管611的集电极接到第二超级电容器402的负端a3。

窗口比较电路701的输出端接到运算放大电路901的使能端m1，下拉电阻710跨接在窗口比较电路701的输出端和第二超级电容器402的负端a3。

窗口比较电路701是这样构成的：电阻702和705构成一个分压电路，其分压输出至运算放大器902的反相输入端，作为上门限电压值。与此相同，电阻703和704也构成一个分压电路，其分压输出至运算放大器903的同相输入端，作为下门限电压值。运算放大器902的同相输入端和运算放大器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a2相连，以端点a3为电压参考点，则中点a2的电压就是超级电容器402的电压。

中点a2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712工作。比如，当中点a2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，运算放大器901正常工作，输出高电平或者低电平，驱动开关三极管612和611中的任意一只导通，将相邻两只超级电容器401和402中的电压高者和功率电阻615串联放电，从而减小这只超级电容器的电压，使相邻两只超级电容器401和402的电压趋向于均衡。

当中点a2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，该低电平作用于运算放大器901的使能端m1，使其输出为高阻状态，无法驱动开关三极管612和611中任何一只的导通，所以电压均衡电路712进入待机模式。

为了使电阻分压电路的损耗尽量小，电阻702、703、704和705应尽量大。保证电阻分压电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 $[(V_{401}+V_{402})\frac{R_{704}}{R_{702}+R_{704}},(V_{401}+V_{402})\frac{R_{705}}{R_{702}+R_{705}}],$ 那么，使用者可以根据设计允许的超级电容器的单体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 $\frac{R_{705}}{R_{702}}=\frac{41}{39}.$

Claims (5)

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(712)具有三个引出端，第一引出端(201)接在第一超级电容器(401)的正极a1、第二引出端(202)接在相邻两只超级电容器(401、402)的中点a2，第三引出端(203)接在第二超级电容器(402)的负极a3；当相邻两只超级电容器(401、402)电压的差值超出设定范围，电压均衡电路(712)使这两只超级电容器(401、402)中的电压高者放电，使两只超级电容器(401、402)的电压趋于近似；当相邻两只超级电容器(401、402)电压的差值在设定范围之内，电压均衡电路(712)停止工作；电压保护电路(511)准确测量串联超级电容器组的总电压；当出现过充情况，电压保护电路(511)切断充电电源；当串联超级电容器组出现过放情况，电压保护电路(511)将超级电容器组与负载断开。

2.根据权利要求1所述的电压均衡电路，其特征在于：该电压均衡电路(712)由分压电路(501)，运算放大器(901)，死区控制电路(502)，开关管(611、612)和功率电阻(615)构成；两只阻值相等的电阻(708、709)构成一个分压电路(501)，分压电路(501)跨接于相邻两只超级电容器(401、402)，这两只超级电容器(401、402)的电压平均值作为参考电压输入运算放大器(901)的同相输入端，以第二超级电容器(402)的负极a3为电压参考点，第二超级电容器(402)的电压，即相邻两只超级电容器(401、402)的中点a2的电压作为输入电压，经过死区控制电路(502)输入运算放大器(901)的反相输入端；将输入电压和参考电压相比较，当相邻两只超级电容器(401、402)电压的差值在设定范围之外，则电压均衡电路(712)通过运算放大器(901)和开关管(611、612)，把相邻两只超级电容器(401、402)中的电压高者与功率电阻(615)串联放电，使其电压减小，直至相邻两只超级电容器(401、402)电压的差值进入设定范围之内。

3.根据权利要求2所述的电压均衡电路，其特征在于：当相邻两只超级电容器(401、402)的电压差值在设定范围之内，由电阻(613、614)组成死区控制电路(502)控制运算放大器(901)降低输出电压，无法驱动第一开关三极管(612)或第二开关三极管(611)的开通；死区控制电路(502)的第一电阻(613)的一端接到运算放大器(901)的输出端，第一电阻(613)的另一端接到运算放大器(901)的反相输入端；第二电阻(614)的一端接到运算放大器(901)的反相输入端，第二电阻(614)的另一端接到两只超级电容器(401、402)的中点a2。

4.根据权利要求2所述的电压均衡电路，其特征在于：窗口比较电路(701)的输出信号输入到运算放大器(901)的使能端，当相邻两只超级电容器(401、402)电压的差值在设定范围之内，窗口比较电路(701)输出低电平信号，运算放大器(701)进入待机模式；当相邻两只超级电容器(401、402)电压的差值在设定范围之外，窗口比较电路(701)输出高电平信号，运算放大器(901)正常工作。

5.根据权利要求4所述的窗口比较电路(701)，其特征在于：第一电阻(702)和第四电阻(705)构成一个分压电路，该分压电路的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；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)和第二超级电容器(402)的中点a2相连，该第一超级电容器(401)和第二超级电容器(402)的中点a2的电压作为窗口比较电路(701)的输入电压。

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