CN101714786A - 用于串联超级电容器组的电压均衡电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种串联超级电容器组用电压均衡电路，并联在串联超级电容器组中的每个单体超级电容器两端；电压均衡电路的第一引出端连接外部信号(600)，第二引出端接在串联超级电容器组的一个单体超级电容器的正端，第三引出端接在所述的单体超级电容器的负端。当需要消除由于长时间运行引起的超级电容器单体电压偏差时，通过外部信号使能该电压均衡电路，如果这时超级电容器单体电压大于该电压均衡电路的电压设定值，则进行放电，再通过控制外部充放电电路进行相应的充、放电动作，使得经过一段时间以后，任何一只超级电容器单体电压都等于该电压均衡电路的设定值，起到消除超级电容器单体历史累积电压偏差的目的。

Description

用于串联超级电容器组的电压均衡电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种电压均衡电路及其控制方法，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较低，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，从而获得更高的电压。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。电压均衡电路能够均衡模组内各单体的电压，从而减少单体过充和过放的概率，提高整个模组的可靠性和使用效率。

目前常用的电压均衡电路为开关电阻型平衡电路和两两比较型平衡电路。开关电阻型平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，当发生过电压时则闭合并联的电子进行放电，以防止发生过电压或减少过电压的概率。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成本低廉，使用方便，已被广泛使用。如美国授权专利US 200310214267 A1就属于这类技术。

两两比较型平衡电路，如美国公开专利US2003/0214267A1和美国授权专利S6806686B1，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。这种均衡电路的主要优点是不只是在发生过压时动作，在整个工作周期内都在工作，工作效率高；不只是能减少单体过充的概率，也能减少单体过放的概率。

这些平衡电路一个共同的缺点是随着工作时间的增加，单体间电压偏差的累积效应会削弱这些电压均衡电路的均衡效果，甚至会导致这些电压均衡电路失效。开关电阻型电压均衡电路随着工作时间的增加，由于超级电容器单体漏电流大小不同等原因，单体间电压偏差越来越大，平衡效果会大大降低；两两比较型电压均衡电路由于死区的存在，并由于电压平衡电路参数的偏差，随着工作时间的增加，单体间电压偏差也会出现累积现象，降低平衡效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提出一种串联超级电容器组用电压均衡电路，用以消除工作一定时间以后历史积累的各超级电容器间的电压偏差，以减少超级电容器单体过电压的概率，提高超级电容器组的可靠性。该电压均衡电路可以与已有的其它类型的电压均衡电路相配套使用，以大大提高已有电压均衡电路的均衡效果。

本发明所采用的技术方案是：每隔一定的工作周期，如一天，串联超级电容器组内的超级电容器单体累积了由于漏电流不同、电容器值偏差等造成的电压偏差。这些偏差的存在将很大程度上加重已有电压平衡电路的负担，甚至造成已有电压平衡电路失效。本发明的内容为每隔一定周期，在串联超级电容器组闲置、使用不频繁或在其它不影响正常工作的时机，进行一次消除超级电容器单体累积电压偏差的动作，以大大提高超级电容器单体的电压均衡度、防止超级电容器单体间电压偏差的长时间累积造成的过电压或者使用不充分、或者提高已有超级电容器均衡电路的均衡效果。在需要启动本发明电路进行均衡时，通过外部信号使能本发明的电压均衡电路，这时如果超级电容器单体电压大于本发明电压均衡电路的电压设定值，则进行放电，再通过控制外部充放电电路进行相应的充、放电动作，使得经过一段时间以后，每只超级电容器单体电压都等于所发明电压均衡电路的电压设定值，起到消除超级电容器单体历史累积电压偏差的目的。

本发明串联超级电容器组中的每个单体超级电容器两端均并联一个电压均衡电路；电压均衡电路具有三个引出端，第一引出端连接外部信号，第二引出端接在串联超级电容器组的单体超级电容器的正端，第三引出端接在所述的单体超级电容器的负端；外部充放电电路并联在所述的串联超级电容器组两端，并受外部信号控制；当外部控制信号为有效电平时，外部充放电电路开始充电或放电，电压均衡电路开始放电，经过一段时间以后，单体超级电容器两端的电压被维持在指定的电压值；当外部信号为无效电平时，外部充放电电路和电压均衡电路均不动作；当外部信号为有效电平时，经过一段时间，所述的串联超级电容组内的任何一只单体超级电容器两端的电压均被维持在一个相同的电压值，从而达到电压均衡的目的。

每隔一段时间将串联超级电容器组内的所有超级电容器单体都放电到零电压也是一种消除历史累计电压偏差的方法。这时，本发明电压均衡电路仅为一反并联二极管。需要动作时只需控制外部充放电电路进行放电即可，经过一段时间，每只超级电容器单体的电压都会到达零电压，起到消除历史累积电压偏差的目的。

事实上，本发明通过外部控制信号控制本发明电压均衡电路在一定时间内起作用，是为了防止在不需要进行消除历史累积电压偏差时产生误动作，所以为本发明电压均衡电路增加了一“使能信号”。但如果在一定情况下设定所发明电压均衡电路中的动作电压大于或等于正常工作时超级电容器单体的最高工作电压，则所发明电压均衡电路不再需要这一“使能信号”，因为正常情况下它不影响超级电容器组的正常工作。当需要进行消除历史累积电压偏差时，只需控制外部充电电路进行充电，使得任何一只超级电容器电压均达到所发明电压均衡电路的动作电压即可。

本发明与现有技术相比，优点在于：

1.解决了串联超级电容器组内超级电容器单体累积电压偏差的消除问题，这是所有现有技术无法解决的。已有开关电阻型电压均衡电路随着工作时间的增加，由于超级电容器单体漏电流大小不同等原因，单体间电压偏差增大，平衡效果大大降低；两两比较型电压均衡电路由于死区的存在，并由于电压平衡电路参数的偏差，随着工作时间的增加，单体间电压偏差会出现累积现象，降低平衡效果。

2.由于不需要进行两两比较，所发明电压均衡电路适宜于串联超级电容器单体数目非常大的场合。

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；

图4为本发明的另一个具体实施例；

图5为本发明的另一个具体实施例；

图6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三个单体超级电容器501、502和503，超级电容器502的正端接超级电容器501的负端，超级电容器503的正端接超级电容器502的负端，电压均衡电路401、402和403分别用于均衡单体超级电容器501、502和503。其中，第一电压均衡电路401用于均衡第一单体超级电容器501，第一引出端101连接外部控制信号600，第二引出端102接至第一超级电容器501的正端，第三个引出端103接到第一超级电容器501的负端。第二、第三电压均衡电路402及403与所均衡的单体超级电容器502和503的连接方法与此相同。

外部充放电电路700连接在串联超级电容器组两端，并受外部信号600控制；当需要进行消除单体超级电容器的累积电压偏差时，在外部信号600的控制下，配合电压均衡电路401、402、403等的工作进行相应的充放电控制，以实现串联超级电容器组内单体超级电容器的均衡：

当外部控制信号600为有效电平时，可以定义为高电平或低电平，外部充放电电路700开始充电或放电，第一电压均衡电路401开始放电，经过一段时间以后，第一单体超级电容器501两端的电压被维持在指定的电压值；当外部信号600为无效电平时，外部充放电电路700和第一电压均衡电路401均不动作。串联超级电容器组内的第二单体超级电容器502两端均并联该电压均衡电路402，第三单体超级电容器503两端并联电压均衡电路403，当外部信号600为有效电平时，经过一段时间，串联超级电容组内的任何一只超级电容器两端的电压均被维持在一个相同的电压值，从而达到电压均衡的目的。

本发明安装简便，易于维护，成本低廉，特别适用于大功率的场合。本发明不仅适用于串联超级电容器组的电压均衡，也适用于电解电容、蓄电池等组成的串联模组的电压均衡。

图2描述了电压均衡电路402的一种实施例，但不限于本实施例。如图2所示，该并联在第二单体超级电容器502两端的电压均衡电路402由电压检测电路601，与逻辑电路602，功率开关管驱动电路603，功率开关管604和功率电阻605构成；电压检测电路601可以由专门的集成电路组成，如NCP301LSN30T1等，也可以由多个单立元器件组合而成；功率开关管驱动电路603可以由专门的集成电路芯片组成，也可以由多个单立元器件组合而成。功率开关管驱动电路603有时还包含滞环电路，以抑制功率开关管604的频繁闭合和断开。功率开关管604可以是晶体三极管、也可以是绝缘门极双极型晶体管IGBT、绝缘栅型场效应管MOSFET等电力电子开关管，也可以是多个功率开关管组成的开关电路，如推挽电路等。电压检测电路601垮接在第二单体超级电容器502两端，当第二单体超级电容器502电压大于电压检测电路601的设定值时，电压检测电路601输出端606输出高电平，当第二单体超级电容器502电压小于或等于其设定值时，输出低电平。电压检测电路601输出端606与外部控制信号600通过与逻辑电路602相与后，与逻辑电路602输出端连接功率开关管驱动电路603的输入端；功率开关管驱动电路603输出端连接功率开关管604。当串联超级电容器组需要进行均衡时，外部信号600置高电平；这时控制外部充放电电路700以较小的电流充电，直到串联超级电容器组的每只单体超级电容器电压都达到其所并联电压均衡电路中所含电压检测电路的设定值；如果某只超级电容器电压超过了其并联电压均衡电路402中电压检测电路601的设定值，则开关管604导通，并通过功率电阻605放电；由于外部充放电电路700的充电电流值小于此时流过功率电阻605的电流值，不会出现单只单体超级电容器电压大于其并联电压均衡电路402中电压检测电路601设定值的情况，达到电压均衡的目的。当需要进行均衡时，如果这时已知串联超级电容器组内的每只单体超级电容器的电压均大于其并联电压均衡电路402中电压检测电路601的设定值，这时只需将外部信号600置高电平，不需启动外部充放电电路700进行充电。

图3描述了图2电压均衡电路402的一种具体实现方式，但不限于本实现方式。如图3所示，与逻辑电路602由第一、二两个二极管621、622组成，其中，第一二极管621的负端连接电压检测电路601的输出端606，第一二极管621的正端与第二二极管622的正端相连，并连接功率开关管驱动电路603的输入端625。第二二极管622的负端连接外部信号600。功率开关管驱动电路603由第一电阻623和第二电阻624组成。第一电阻623的一端连接第二单体超级电容器502的正端，第一电阻623的另一端连接第二电阻624，并与功率开关管驱动电路603的输入端625相连。第二电阻624的一端连接功率开关管驱动电路603的输入端625，另一端连接功率开关管驱动电路603的输出端626。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的电压均衡电路，电路参数如表1所示。

表1实验电路参数

图4具体描述了电压均衡电路402的另一种实施例，但不限于本实施例。如图4所示，该电压均衡电路402由第三二极管607组成。第三二极管607的正端接超级电容器502的负端，第三二极管607的负端接超级电容器502的正端。当需要进行均衡时，外部信号600置高电平；在外面信号600控制下，外部充放电电路700进行放电，直到串联超级电容器组电压到零；第三二极管607起到防止第二单体超级电容器502被反向充电的作用，这时，当串联超级电容器组电压为零时，其中各个超级电容器单体电压均为零，达到电压均衡的目的，即将所有超级电容器电压都放到零，以消除历史累积电压偏差。

图5具体描述了电压均衡电路402的另一种实施例，但不限于本实施例。如图5所示，该电压均衡电路402由电压检测电路601，功率开关管驱动电路613，功率开关管614和功率电阻615构成；电压检测电路601可以由专门的集成电路组成，如NCP301LSN30T1等，也可以由多个单立元器件组合而成，如分压电路和比较电路等组成；功率开关管614可以是晶体三极管、也可以是绝缘门极双极型晶体管IGBT、绝缘栅型场效应管MOSFET等电力电子开关管，也可以是多个功率开关管组成的开关电路，如推挽电路等。电压检测电路601垮接在超级电容器502两端，当超级电容器502电压大于其设定值时，其输出端606输出高电平，否则输出低电平。电压检测电路601输出端606连接功率开关管驱动电路613的输入端；功率开关管驱动电路613连接功率开关管614。当需要进行均衡时，外部信号600置高电平；这时控制外部充放电电路700以较小的电流充电，直到每只超级电容器电压都达到其并联电压均衡电路402中电压检测电路601的设定值；如果某只超级电容器电压超过了其并联电压均衡电路402中电压检测电路601的设定值，则开关管614会导通，并通过功率电阻615放电；由于外部充放电电路700的充电电流值小于此时流过功率电阻615的电流值，不会出现单只超级电容器电压大于其并联电压均衡电路402中电压检测电路601设定值的情况，达到电压均衡的目的。当需要进行均衡时，如果这时已知串联超级电容器组内的每只超级电容器的电压均大于其并联电压均衡电路402中电压检测电路601的设定值，这时不需启动外部充放电电路700进行充电。

图6描述了图5电压均衡电路402的一种具体实现方式，但不限于本实现方式。如图6所示，功率开关管驱动电路613由第三电阻633和第四电阻634组成。第三电阻633的一端连接第二单体超级电容器502的正端，另一端连接电阻634，并与电压检测电路601的输出端606相连。第四电阻634的一端连接电压检测电路601的输出端606，另一端连接功率开关管驱动电路613的输出端636。根据图6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2所示。

表2实验电路参数

Claims (10)

1.一种串联超级电容器组用电压均衡电路，其特征在于：所述的电压均衡电路并联在所述的串联超级电容器组中的每个单体超级电容器两端；第一电压均衡电路(401)具有三个引出端，第一引出端(101)连接外部信号(600)，第二引出端(102)接在串联超级电容器组的第一单体超级电容器(501)的正端，第三引出端(103)接在所述的第一单体超级电容器(501)的负端；外部充放电电路(700)并联在所述的串联超级电容器组两端，并受外部信号(600)控制；当外部控制信号(600)为有效电平时，外部充放电电路(700)开始充电或放电，第一电压均衡电路(401)开始放电，经过一段时间以后，第一单体超级电容器(501)两端的电压被维持在指定的电压值；当外部信号(600)为无效电平时，外部充放电电路(700)和第一电压均衡电路(401)均不动作；当外部信号(600)为有效电平时，经过一段时间，所述的串联超级电容组内的任何一只单体超级电容器两端的电压均被维持在一个相同的电压值，从而达到电压均衡的目的。

2.根据权利要求1所述的电压均衡电路，其特征在于：所述的电压均衡电路(402)由电压检测电路(601)，与逻辑电路(602)，功率开关管驱动电路(603)，功率开关管(604)和功率电阻(605)构成；电压检测电路(601)垮接在超级电容器(502)两端，当超级电容器(502)的电压大于其设定值时，电压检测电路(601)的输出端(606)输出高电平，当超级电容器(502)的电压小于或等于其设定值时，电压检测电路(601)的输出端(606)输出低电平；电压检测电路(601)输出端(606)与外部控制信号(600)通过与逻辑电路(602)相与后，与逻辑电路(602)的输出端连接功率开关管驱动电路(603)的输入端；功率开关管驱动电路(603)连接功率开关管(604)。

3.根据权利要求2所述的电压均衡电路，其特征在于所述的电压均衡电路(402)的控制方法如下：当需要对串联超级电容器组进行均衡时，外部信号(600)置高电平；这时所述的电压均衡电路(402)控制外部充放电电路(700)以较小的电流进行充电，直到串联超级电容器组内的每只单体超级电容器电压都达到所述的电压检测电路(601)的设定值；如果串联超级电容器组中的某只单体超级电容器电压超过了所述的电压检测电路(601)的设定值，则开关管(604)会导通，并通过功率电阻(605)放电；如果这时已知串联超级电容器组内的每只单体超级电容器的电压均大于所述的电压检测电路(601)的设定值，这时只需将外部信号(600)置高电平，不需启动外部充放电电路(700)进行充电，或者不需配置外部充放电电路(700)。

4.根据权利要求2所述的电压均衡电路，其特征在于所述的与逻辑电路(602)由第一、第二二极管(621、622)组成；第一二极管(621)的负端连接电压检测电路(601)的输出端(606)，第一二极管(621)的正端与第二二极管(622)的正端相连，并连接功率开关管驱动电路(603)的输入端(625)；第二二极管(622)的负端连接外部信号(600)；功率开关管驱动电路(603)由第一电阻(623)和第二电阻(624)组成。第一电阻(623)的一端连接超级电容器(502)的正端，第一电阻(623)的另一端连接第二电阻(624)，并与功率开关管驱动电路(603)的输入端(625)相连；第二电阻(624)的一端连接功率开关管驱动电路(603)的输入端(625)，第二电阻(624)的另一端连接功率开关管驱动电路(603)的输出端(626)。

5.根据权利要求1所述的电压均衡电路，其特征在于：所述的电压均衡电路(402)或者由第三二极管(607)组成，第三二极管(607)的正端接第二单体超级电容器(502)的负端，第三二极管(607)的负端接第二单体超级电容器(502)的正端；当需要对串联超级电容器组进行均衡时，外部信号(600)置高电平；在外部信号(600)控制下，外部充放电电路(700)进行放电，直到串联超级电容器组电压为零；二极管(607)起到防止超级电容器(502)被反向充电的作用，这时，当串联超级电容器组电压为零时，串联超级电容器组内的各个单体超级电容器电压均为零，达到电压均衡的目的。

6.根据权利要求1所述的电压均衡电路，其特征在于：所述的电压均衡电路(402)或者由电压检测电路(601)，功率开关管驱动电路(613)，功率开关管(614)和功率电阻(615)构成；电压检测电路(601)垮接在第二单体超级电容器(502)两端，当第二单体超级电容器(502)电压大于其设定值时，电压检测电路(601)的输出端(606)输出高电平，当第二单体超级电容器(502)电压小于或等于其设定值时，电压检测电路(601)的输出端(606)输出低电平；电压检测电路(601)输出端(606)连接功率开关管驱动电路(613)的输入端；功率开关管驱动电路(613)输出连接功率开关管(614)。

7.根据权利要求6所述的电压均衡电路，其特征在于所述的功率开关管驱动电路(613)由第三电阻(633)和第四电阻(634)组成，第三电阻(633)的一端连接第二单体超级电容器(502)的正端，第三电阻(633)的另一端连接第四电阻(634)，并与电压检测电路(601)的输出端(606)相连；第四电阻(634)的一端连接电压检测电路(601)的输出端(606)，第四电阻(634)的另一端连接功率开关管驱动电路(613)的输出端(636)。

8.根据权利要求6所述的电压均衡电路，其特征在于所述的电压均衡电路(402)的控制方法如下：当需要对串联超级电容器组进行均衡时，外部信号(600)置高电平；这时控制外部充放电电路(700)以较小的电流充电，直到串联超级电容器组的每只单体超级电容器电压都达到所述的电压检测电路(601)的设定值；如果某只单体超级电容器电压超过了所述的电压检测电路(601)的设定值，则开关管(614)导通，并通过功率电阻(615)放电；如果这时已知串联超级电容器组内的每只单体超级电容器的电压均大于所述的电压检测电路(601)的设定值，这时不需启动外部充放电电路(700)进行充电，或者无需配置外部充放电电路(700)。

9.根据权利要求1所述的电压均衡电路，其特征在于：外部充放电电路(700)是专门配置的用作电压均衡的充放电电路，或者与并联在串联超级电容器组两端的其它电路进行复用。

10.根据权利要求1所述的电压均衡电路，其特征在于：电压均衡电路(402)是专门配置的用作电压均衡的电路，或与并联在第二单体超级电容器(502)两端的其它电路进行复用。

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