CN101917122A - 均压模块、带有均压模块的串联超级电容器组 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种均压模块、带有均压模块的串联超级电容器组。均压模块包括：控制电路、开关器件T、高频升压变压器B和整流管D，高频变压器B包括一个一次侧绕组与一个二次侧绕组，控制电路包括两个状态检测接口和一个驱动端口；高频变压器B的一次侧异名端与开关器件T的D极连接；开关器件T的G极与控制电路的驱动端口连接；控制电路的两个状态检测接口分别接于高频变压器B的一次侧同名端和开关器件T的S极；高频变压器B的二次侧异名端与整流管D阴极连接。本发明通过均压模块实时检测所接的超级电容器电压，当某个超级电容器电压过高时，均压模块将把给该超级电容器的充电能量回馈给充电电源。

Description

均压模块、带有均压模块的串联超级电容器组

技术领域

本发明涉及超级电容技术领域，更具体地涉及一种均压模块、带有均压模块的串联超级电容器组。

背景技术

超级电容器(supercapacitor)，是利用双电层原理直接储存电能的新型储能元件，也称双层电容器(Double-layercapacitor)和电化学电容器(Electrochemicalcapacitors)。超级电容器容量可达数万法拉，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，所以超级电容器作为瞬时、高功率储能器件目前已经在电力机车启动，备份电源等场合得到了广泛应用。

但是，由于单个的超级电容器(以下简称单体)的耐压低(典型值为2.7V)，所以在实际应用中常需要数只甚至数百只串联构成所需耐压的电容器组。因为单体参数的分散性，所以串联下单体电压不能均分，在充电时，其充电单体峰值电压很容易超过其耐压允许值。单体电压工作在过电压状态将缩短超级电容器的寿命，严重时可能发生爆炸。因此，必须解决超级电容器在串联应用时充放电条件下的单体电压均压问题，这样才能使超级电容器组的可靠性、稳定、安全运行。

目前超级电容器均压方法种类繁多，但都存在有许多问题，比如均压设备损耗大、实用性差、接线复杂、不易扩充等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种均压模块、带有均压模块的串联超级电容器组。

第一方面，本发明公开了一种均压模块，包括：控制电路、开关器件T、高频升压变压器B和整流管D，其中，所述高频变压器B包括一个一次侧绕组与一个二次侧绕组，所述控制电路包括两个状态检测接口和一个驱动端口；所述高频变压器B的一次侧异名端与所述开关器件T的D极连接；所述开关器件T的G极与所述控制电路的驱动端口连接；所述控制电路的两个状态检测接口分别接于所述高频变压器B的一次侧同名端和所述开关器件T的S极；所述高频变压器B的二次侧异名端与所述整流管D阴极连接。

上述均压模块，优选所述开关器件T为电力场效应管MOSFET、电力晶体管GTR或绝缘栅双极晶体管IGBT的半导体开关管。

上述均压模块，优选所述高频升压变压器B的一次侧和二次侧的变比由所述超级电容器组中所超级电容器个数来确定。

上述均压模块，优选所述整流管D为肖特基二极管。

第二方面本发明公开了一种带有均压模块的串联超级电容器组，所述串联超级电容器组包括至少两个串联的超级电容器，所述超级电容器组的正极连接于充电电源的正极，所述超级电容器组的阴极连接于于充电电源的负极；并且，每一超级电容器对应有一个均压模块，所述均压模块并联于与之对应的超级电容器的两端；该 均压模块包括：控制电路、开关器件T、高频升压变压器B和整流管D，其中，所述高频变压器B包括一个一次侧绕组与一个二次侧绕组，所述控制电路包括两个状态检测接口和一个驱动端口；所述高频变压器B的一次侧同名端与其对应的超级电容器正极连接，所述高频变压器B的一次侧异名端与所述开关器件T的D极连接，所述开关器件T的S极与其对应的超级电容器负极连接；所述开关器件T的G极与所述控制电路的驱动端口连接；所述控制电路的两个状态检测接口分别接于所述高频变压器B的一次侧同名端和所述开关器件T的S极；所述高频变压器B的二次侧异名端与所述整流管D阴极连接；所述整流管D的阳极接于所述超级电容器组的阳极，所述高频变压器B的二次侧的同名端接于所述超级电容器组的阴极。

上述串联超级电容器组，优选所述开关器件T为半导体开关管，所述半导体开关管为电力场效应管MOSFET、电力晶体管GTR或绝缘栅双极晶体管IGBT的半导体开关管。

上述串联超级电容器组，优选所述高频升压变压器B的一次侧和二次侧的变比由所述超级电容器组中所超级电容器个数来确定。

上述串联超级电容器组，优选所述整流管D为肖特基二极管。

本发明通过均压模块实时检测所接的超级电容器电压，当某个超级电容器电压过高时，均压模块将把给该超级电容器的充电能量回馈给充电电源。

附图说明

图1为n个超级电容器组成一个串联的超级电容器组的均压电路拓扑结构图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明串联超级电容器组均压模块包括：控制电路、开关器件T、高频升压变压器B和整流管D。

如图1所示均压模块1，超级电容器C1正极接所述高频变压器B的一次侧同名端(加·端)，所述高频变压器B的一次侧异名端(不加·端)与所述开关器件T的D极连接，所述开关器件T的S极与所述超级电容器C1负极连接；所述开关器件T的G极与所述控制电路的驱动端连接；所述控制电路的两个状态检测接口分别接于所述高频变压器B的一次侧同名端(加·端)和所述开关器件T的S极。所述高频变压器B的二次侧异名端(不加·端)与所述整流管D阴极连接，所述整流管D的阳极接于超级电容器组的阳极，所述高频变压器B的二次侧的同名端(加·端)接于超级电容器组的阴极。

其中，均压模块为四端口网络，1、2端口接于某个超级电容器的正、负极，3、4端口接于超级电容器组的正、负极。所述均压模块实时检测所接的超级电容器电压，当某个超级电容器电压过高时，接于该超级电容器的均压模块将把给该超级电容器的充电能量回馈给充电电源。

控制电路带有两个状态检测接口和一个驱动端口，两个状态检测接口分别接于超级电容器的正、负极，既可以为控制电路提供工作电源，又可以实时检测超级电容器电压。驱动端口接开关器件T的G极。控制电路通过检测超级电容器的电压来对超级电容器状态 作出判断，以控制开关器件T的工作状态。当所测超级电容器的端电压低于设定的门槛电压时(如2.7V)，控制电路控制开关器件T处于关断状态。如果所测超级电容器的端电压高于门槛电压，则控制电路控制开关器件T处于高频开关状态。通过控制驱动端口的脉冲频率和占空比来控制来高频变压器B一次侧到二次侧传输的能量。

开关器件T可以为电力场效应管MOSFET、电力晶体管GTR、绝缘栅双极晶体管IGBT等半导体开关管。参数由实际超级电容器的电压、实际充电电流来确定。

高频升压变压器B的一次侧和二次侧的变比由实际超级电容器组的串联个数来确定。

整流管D为肖特基二极管，参数由实际超级电容器组的电压、实际充电电流来确定。

均压模块可用于两个及两个以上超级电容器串联构成的超级电容器组均压，均压方法是每个超级电容器上并联一个均压模块。

本发明的工作原理介绍如下：

如图1所示，为n个超级电容器组成一个串联的超级电容器组的均压电路拓扑结构图。以超级电容器C1以及均压模块1为例来说明。

均压模块1的1、2端口接于超级电容器C1的正、负极，3、4端口接于由n个超级电容器组成一个串联的超级电容器组的正、负极。当充电电源给串联的超级电容器组充电时，如果超级电容器C1的正、负极电压低于设定的门槛电压(比如2.7V)，也就是超级电容 器C1并没有充满的时候，控制电路控制开关器件T处于关断状态，充电电源提供的充电电流给超级电容器C1充电；如果控制电路检测到超级电容器C1的电压高于设定的门槛电压(比如2.7V)，则说明超级电容器C1已经充满，再继续充电可能造成超级电容器C1的损坏，这时控制电路控制开关器件T处于高频开关状态，将充电电源提供的充电能量回馈给充电电源。

高频变压器B为升压变压器。其作用是将一次侧的高频电压升压后，由二次侧输出，再经整流二极管D整流，整流后的直流电压加在充电电源上。

串联超级电容器组均压模块本质上相当于是单端反激式DC-DC转换电路。

以上对本发明所提供的一种均压模块、带有均压模块的串联超级电容器组进行详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的系统及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种均压模块，其特征在于，包括：控制电路、开关器件T、高频升压变压器B和整流管D，其中，

所述高频变压器B包括一个一次侧绕组与一个二次侧绕组，所述控制电路包括两个状态检测接口和一个驱动端口；

所述高频变压器B的一次侧异名端与所述开关器件T的D极连接；所述开关器件T的G极与所述控制电路的驱动端口连接；所述控制电路的两个状态检测接口分别接于所述高频变压器B的一次侧同名端和所述开关器件T的S极；所述高频变压器B的二次侧异名端与所述整流管D阴极连接。

2.根据权利要求1所述的均压模块，其特征在于，所述开关器件T为电力场效应管MOSFET、电力晶体管GTR或绝缘栅双极晶体管IGBT的半导体开关管。

3.根据权利要求2所述的均压模块，其特征在于，所述高频升压变压器B的一次侧和二次侧的变比由所述超级电容器组中所超级电容器个数来确定。

4.根据权利要求3所述的均压模块，其特征在于，所述整流管D为肖特基二极管。

5.一种带有均压模块的串联超级电容器组，其特征在于，

所述串联超级电容器组包括至少两个串联的超级电容器，所述超级电容器组的正极连接于充电电源的正极，所述超级电容器组的阴极连接于于充电电源的负极；并且，每一超级电容器对应有一个均压模块，所述均压模块并联于与之对应的超级电容器的两端；该均压模块包括：控制电路、开关器件T、高频升压变压器B和整流管D，其中，

所述高频变压器B包括一个一次侧绕组与一个二次侧绕组，所述控制电路包括两个状态检测接口和一个驱动端口；

所述高频变压器B的一次侧同名端与其对应的超级电容器正极连接，所述高频变压器B的一次侧异名端与所述开关器件T的D极连接，所述开关器件T的S极与其对应的超级电容器负极连接；所述开关器件T的G极与所述控制电路的驱动端口连接；所述控制电路的两个状态检测接口分别接于所述高频变压器B的一次侧同名端和所述开关器件T的S极；所述高频变压器B的二次侧异名端与所述整流管D阴极连接；

所述整流管D的阳极接于所述超级电容器组的阳极，所述高频变压器B的二次侧的同名端接于所述超级电容器组的阴极。

6.根据权利要求5所述的串联超级电容器组，其特征在于，所述开关器件T为半导体开关管，所述半导体开关管为电力场效应管MOSFET、电力晶体管GTR或绝缘栅双极晶体管IGBT的半导体开关管。

7.根据权利要求6所述的串联超级电容器组，其特征在于，所述高频升压变压器B的一次侧和二次侧的变比由所述超级电容器组中所超级电容器个数来确定。

8.根据权利要求7所述的串联超级电容器组，其特征在于，所述整流管D为肖特基二极管。

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