CN102354621A - 超级电容器电压均衡电路、单级和二级超级电容器模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超级电容器电压均衡电路、单级和二级超级电容器模块，其中，超级电容器电压均衡电路包括两个运算放大器和两个N沟道增强型MOS管；单级超级电容器模块包括所述超级电容器电压均衡电路、两个超级电容器和四个分压电阻；二级超级电容器模块包括两个所述单级超级电容器模块以及所述超级电容器电压均衡电路。本发明不仅解决了单体超级电容器之间的电压均衡的问题，使得容量相对小的超级电容器性能变得稳定，还提高了超级电容器的储能量，其具有设计科学、实用性强、性能稳定的优点。
Description
技术领域
本发明涉及蓄电装置领域，具体的说，涉及了一种超级电容器电压均衡电路、单级和二级超级电容器模块。
背景技术
目前，被大量使用的蓄电装置主要是铅酸电池、镍镉电池，以及近年来迅速发展起来的镍氢电池和锂离子电池。随着人们对储能产品的性能需求越来越高，以及对环境质量的要求越来越高，现用的蓄电装置所暴露出的问题越来越突出，其中，尤其突出的问题是蓄电装置使用寿命短和重金属污染物的回收处理问题。
超级电容器，也就是电化学双层电容，是近几年才发展起来的一种专门用于储能的特种电容器，是介于传统物理电容器和电池特性之间的一种新型储能器件。与传统的电解电容器相比，超级电容器的储能密度高、漏电流小、充电时间短、循环使用寿命长，其反复充电使用的极限寿命可以达到10万次以上，可应用的领域非常广泛，而且其适用的温度范围也宽，是健康绿色环保型储能器件。
但是，由于超级电容器的单体电压比较低，其根本不能满足应用工况的电压需求。要想满足要求，就必须将多个单体超级电容器串联起来，可是单体超级电容器之间存在着差异，电压不能均衡地分配给每个单体超级电容器，这就会使得超级电容器的储能量明显下降，而且还会加速容量相对小的超级电容器的性能变坏。因此，采用适当的方法使每个单体超级电容器均能达到额定电压并且不产生过压现象，是将超级电容器作为储能装置必须解决的问题。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种设计科学、实用性强、性能稳定的超级电容器电压均衡电路，还提供了一种单级超级电容器模块和一种二级超级电容器模块。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种超级电容器电压均衡电路，它包括有两个运算放大器和两个N沟道增强型MOS管；其中，第一N沟道增强型MOS管的栅极连接第一运算放大器的输出端，第二N沟道增强型MOS管的栅极连接第二运算放大器的输出端；第一运算放大器的反相输入端连接第二运算放大器的同相输入端，第二运算放大器的反相输入端连接第一运算放大器的同相输入端。
基于上述，第一N沟道增强型MOS管和第二N沟道增强型MOS管的漏极分别连接有一个限流电阻。
基于上述，一种单级超级电容器模块，它包括有所述超级电容器电压均衡电路、两个超级电容器和四个分压电阻；其中，第一超级电容器的一端接第一分压电阻的一端，第一分压电阻的另一端接第二分压电阻的一端，第二分压电阻的另一端接第一超级电容器的另一端，第二超级电容器的一端接第三分压电阻的一端，第三分压电阻的另一端接第四分压电阻的一端，第四分压电阻的另一端接第二超级电容器的另一端，第一超级电容器的另一端与第二超级电容器的一端相连；所述超级电容器电压均衡电路的第一运算放大器的同相输入端接到第一分压电阻和第二分压电阻之间，所述超级电容器电压均衡电路的第二运算放大器的同相输入端接到第三分压电阻和第四分压电阻之间；所述超级电容器电压均衡电路的第一N沟道增强型MOS管的漏极和源极分别连接到第一超级电容器的两端，所述超级电容器电压均衡电路的第二N沟道增强型MOS管的漏极和源极分别连接到第二超级电容器的两端；第一超级电容器的一端作为单级超级电容器模块的a引出端，第二超级电容器的另一端作为单级超级电容器模块的b引出端。
基于上述，一种二级超级电容器模块，它包括有所述超级电容器电压均衡电路和两个所述单级超级电容器模块，其中，第一单级超级电容器模块的b引出端连接第二单级超级电容器模块的a引出端；所述超级电容器电压均衡电路的第一运算放大器的同相输入端接到第一单级超级电容器模块的第二分压电阻和第三分压电阻之间，所述超级电容器电压均衡电路的第二运算放大器的同相输入端接到第二单级超级电容器模块的第二分压电阻和第三分压电阻之间；所述超级电容器电压均衡电路的第一N沟道增强型MOS管的漏极和源极分别连接到第一单级超级电容器模块的a引出端和b引出端，所述超级电容器电压均衡电路的第二N沟道增强型MOS管的漏极和源极分别连接到第二单级超级电容器模块的a引出端和b引出端。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著进步，具体的说，本发明通过设计超级电容器电压均衡电路，将超级电容器同设计的超级电容器电压均衡电路连接后封装，制成了能均衡电压的单级超级电容器模块和二级超级电容器模块，不仅解决了单体超级电容器之间的电压均衡的问题，使得容量相对小的超级电容器性能变得稳定，还提高了超级电容器的储能量；利用本发明可相应的组合成多级超级电容器模块，通过选取系列化额定电压的单体超级电容器，可制成系列化额定电压的单级超级电容器模块及多级超级电容器模块，非常适用于构建不同应用电压下的蓄电装置，而且还便于批量生产。本发明具有设计科学、实用性强、性能稳定的优点。
附图说明
图1是所述超级电容器电压均衡电路的电路原理图。
图2是所述单级超级电容器模块的电路原理图。
图3是所述二级超级电容器模块的电路原理图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1所示，一种超级电容器电压均衡电路P1，它包括有两个运算放大器A1和A2、两个带有漏极限流电阻的N沟道增强型MOS管T1和T2，其中所述N沟道增强型MOS管T1的栅极连接所述运算放大器A1的输出端，所述N沟道增强型MOS管T2的栅极连接所述运算放大器A2的输出端；所述运算放大器A1的反相输入端连接所述运算放大器A2的同相输入端，所述运算放大器A2的反相输入端连接所述运算放大器A1的同相输入端；第一N沟道增强型MOS管和第二N沟道增强型MOS管的漏极分别连接有一个限流电阻。
如图2所示，一种单级超级电容器模块C1，它包括有所述超级电容器电压均衡电路P1、两个超级电容器C11和C12、四个分压电阻R1-R4，所述超级电容器C11的一端接所述分压电阻R1的一端，所述分压电阻R1的另一端接所述分压电阻R2的一端，所述分压电阻R2的另一端接所述超级电容器C11的另一端，所述超级电容器C12的一端接所述分压电阻R3的一端，所述分压电阻R3的另一端接所述分压电阻R4的一端，所述分压电阻R4的另一端接所述超级电容器C12的另一端，所述超级电容器C11的另一端与所述超级电容器C12的一端相连；所述超级电容器电压均衡电路P1的运算放大器A1的同相输入端接到所述分压电阻R1和所述分压电阻R2之间，所述超级电容器电压均衡电路P1的运算放大器A2的同相输入端接到所述分压电阻R3和所述分压电阻R4之间；所述超级电容器电压均衡电路P1的N沟道增强型MOS管T1的漏极和源极分别连接到所述超级电容器C11的两端，所述超级电容器电压均衡电路P1的N沟道增强型MOS管T2的漏极和源极分别连接到所述超级电容器C12的两端；根据以上所述，所述超级电容器C11的一端作为单级超级电容器模块C1的a引出端，所述超级电容器C12的另一端作为单级超级电容器模块C1的b引出端。
如图3所示，一种二级超级电容器模块，它包括两个所述单级超级电容器模块C1、C2，以及所述超级电容器电压均衡电路P3，其中，所述单级超级电容器模块C2包括有所述超级电容器电压均衡电路P2、两个超级电容器C21和C22、四个分压电阻R5-R8，所述超级电容器电压均衡电路P2包括有两个运算放大器A3和A4、两个带有漏极限流电阻的N沟道增强型MOS管T3和T4, 所述超级电容器电压均衡电路P3包括有两个运算放大器A5和A6、两个带有漏极限流电阻的N沟道增强型MOS管T5和T6；
所述单级超级电容器模块C1的b引出端连接所述单级超级电容器模块C2的a引出端；所述超级电容器电压均衡电路P3的运算放大器A5的同相输入端接到所述单级超级电容器模块C1的分压电阻R2和分压电阻R3之间，所述超级电容器电压均衡电路P3的运算放大器A6的同相输入端接到所述单级超级电容器模块C2的分压电阻R6和分压电阻R7之间；所述超级电容器电压均衡电路P3的N沟道增强型MOS管T5的漏极和源极分别连接到所述单级超级电容器模块C1的a引出端和b引出端，所述超级电容器电压均衡电路P3的N沟道增强型MOS管T6的漏极和源极分别连接到所述单级超级电容器模块C2的a引出端和b引出端。
在所述单级超级电容器模块C1中，超级电容器C11的电压通过分压电阻R1与分压电阻R2串联分压后，分压电阻R2分得的电压分别送入运算放大器A1的同相输入端和运算放大器A2的反相输入端，超级电容器C12的电压通过分压电阻R3与分压电阻R4串联分压后，分压电阻R4分得的电压分别送入运算放大器A2的同相输入端和运算放大器A1的反相输入端，当分压电阻R4的分压值大于分压电阻R2的分压值时运算放大器A2输出高电位，N沟道增强型MOS管T2导通，其漏极电流随A2的输出电压升高而增大，这样使得充电电流经过N沟道增强型MOS管T2的漏、源极流向超级电容器C11，减缓或阻止了超级电容器C12电压的继续升高。反之，当分压电阻R4的分压值小于分压电阻R2的分压值时运算放大器A4输出高电位，N沟道增强型MOS管T1导通，其漏极电流随A1的输出电压升高而增大，这样使得充电电流经过N沟道增强型MOS管T1漏、源极流向超级电容器C12，减缓或阻止了超级电容器C11电压的继续升高。所述单级超级电容器C2的工作原理与所述单级超级电容器C1是一样的。
在所述二级电容器模块中，超级电容器C11与C12串联后的总电压通过分压电阻R1与分压电阻R2串联和分压电阻R3与分压电阻R4串联分压后，分压电阻R3与分压电阻R4串联分得的电压分别送入运算放大器A5的同相输入端和运算放大器A6的反相输入端；超级电容器C21与C22串联后的总电压通过分压电阻R5与分压电阻R6串联和分压电阻R7与分压电阻R8串联分压后，分压电阻R7与分压电阻R8串联分得的电压分别送入运算放大器A6的同相输入端和运算放大器A5的反相输入端，当分压电阻R3与分压电阻R4串联的分压值大于分压电阻R7与分压电阻R8串联分压值时，运算放大器A5输出高电位，N沟道增强型MOS管T5导通，其漏极电流随A5的输出电压升高而增大，这样使得充电电流经过N沟道增强型MOS管T5流向C21与C22，减缓或阻止了C11与C12电容电压的继续升高。反之，当分压电阻R7与分压电阻R8串联的分压值大于分压电阻R3与分压电阻R4串联分压值时，运算放大器A6输出高电位，N沟道增强型MOS管T6导通，其漏极电流随A6的输出电压升高而增大，这样使得充电电流经过N沟道增强型MOS管T6流向C11与C12，减缓或阻止了C21与C22电容电压的继续升高。
通过采用恒流转恒压的充电方法，即恒流充电电流为50A，恒流充电到9.5 V时转恒压充电，证明了本发明具有很好的均压效果，在整个充电时间内，单体超级电容器的最大偏压差约为0.1V，均衡速度较快，有效避免了单体超级电容器过压的情况的发生，同时还提高了整体电容器的储能水平。本发明不仅可做成单级超级电容器模块、二级超级电容器模块，还可通过单级超级电容器模块、二级超级电容器模块和所述超级电容器电压均衡电路的有效组合，制成多级超级电容器模块。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (4)
1.一种超级电容器电压均衡电路，其特征在于：它包括有两个运算放大器和两个N沟道增强型MOS管；其中，第一N沟道增强型MOS管的栅极连接第一运算放大器的输出端，第二N沟道增强型MOS管的栅极连接第二运算放大器的输出端；第一运算放大器的反相输入端连接第二运算放大器的同相输入端，第二运算放大器的反相输入端连接第一运算放大器的同相输入端。
2.根据权利要求1所述的超级电容器电压均衡电路，其特征在于：第一N沟道增强型MOS管和第二N沟道增强型MOS管的漏极分别连接有一个限流电阻。
3.一种单级超级电容器模块，其特征在于：它包括有权利要求1所述的超级电容器电压均衡电路、两个超级电容器和四个分压电阻；其中，第一超级电容器的一端接第一分压电阻的一端，第一分压电阻的另一端接第二分压电阻的一端，第二分压电阻的另一端接第一超级电容器的另一端，第二超级电容器的一端接第三分压电阻的一端，第三分压电阻的另一端接第四分压电阻的一端，第四分压电阻的另一端接第二超级电容器的另一端，第一超级电容器的另一端与第二超级电容器的一端相连；所述超级电容器电压均衡电路的第一运算放大器的同相输入端接到第一分压电阻和第二分压电阻之间，所述超级电容器电压均衡电路的第二运算放大器的同相输入端接到第三分压电阻和第四分压电阻之间；所述超级电容器电压均衡电路的第一N沟道增强型MOS管的漏极和源极分别连接到第一超级电容器的两端，所述超级电容器电压均衡电路的第二N沟道增强型MOS管的漏极和源极分别连接到第二超级电容器的两端；第一超级电容器的一端作为单级超级电容器模块的a引出端，第二超级电容器的另一端作为单级超级电容器模块的b引出端。
4.一种二级超级电容器模块，其特征在于：它包括有权利要求1所述的超级电容器电压均衡电路和两个权利要求3所述的单级超级电容器模块；其中，第一单级超级电容器模块的b引出端接第二单级超级电容器模块的a引出端；所述超级电容器电压均衡电路的第一运算放大器的同相输入端接到第一单级超级电容器模块的第二分压电阻和第三分压电阻之间，所述超级电容器电压均衡电路的第二运算放大器的同相输入端接到第二单级超级电容器模块的第二分压电阻和第三分压电阻之间；所述超级电容器电压均衡电路的第一N沟道增强型MOS管的漏极和源极分别连接到第一单级超级电容器模块的a引出端和b引出端，所述超级电容器电压均衡电路的第二N沟道增强型MOS管的漏极和源极分别连接到第二单级超级电容器模块的a引出端和b引出端。
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