CN103441556B

CN103441556B - 一种超级电容器组充放电均衡装置及均衡方法

Info

Publication number: CN103441556B
Application number: CN201310423267.7A
Authority: CN
Inventors: 贾春阳; 李博; 万中全
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-09-17
Filing date: 2013-09-17
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2033-09-17
Also published as: CN103441556A

Abstract

本发明公开了一种超级电容器组充放电均衡装置，包括：超级电容器组、FPGA主控器、AD模块、飞渡电容，开关网络（1），开关网络（2）和稳压电路，均衡过程中，飞渡电容不断在超级电容器组中最高电压的单体电容和倒数第二低电压的单体电容之间切换，实现能量的传递，与此同时，稳压电路采集超级电容器组的总电压经过处理输出一个设定的电压，通过开关网络（2）的切换对电压最低的单体电容充电。由于FPGA并行的特性，增加的稳压电路和开关网络（2）与飞渡电容法同时对超级电容器组中单体电容的电压进行均衡控制，使均衡速度得到了大幅度的提升。

Description

一种超级电容器组充放电均衡装置及均衡方法

技术领域

本发明涉及一种超级电容器组充放电均衡装置及其均衡方法。

背景技术

超级电容器是一种利用双电层原理直接储存电能的新型储能元件，其容量范围一般从几法拉到数万法拉，具有非常高的功率密度，并且充放电速度非常快，可以在几秒内从全放电状态到达满充状态。超级电容器相比电池更加环保，不需要像电池一样定期更换，深度充放电循环使用次数可达1～50万次，循环使用寿命长。但由于单体电容工作电压不高（一般只有1V～4V），在实际应用中通常需要将多个单体串联使用，串联超级电容器组在充放电过程中，由于各单体电容之间参数的离散性，以及在长期使用过程中，各单体的物理参数会发生不同程度的改变，从而导致各单体电容电压变化速度不同，即在充电过程中，同一串联组中有的单体电压上升快，有的单体电压上升慢，从而导致有的单体先充满，如继续充电就会产生过充现象。同理，放电过程中也可能会产生过放现象。这种过充或过放现象，会严重影响超级电容器的使用寿命和系统的稳定性。

目前，超级电容器组单体电压均衡方法主要有以下几种：开关电阻法、稳压管法、DC／DC变换器法和飞渡电容法。其中飞渡电容法电路结构简单，具有功率器件少，成本较低等优点而成为了最普及的均衡方法。飞渡电容法中包括超级电容器组、FPGA主控器、与FPGA连接的开关网络1、通过开关网络1与超级电容器组中的单体电容两端连接的飞渡电容、与单体电容两端和FPGA连接的AD转化模块。其中，FPGA主控器包括中心控制单元，用于控制AD模块的AD控制单元，用于将AD模块输入的数据转换为十进制数的数据处理单元，用于比较各个单体电压大小的电压比较单元，用于控制开关网络1的开关控制单元a。在均衡过程中，FPGA主控器通过AD控制单元向AD模块发出驱动信号，AD模块采集单体电容电压，传输到FPGA主控器中的AD控制单元，AD控制单元将采集的数据传递到数据处理单元，数据处理单元将数据转换为十进制数后，传递到电压比较单元，然后由电压比较单元对各个单体的电压大小进行排序；然后，FPGA主控器中的开关控制单元a控制开关网络1，将飞渡电容依次连接到电压最高和电压最低的单体电容两端，减小或增加单体电容的电压，从而实现单体电容电压之间的均衡。

飞渡电容法与传统的“开关电阻法”，“稳压管法”，“DC／DC变换器法”等方法相比，优点是：没有无效的能量消耗，适用于大功率场合，功率器件少，成本较低等，所以飞渡电容法成为了最普及的均衡方法。但是，飞渡电容法也存在一些缺点：当超级电容器组的单体电容较多时，为了达到所有单体电容均衡需要多次切换开关，使均衡时间变长；当超级电容器组中单体电容之间电压差很小时，单体电容与飞渡电容之间相互充放电的速度变慢，效率变低，也会使均衡时间变长。

发明内容

本发明提供了一种新型的超级电容器组充放电均衡装置，用于解决串联超级电容器组在充放电过程中单体分压不均衡的问题，并成功克服了现有技术均衡速度慢的问题。

为了克服现有飞渡电容法均衡速度慢的问题，本发明在飞渡电容法中增加了开关网络2和稳压电路，相应的，在FPGA主控器中增加了用于控制开关网络2的开关控制单元b，稳压电路的输入端与超级电容器组两端连接，输出端与开关网络2中的每个开关连接，组成超级电容器组的每个单体电容两端与开关网络2中相应的开关连接，稳压电路采集超级电容器组的总电压经过处理输出一个稳定的电压V₀，其中V₀为单体电容的额定电压，通过开关网络2中相应开关的切换对电压最低的单体电容进行充电，开关控制单元b与中心控制单元连接。由于FPGA主控器的并行特性，稳压电路与开关网络2可以与飞渡电容法同时对超级电容器组中的单体电容电压进行均衡，使均衡速度得到大幅度提升。

本发明中超级电容器组由3～20个单体电容串联组成。

本发明中的稳压电路中采用的是MC34063集成芯片。

基于该超级电容器组充放电均衡装置，本发明还提供了一种超级电容器组充放电均衡方法，包括以下步骤：

步骤1：FPGA主控器通过AD控制单元向AD模块发出驱动信号，AD模块采集单体电容的电压，传输到FPGA主控器中的AD控制单元，AD控制单元将采集的数据传递到数据处理单元，数据处理单元将数据转换为十进制数后，传递到电压比较单元，电压比较单元对各个单体的电压大小进行排序；

步骤2：FPGA主控器中的开关控制单元a控制开关网络1，使飞渡电容不断在超级电容器组中电压最高的单体电容和电压倒数第二低的单体电容之间切换，实现能量的传递，与此同时，稳压电路将超级电容器组的总电压经过处理输出一个设定的电压V₀，其中V₀为单体电容的额定电压，由FPGA主控器中的开关控制单元b控制开关网络2中相应的开关，对超级电容器组中电压最低的单体电容进行充电。在超级电容器组充电和放电过程中都可以用该均衡方法进行均衡，这就有效克服串联超级电容器组在充放电过程中单体分压不均衡的问题，防止过充和过放现象。并且由于FPGA主控器的并行特性，两种均衡方法可以同时进行，有效提高了均衡速度。

本发明的均衡方法适用于充电、放电或者充放电同时进行的过程中。

本发明中稳压电路是采集超级电容器组的总电压，经过降压或升压、整流，输出一个设定的电压V₀，其中V₀为单体电容的额定电压，然后FPGA主控器中的开关控制单元b控制开关网络2中相应的开关，对超级电容器组中电压最低的单体电容进行充电。由于该过程与飞渡电容法的均衡是同时进行的，可以有效提高均衡速度。

本发明中增加的稳压电路和开关网络2与飞渡电容法同时对超级电容器组中的单体电容电压进行均衡控制，缩短了均衡时间，并且在单体电容之间电压差很小，飞渡电容法均衡速度变慢时，稳压电路与开关网络2的均衡仍在有效进行，这就使本发明的均衡效率提高，均衡速度大幅度提升。

附图说明

图1为现有飞渡电容法充放电均衡装置；

图2为本发明提供的超级电容器组充放电均衡装置；

图3为稳压电路与开关网络工作原理图；

图4（a）为现有飞渡电容法均衡时间的测试结果；

图4（b）为本发明均衡时间的测试结果。

具体实施方式

下面详细介绍本发明的一个具体实施例。

超级电容器组充放电均衡装置中采用的是2.7V/400F的单体电容，超级电容器组由8个单体电容串联组成；飞渡电容为2.7V/300F；FPGA主控器采用型号为EP4CE6E22C8N的FPGA逻辑器件并通过内部逻辑资源的配置，组成包含中心控制单元、AD控制单元、数据处理单元、电压比较单元、开关控制单元a、开关控制单元b在内的控制器；开关网络是采用TLP250驱动芯片和场效应晶体管（MOSFET）来实现的，并且在MOSFET管的漏极、源极之间接有串联RC电路来进行过压保护；AD模块包括TLC1549型号的AD转换芯片和LM358型号的运放采样电路，运放电路采集每个单体电容两端的电压值，传输给AD转换芯片，AD转换芯片将电压值转换为数字量，传输到FPGA主控器中的AD控制单元进行数据处理；稳压电路中采用的是MC34063集成芯片，MC34063集成芯片根据超级电容器组两端的总电压(范围：0～21.6V)选择降压变换接法或者升压变换接法，经过处理输出设定的2.7V的电压。当超级电容组器两端的电压大于2.7V时，采用降压变换接法；当超级电容器组两端的电压小于2.7V时，采用升压变换接法。

上述超级电容器组充放电均衡装置的具体均衡方法包括以下步骤：

步骤1：FPGA主控器通过AD控制单元向AD模块发出驱动信号，AD模块采集单体电容的电压，传输到FPGA主控器中的AD控制单元，AD控制单元将采集的数据传递到数据处理单元，数据处理单元将数据转换为十进制数后，传递到电压比较单元，电压比较单元对8个单体的电压大小进行排序，电压从高到低依次编号为：1，2，3，……7，8。

步骤2：FPGA主控器中的开关控制单元a控制开关网络1，首先将2.7V/300F的飞渡电容并联在编号1（电压最高）的单体电容两端，此时单体电容对飞渡电容充电，单体电容的电压降低；10s后，切换开关网络1，将飞渡电容并联在编号7（电压倒数第二低）的单体电容两端，此时飞渡电容对单体电容充电，单体电容的电压升高。与此同时，FPGA主控器中的开关控制单元b控制开关网络2，使稳压电路输出的2.7V的电压对编号8（电压最低）的单体电容充电，具体的过程如图3所示。均衡过程中，实时检测单体电容的电压，不断切换充放电单体电容，从而实现各个单体电容电压的均衡。

根据上述步骤，分别采用本方案和现有飞渡电容法对串联超级电容器组进行了充放电实验。两组实验中8个单体电容的初始电压均相同，分别为0.59V、1.09V、0.90V、0.47V、0.51V、1.00V、0.34V、0.74V，两组实验均同时采用1A的电流充电和相同功率的负载放电。两次实验的结果如图4所示，其中图4a是飞渡电容法的测试结果，图4b是本发明的测试结果。

从实验结果可以看出，本发明中8个单体电容达到均衡的时间大约为13min，而飞渡电容法8个单体电容均衡的时间为18min。由此可以看出，本发明相对于现有的飞渡电容法均衡速度有了很大的提高，并且如果在使用大电流快速充电的场合，均衡速度的提高会更加明显。

Claims

1.一种超级电容器组充放电均衡装置，包括：超级电容器组，含中心控制单元、电压比较单元、数据处理单元、AD控制单元和开关控制单元(a)的FPGA主控器，AD模块，飞渡电容及其开关网络(1)，其特征在于，所述装置中还包括一组开关网络(2)和稳压电路，所述FPGA主控器还包括用于控制开关网络(2)的开关控制单元(b)，所述稳压电路的输入端与超级电容器组两端连接，输出端与开关网络(2)中的每个开关连接，组成超级电容器组的每个单体电容两端与开关网络(2)中相应的开关连接，所述开关控制单元(b)与中心控制单元连接；

所述FPGA主控器通过AD控制单元向AD模块发出驱动信号，AD模块采集单体电容的电压，传输到FPGA主控器中的AD控制单元，AD控制单元将采集的数据传递到数据处理单元，数据处理单元将数据转换为十进制数后，传递到电压比较单元，电压比较单元对各个单体的电压大小进行排序；FPGA主控器中的开关控制单元(a)控制开关网络(1)，使飞渡电容不断在超级电容器组中电压最高的单体电容和电压倒数第二低的单体电容之间切换，实现能量的传递，与此同时，稳压电路将超级电容器组的总电压经过处理输出一个设定的电压V₀，其中V₀为单体电容的额定电压，由FPGA主控器中的开关控制单元(b)控制开关网络(2)中相应的开关，对超级电容器组中电压最低的单体电容进行充电。

2.根据权利要求1所述的超级电容器组充放电均衡装置，其特征在于，所述超级电容器组由3～20个单体电容串联组成。

3.根据权利要求1所述的超级电容器组充放电均衡装置，其特征在于，所述稳压电路中采用的是MC34063集成芯片。

4.一种超级电容器组充放电均衡方法，包括以下步骤：

步骤2：FPGA主控器中的开关控制单元(a)控制开关网络(1)，使飞渡电容不断在超级电容器组中电压最高的单体电容和电压倒数第二低的单体电容之间切换，实现能量的传递，与此同时，稳压电路将超级电容器组的总电压经过处理输出一个设定的电压V₀，其中V₀为单体电容的额定电压，由FPGA主控器中的开关控制单元(b)控制开关网络(2)中相应的开关，对超级电容器组中电压最低的单体电容进行充电。

5.根据权利要求4所述的超级电容器组充放电均衡方法，其特征在于，所述方法适用于充电、放电或者充放电同时进行的过程中。

6.根据权利要求4所述的超级电容器组充放电均衡方法，其特征在于，所述步骤2中的稳压电路是采集超级电容器组的总电压，经过降压或升压、整流，输出一个设定的电压V₀，其中V₀为单体电容的额定电压，然后FPGA主控器中的开关控制单元(b)控制开关网络(2)中相应的开关，对超级电容器组中电压最低的单体电容进行充电。