CN103825328A - 高效大功率超级电容器模组电压均衡装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效大功率超级电容器模组电压均衡装置，包括能量管理系统和由n个超级电容器单体C组成的超级电容器模组；超级电容器模组中的超级电容器单体C设置有一一对应的DC/DC转换模块；装置内还设置有辅助电源、采样报警电路以及CAN总线通讯模块；辅助电源的输入侧取自n个超级电容器单体C的串联总电压，并输出各级直流电压分别供DC/DC转换模块、采样报警电路以及CAN总线通讯模块使用；采样报警电路接收辅助电源的电压输出，并将超级电容器单体C的温度输出数据通过CAN总线通讯模块上传到能量管理系统；能量管理系统通过CAN总线通讯模块向DC/DC转换模块发出控制指令，并通过该控制指令触发对应的DC/DC转换模块开通或关闭。

Description

高效大功率超级电容器模组电压均衡装置及方法

技术领域

本发明涉及电压均衡领域，尤其是一种高效大功率超级电容器模组电压均衡装置及方法。

背景技术

超级电容器是一种利用活性炭多空电极和电解质组成双层结构存储电能的高功率密度储能器件，其性能介于静电电容器和蓄电池之间，具有循环次数多、工作温度范围宽、功率密度大、充放电速度快以及环境友好等优点，单体容量可以到数万法拉。

近年来，超级电容器作为瞬时、高功率密度储能器件，已经用于电力机车启动、备份电源、城市公交等多种场合，未来还会在城市轨道交通等方面发挥重要作用。

超级电容器的单体电压一般小于2.7V，为满足电压等级需要，通常将多个超级电容器串并联，组成一个超级电容模组。由于单体参数的离散性，直接串联时，电压无法在单体间均分，在充电时可能会出现某个单体电压超过耐压上限。超级电容器单体长期工作在过压状态，会缩短使用寿命，进而影响模组的性能，严重时可能会发生爆炸。因此，超级电容模组需要加装额外的电压均衡电路，使模组能够安全、稳定、健康工作。

目前已有的几种超级电容器电压均衡解决方案有损耗大、均压速度慢、实用性差等不足。常见的超级电容器电压均衡方案包括电阻耗能方案、飞渡电容方案、能量回收方案等。电阻能耗方案通过附加功率电阻将电压高的单体的能量释放掉，功率损耗最大。飞渡电容方案通过附加一个飞渡电容作为能量传递的中介，每个超级电容单体分别与飞渡电容均压，均压速度慢，并且飞渡电容本身也会带来功率损耗。能量回收方案将电压高的超级电容单体的多余能量经过一级DC/DC变换电路反送到总回路中，因超级电容器单体电压小于2.7V，需要大功率转移能量时电流会很大，大电流会极大地增加DC/DC变换电路上的功率损耗，此类方案也不适合用于大功率场合。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单的高效大功率超级电容器模组电压均衡装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种高效大功率超级电容器模组电压均衡装置，包括能量管理系统和由n个超级电容器单体C组成的超级电容器模组；所述超级电容器模组中的超级电容器单体C设置有一一对应的DC/DC转换模块；所述装置内还设置有辅助电源、采样报警电路以及CAN总线通讯模块；所述辅助电源的输入侧取自n个超级电容器单体C的串联总电压，并输出各级直流电压分别供DC/DC转换模块、采样报警电路以及CAN总线通讯模块使用；所述采样报警电路接收辅助电源的电压输出，并将超级电容器单体C的温度输出数据通过CAN总线通讯模块上传到能量管理系统；所述能量管理系统通过CAN总线通讯模块向DC/DC转换模块发出控制指令，并通过该控制指令触发对应的DC/DC转换模块开通或关闭。

作为对本发明所述的高效大功率超级电容器模组电压均衡装置的改进：所述DC/DC转换模块包括推挽逆变开关管S₁、S₂，高频降压变压器T，同步整流开关管S₃、S₄，软硬开关控制电路，推挽逆变控制及驱动电路以及同步整流控制及驱动电路；所述高频降压变压器T由均有三个抽头的一次侧和二次侧组成；所述一次侧中心抽头与超级电容器模组的正极相连，一次侧同名端与推挽逆变开关管S₂漏极相连，一次侧异名端与推挽逆变开关管S₁漏极相连，推挽逆变开关管S₁和S₂源极相连，并接到超级电容器模组的负极；所述二次侧中心抽头与对应的超级电容器单体C正极相连，二次侧同名端与同步整流开关管S₃漏极相连，二次侧异名端与同步整流开关管S₄漏极相连，同步整流开关管S₃和S₄源极相连，并接到对应的超级电容器单体C负极。

作为对本发明所述的高效大功率超级电容器模组电压均衡装置的进一步改进：所述推挽逆变开关管S₁、S₂和同步整流开关管S₃、S₄均采用电力场效应管MOSFET。

作为对本发明所述的高效大功率超级电容器模组电压均衡装置的进一步改进：所述推挽逆变控制及驱动电路的核心为集成推挽控制芯片；同步整流控制及驱动电路的核心为同步整流控制芯片；所述软硬开关控制电路包括硬件开关电路和三极管；所述硬件开关电路包括分压电路、关闭偏置电路、开启偏置电路、共模衰减模块、开启电压比较器、关闭电压比较器、禁止电路以及D触发器；所述CAN总线通讯模块、D触发器的正相输出端以及禁止电路的反相输出端汇总到三极管的基极；三极管的开通与关断同时控制推挽逆变控制及驱动电路的集成推挽控制芯片以及同步整流控制及驱动电路的同步整流控制芯片的开启与关闭；分压电路的输出端分别和关闭偏置电路的同相输入端和开启偏置电路的反相输入端相连接；共模衰减模块分别和关闭电压比较器的反相输入端和开启电压比较器的同相输入端相连接；关闭电压比较器的输出端和D触发器的R极相连接；开启电压比较器的输出端分别和D触发器的S极相连接；关闭电压比较器的输出端还和禁止电路的输入端相连接；超级电容器模组的串联总电压和分压电路的输入端相连接；超级电容器单体C的单体端电压和共模衰减模块的输入端相连接。

一种高效大功率超级电容器模组电压均衡装置的使用方法：所述DC/DC转换模块的开通或关闭通过硬件控制控制和软件控制进行，主要步骤如下：一、硬件控制：1）检测超级电容器模组串联总电压和对应的超级电容器单体C电压，串联总电压除以n得到平均单体电压V₀；2）预设开启偏置电压V_开，开启参考电压为V₀+V_开，对于电压小于开启参考电压的超级电容器单体C，开通DC/DC转换模块4输出；3）预设关闭偏置电压V_关，关闭参考电压为V₀+V_关，对于电压高于关闭参考电压的超级电容器单体C，关闭DC/DC转换模块4输出；二、软件控制：由CAN总线通讯模块接收能量管理系统的控制指令，并触发对应的DC/DC转换模块开通或关闭；所述的软件控制和硬件控制发生矛盾时，以硬件控制为准。

作为对本发明所述的高效大功率超级电容器模组电压均衡装置的使用方法的改进：所述硬件控制的详细步骤如下：①超级电容器模组10的串联总电压经过1/n分压电路得到n个超级电容器单体C的平均电压V₀；②每一个超级电容器单体C的单体端电压经过共模衰减模块的共模衰减后分别送到关闭电压比较器和开启电压比较器；③开启偏置电路中预设开启偏置电压V，得出开启参考电压为平均电压V₀+开启偏置电压V；开启电压比较器比较单体端电压与开启参考电压，单体端电压小于开启参考电压时，通过D触发器控制三极管导通，以开通推挽逆变控制及驱动电路中的集成推挽控制芯片，从而开启均压；④关闭偏置电路中预设关闭偏置电压V，关闭参考电压为平均电压V₀+关闭偏置电压V，关闭电压比较器比较单体端电压与关闭参考电压，单体端电压大于关闭参考电压时，通过D触发器关闭三极管，以关闭推挽逆变控制及驱动电路中的集成推挽控制芯片，从而关闭均压；⑤单体端电压介于开启参考电压和关闭参考电压之间时，通过禁止电路禁止D触发器的状态改变，使得均压的开关状态不改变。

作为对本发明所述的高效大功率超级电容器模组电压均衡装置的使用方法的进一步改进：超级电容器模组发生故障时，通过采样报警电路发出故障报警音，并自动关闭输出。

本发明的高效大功率超级电容器模组电压均衡装置的每一个超级电容器单体所连接的DC/DC转换模块可以独立控制，对需要均压的超级电容器单体开启均压，对不需要均压的超级电容器单体关闭均压，互不影响，且具有大功率输出的特点，每个DC/DC转换模块单路最大输出均压电流达到30安培，所有DC/DC转换模块可以同时工作在最大均压电流输出状态。并且，DC/DC转换模块的输入取自超级电容器模组串联总电压，具有低能耗、高效率的特点，采用自然冷却方式。通过采样报警电路的设置，可以随时了解超级电容器单体C的即时温度。通过温度、端电压阈值的设置，具有故障报警功能，发生故障时发出故障报警音，并自动关闭输出。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为高效大功率超级电容器模组电压均衡装置的示意图；

图2为实例中的软硬开关控制电路41示意图；

图3为推挽逆变开关管S₁、S₂和同步整流开关管S₃、S₄开关时序图。

具体实施方式

实施例1、图1～图3给出了一种高效大功率超级电容器模组电压均衡装置；包括能量管理系统11、由n个超级电容器单体C₁、C₂、……C_n组成的超级电容器模组10、与超级电容器模组10中超级电容器单体C的数量相同的n个DC/DC转换模块4、CAN总线通讯模块1（CAN通讯总线）、温度采样电路2以及辅助电源3。本实施例中的超级电容器模组10采用八个单体容量为7500法拉的超级电容器单体C串联而成，即n的数量为八，DC/DC转换模块4的数量为八个。

本发明的高效大功率超级电容器模组电压均衡装置内部由辅助电源3供电，辅助电源3的输入侧取自八个超级电容器单体C的串联总电压，并输出各级直流电压分别供DC/DC转换模块4、采样报警电路2以及CAN总线通讯模块1使用。采样报警电路2接收辅助电源3的电压输出，并随时获取超级电容单体C的即时温度，将超级电容单体C的温度数据通过CAN总线通讯模块1上传到能量管理系统11（通过能量管理系统11，使用者可以随时监控超级电容单体C的温度值，确保安全使用）；能量管理系统11通过CAN总线通讯模块1向DC/DC转换模块4发出控制指令，并通过该控制指令触发对应的DC/DC转换模块4开通或关闭。以上所述的每一个DC/DC转换模块4的输入端分别连接到超级电容器模组10（八个超级电容器单体C）的串联总电压，每一个DC/DC转换模块4的输出端分别接到对应的超级电容器单体C的正负极。

以上所述的八个DC/DC转换模块4的内部结构均完全相同。以其中一个DC/DC转换模块4为例：DC/DC转换模块4包括推挽逆变开关管S₁、S₂，高频降压变压器T，同步整流开关管S₃、S₄，软硬开关控制电路41，推挽逆变控制及驱动电路42以及同步整流控制及驱动电路43。高频降压变压器T由一次侧和二次侧组成，均有三个抽头，实例中使用的高频降压变压器T的一次侧二次侧变比为4（在八个超级电容器单体C串联，并且均压电流为30A的限制下，变比只能是4）。

一次侧中心抽头与超级电容器模组10（八个超级电容器单体C串联构成）的正极相连，一次侧同名端与推挽逆变开关管S₂漏极相连，一次侧异名端与推挽逆变开关管S₁漏极相连，推挽逆变开关管S₁和S₂源极相连，并接到超级电容器模组10的负极。二次侧中心抽头与对应的超级电容器单体C正极相连，二次侧同名端与同步整流开关管S₃漏极相连，二次侧异名端与同步整流开关管S₄漏极相连，同步整流开关管S₃和S₄源极相连，并接到对应的超级电容器单体C负极。

推挽逆变开关管S₁、S₂和同步整流开关管S₃、S₄采用电力场效应管MOSFET，实例中推挽逆变开关管S₁、S₂采用最大电流190安培，导通电阻1.9毫欧的MOSFET，同步整流开关管S₃、S₄采用最大电流180安培，导通电阻1.5毫欧的MOSFET。

以上所述的软硬开关控制电路41具有两种控制方式：硬件控制和软件控制。两种控制方式的具体步骤如下：

硬件控制：

一、检测超级电容器模组10（八个超级电容器单体C）串联总电压和对应的超级电容器单体C电压，串联总电压除以n得到平均单体电压V₀；

二、预设开启偏置电压V_开，开启参考电压为（V₀+V_开），对于电压小于开启参考电压的超级电容器单体C，开通DC/DC转换模块4输出；

三、预设关闭偏置电压V_关，关闭参考电压（V₀+V_关），对于电压高于关闭参考电压的超级电容器单体C，关闭DC/DC转换模块4输出。

软件控制：由CAN总线通讯模块1接收能量管理系统11的控制指令，并触发对应的DC/DC转换模块4开通或关闭。

当以上所述的软件控制和硬件控制发生矛盾时，以硬件控制为准。

以上所述的推挽逆变控制及驱动电路42的核心为集成推挽控制芯片，推挽逆变控制及驱动电路42的功能是利用集成推挽控制芯片，调节推挽逆变开关管S₁、S₂的触发脉冲宽度，从而调节高频降压变压器T的一次侧电压，进而调节传递到超级电容器单体C的电压。同步整流控制及驱动电路43的核心为同步整流控制芯片，同步整流控制及驱动电路43的功能是利用同步整流控制芯片，使同步整流开关管S₃触发脉冲和推挽逆变开关管S₂的触发脉冲保持同步，使同步整流开关管S₄触发脉冲和推挽逆变开关管S1的触发脉冲保持同步。

如图2所示，以上所述的软硬开关控制电路41包括硬件开关电路410和三极管419组成；硬件开关电路410包括分压电路411、关闭偏置电路412、开启偏置电路416、共模衰减模块415、开启电压比较器417、关闭电压比较器413、禁止电路414以及D触发器418；CAN总线通讯模块1、D触发器418的正相输出端以及禁止电路414的反相输出端汇总到三极管419的基极；三极管419的开通与关断同时控制推挽逆变控制及驱动电路42的集成推挽控制芯片以及同步整流控制及驱动电路43的同步整流控制芯片的使能（开启）与关闭；分压电路411的输出端分别和关闭偏置电路412的同相输入端和开启偏置电路416的反相输入端相连接；共模衰减模块415分别和关闭电压比较器413的反相输入端和开启电压比较器417的同相输入端相连接；关闭电压比较器413的输出端和D触发器418的R极相连接；开启电压比较器417的输出端分别和D触发器418的S极相连接；关闭电压比较器的输出端413还和禁止电路414的输入端相连接；超级电容器模组10的串联总电压与分压电路411的输入端相连接，超级电容器单体C的单体端电压和共模衰减模块415的输入端相连接。

以上所述的分压电路411采用高精度电阻；共模衰减模块415、关闭偏置电路412、开启偏置电路416的核心器件采用低噪声的集成运算放大器；开启电压比较器417、关闭电压比较器413的核心器件采用低温度漂移、高精度的双通道差分比较器；禁止电路414、D触发器418的核心器件采用集成与非门芯片；三极管419采用低功耗NPN型三极管。

实际使用时候的步骤如下：

1、超级电容器模组10的串联总电压经过1/8分压电路（分压电路411）得到8个超级电容器单体C的平均电压V₀；

2、每一个超级电容器单体C的单体端电压经过共模衰减模块415的共模衰减后送到两个电压比较器（关闭电压比较器413和开启电压比较器417）；

3、开启偏置电路416中预设的开启偏置电压为-0.4V，则开启参考电压为（V₀-0.4V），开启电压比较器417比较单体端电压与开启参考电压，单体端电压小于开启参考电压时，通过控制D触发器418导通三极管419，继而开通推挽逆变控制及驱动电路42中的集成推挽控制芯片，从而开启均压；

4、关闭偏置电路412中预设的关闭偏置电压为75mV，关闭参考电压为（V₀+75mV），关闭电压比较器413比较单体端电压与关闭参考电压，单体端电压大于关闭参考电压时，通过控制D触发器418关闭三极管419，继而关闭推挽逆变控制及驱动电路42中的集成推挽控制芯片，从而关闭均压。

5、单体端电压介于开启参考电压和关闭参考电压之间时，通过禁止电路414禁止D触发器418的状态改变，使得均压的开关状态不改变。

以上所述的步骤3中，开启均压时，如图3所示，推挽逆变开关管S₁至同步整流开关管S₄的开关状态如下：推挽逆变开关管S₁正向导通时，推挽逆变开关管S₂关断，同步整流开关管S₃关断，同步整流开关管S₄反向导通；推挽逆变开关管S₂正向导通时，推挽逆变开关管S₁关断，同步整流开关管S₃反向导通，同步整流开关管S₄关断；推挽逆变开关管S₁和推挽逆变开关管S₂交替导通，导通间隙有死区时间。

其中，同步整流开关管S₃、同步整流开关管S₄的源极电压高于漏极电压，因此，当它们获得高电平导通信号时，工作在反向导通状态，而推挽逆变开关管S₁、推挽逆变开关管S₂则工作在正向导通状态。

而本发明在处于故障状态的时候，通过采样报警电路2发出故障报警音，并自动关闭输出，以确保使用的安全。

实验中将本发明用于下述电压不均衡场合：八个7500法拉的超级电容器单体C串联，其中有1个超级电容器单体端电压为1.0V，其余7个端电压为2.0V。45秒后，均压完成。对超级电容器单体的单路瞬时均压功率达到100瓦，能量转换效率超过80%。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高效大功率超级电容器模组电压均衡装置，包括能量管理系统（11）和由n个超级电容器单体C组成的超级电容器模组（10）；其特征是：所述超级电容器模组（10）中的超级电容器单体C设置有一一对应的DC/DC转换模块（4）；

所述装置内还设置有辅助电源（3）、采样报警电路（2）以及CAN总线通讯模块（1）；

所述辅助电源（3）的输入侧取自n个超级电容器单体C的串联总电压，并输出各级直流电压分别供DC/DC转换模块（4）、采样报警电路（2）以及CAN总线通讯模块（1）使用；

所述采样报警电路（2）接收辅助电源（3）的电压输出，并将超级电容器单体C的温度输出数据通过CAN总线通讯模块（1）上传到能量管理系统（11）；

所述能量管理系统（11）通过CAN总线通讯模块（1）向DC/DC转换模块（4）发出控制指令，并通过该控制指令触发对应的DC/DC转换模块（4）开通或关闭。

2.根据权利要求1所述的高效大功率超级电容器模组电压均衡装置，其特征是：所述DC/DC转换模块（4）包括推挽逆变开关管S₁、S₂，高频降压变压器T，同步整流开关管S₃、S₄，软硬开关控制电路（41），推挽逆变控制及驱动电路（42）以及同步整流控制及驱动电路（43）；

所述高频降压变压器T由均有三个抽头的一次侧和二次侧组成；

所述一次侧中心抽头与超级电容器模组（10）的正极相连，一次侧同名端与推挽逆变开关管S₂漏极相连，一次侧异名端与推挽逆变开关管S₁漏极相连，推挽逆变开关管S₁和S₂源极相连，并接到超级电容器模组（10）的负极；

所述二次侧中心抽头与对应的超级电容器单体C正极相连，二次侧同名端与同步整流开关管S₃漏极相连，二次侧异名端与同步整流开关管S₄漏极相连，同步整流开关管S₃和S₄源极相连，并接到对应的超级电容器单体C负极。

3.根据权利要求2所述的高效大功率超级电容器模组电压均衡装置，其特征是：所述推挽逆变开关管S₁、S₂和同步整流开关管S₃、S₄均采用电力场效应管MOSFET。

4.根据权利要求3所述的高效大功率超级电容器模组电压均衡装置，其特征是：所述推挽逆变控制及驱动电路（42）的核心为集成推挽控制芯片；同步整流控制及驱动电路（43）的核心为同步整流控制芯片；

所述软硬开关控制电路（41）包括硬件开关电路（410）和三极管（419）；

所述硬件开关电路（410）包括分压电路（411）、关闭偏置电路（412）、开启偏置电路（416）、共模衰减模块（415）、开启电压比较器（417）、关闭电压比较器（413）、禁止电路（414）以及D触发器（418）；

所述CAN总线通讯模块（1）、D触发器（418）的正相输出端以及禁止电路（414）的反相输出端汇总到三极管（419）的基极；三极管（419）的开通与关断同时控制推挽逆变控制及驱动电路（42）的集成推挽控制芯片以及同步整流控制及驱动电路（43）的同步整流控制芯片的开启与关闭；

分压电路（411）的输出端分别和关闭偏置电路（412）的同相输入端和开启偏置电路（416）的反相输入端相连接；

共模衰减模块（415）分别和关闭电压比较器（413）的反相输入端和开启电压比较器（417）的同相输入端相连接；

关闭电压比较器（413）的输出端和D触发器（418）的R极相连接；开启电压比较器（417）的输出端分别和D触发器（418）的S极相连接；

关闭电压比较器的输出端（413）还和禁止电路（414）的输入端相连接；

超级电容器模组（10）的串联总电压和分压电路（411）的输入端相连接；

超级电容器单体C的单体端电压和共模衰减模块（415）的输入端相连接。

5.一种高效大功率超级电容器模组电压均衡装置的使用方法，其特征是：所述DC/DC转换模块（4）的开通或关闭通过硬件控制控制和软件控制进行，主要步骤如下：

一、硬件控制：

1）检测超级电容器模组（10）串联总电压和对应的超级电容器单体C电压，串联总电压除以n得到平均单体电压V₀；

2）预设开启偏置电压V_开，开启参考电压为V₀+V_开，对于电压小于开启参考电压的超级电容器单体C，开通DC/DC转换模块4输出；

3）预设关闭偏置电压V_关，关闭参考电压为V₀+V_关，对于电压高于关闭参考电压的超级电容器单体C，关闭DC/DC转换模块4输出；

二、软件控制：

由CAN总线通讯模块（1）接收能量管理系统（11）的控制指令，并触发对应的DC/DC转换模块（4）开通或关闭；

所述的软件控制和硬件控制发生矛盾时，以硬件控制为准。

6.根据权利要求5所述的高效大功率超级电容器模组电压均衡装置的使用方法，其特征是：所述硬件控制的详细步骤如下：

①超级电容器模组10的串联总电压经过1/n分压电路（411）得到n个超级电容器单体C的平均电压V₀；

②每一个超级电容器单体C的单体端电压经过共模衰减模块（415）的共模衰减后分别送到关闭电压比较器（413）和开启电压比较器（417）；

③开启偏置电路（416）中预设开启偏置电压V，得出开启参考电压为平均电压V₀+开启偏置电压V；开启电压比较器（417）比较单体端电压与开启参考电压，单体端电压小于开启参考电压时，通过D触发器（418）控制三极管（419）导通，以开通推挽逆变控制及驱动电路（42）中的集成推挽控制芯片，从而开启均压；

④关闭偏置电路（412）中预设关闭偏置电压V，关闭参考电压为平均电压V₀+关闭偏置电压V，关闭电压比较器（413）比较单体端电压与关闭参考电压，单体端电压大于关闭参考电压时，通过D触发器（418）关闭三极管（419），以关闭推挽逆变控制及驱动电路（42）中的集成推挽控制芯片，从而关闭均压；

⑤单体端电压介于开启参考电压和关闭参考电压之间时，通过禁止电路（414）禁止D触发器（418）的状态改变，使得均压的开关状态不改变。

7.根据权利要求6所述的高效大功率超级电容器模组电压均衡装置的使用方法，其特征是：超级电容器模组（10）发生故障时，通过采样报警电路（2）发出故障报警音，并自动关闭输出。

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