CN108551202A - 超级电容器组电压均衡电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出超级电容器组电压均衡电路，属于电池均衡管理领域。系统由微控制器控制电路、电压采集电路、电压均衡电路及其开关网络和串联的超级电容组成。其中所述均衡电路包括分流电路和反激式DC‑DC转换器电路；所述开关网络将分流电路与反激式DC‑DC转换器电路结合在一起，各超级电容单体的正极(负极)均与正极(负极)开关连接在一起，所有正极(负极)开关的另一端连接在反激式DC‑DC转换器的初级(次级)端。本发明利用分流电路实现充电过程快速、高效地均衡，利用反激式DC‑DC转换器实现静态过程下能量从最高电压单元到最低电压单元的直接转移。动态均衡与静态均衡相结合，有效地提升均衡速度，使其能够满足脉冲功率系统中超级电容储能组的快速均衡。

Description

超级电容器组电压均衡电路

技术领域

本发明属于电池均衡管理领域，应用于脉冲功率系统中超级电容储能组的快速电压均衡，涉及分流电路用于超级电容组充电过程的快速均衡以及反激式DC-DC转换器用于实现超级电容组的静态均衡。

背景技术

超级电容器是一种新型的储能器件，具有超大容量、较高的能量密度、功率密度高、循环使用寿命长、维护费用低、绿色无污染等优点，使其在电动汽车、电磁炮、激光武器等领域具有广阔的应用前景。因为超级电容器单体电压低，通常在实际应用中需要把多个超级电容单体串联使用。由于各个超级电容内部的等效串联内阻(ESR)、容量存在的差异，单体之间不平衡的充电状态(SOC)，老化以及充电-放电期间超级电容组的环境温度的梯度等原因造成串联单体之间的电压不平衡。如果单体初始电压较低，则会导致过度放电；相反，单体初始电压较高，会导致过度充电。此外，单体间电压不均衡会影响超级电容器组的总充电容量，同时会对超级电容造成损坏，影响其使用寿命。因此，在实际应用中需要在串联超级电容器组中添加均衡电路进行电压均衡。

目前常用的电压均衡方法可以分为两类：一类是能量消耗型，有并联电阻法、稳压管法以及晶体管和运算放大器组成的耗散单元平衡技术等。上述方法均是通过并联元件以热量的形式消耗多余的能量，这大大降低了系统的效率。此外，均压过程会产生大量的热，均压过程还需考虑加装散热装置。另一类是能量转移型，有飞渡电容法、隔离式DC-DC转换器法以及非隔离式DC-DC转换器法、分流法等。飞渡电容法是利用电容作为中间媒介，通过电容进行能量的传递，当串联单体数量较多时，能量转移过程中需要经过较多的电容，导致损耗增加、均衡速度下降。非隔离式DC-DC转换器法又分为Buck/Boost变换器法、Cuk变换器法等，均是通过电感、电容等动态元件进行能量传递，能量需要在单体之间逐步转移，不能实现能量从高压单元到低压单元的直接转移，使得均衡速度下降，并增加能量损耗。隔离式DC-DC转换器利用变压器可以实现能量高效率的传输，其将全部能量作为输入，通过开关或者次级绕组的形式与各个单体相连，实现单体能量与整体能量的转移。但同样不能实现能量从最高单元到最低单元的直接转移。分流法利用在单体之间以及两端添加二极管和开关，利用相应开关的导通-关断直接改变单体充电时间，以实现电压均衡。这种方法结构简单，均压速度快，但不能实现静态均衡。

发明内容

本发明针对现有均衡技术存在的优缺点，提出一种应用于脉冲功率中的超级电容组充电均衡电路。本电路将隔离式DC-DC转换器法与分流法相结合，实现充电过程与静态过程的快速均衡，使其满足脉冲功率的应用。

本发明电路包括MCU控制模块、电压采集模块、电压均衡电路及其开关网络和n个串联超级电容单体。其中电压均衡电路包括分流电路和反激式DC-DC转换器电路，分流电路中除单体之间的开关外，其余开关与反激式DC-DC转换器共用一个开关网络，所述共用开关网络中包括正极开关网络和负极开关网络，所有正极开关一端连接各超级电容的正极，另一端连接在反激式DC-DC转换器的初极端，所有负极开关一端连接各超级电容的负极，另一端连接在反激式DC-DC转换器的次极端。

进一步地，所述正极开关网络以及负极开关网络均采用N沟道增强型MOSFET管，每两个开关管串联在一起组成一个开关，第一个开关的源级与第二个开关的漏级相连，两者的栅极连接在一起。

进一步地，所述分流电路包括超快速恢复二极管和开关管，在每个单体之间均并联放置一个二极管和开关。当进行充电均衡时，开关断开，充电电流从单体-二极管-单体中流过，当电压采集模块检测到某一个单体电压到达阈值时，过压单体两端的开关网络会闭合，使充电电流绕过过压单体，二极管起到避免单体自放电的作用，以此来实现充电过程的快速均衡。

进一步地，所述反激式DC-DC转化器包括两个外加的初极端开关和次极端开关，当进行充电动态均衡时两个外加的开关均断开，以免充电电流进入转换器；当利用转换器进行静态均衡时，闭合最高电压单体两端的开关以及转换器的初极端的开关，将最高电压单体的能量转移到耦合电感上，一段时间后，转换器开关以及高电压单体两端开关断开，同时，最低电压单体两端开关和转换器次极端开关闭合，耦合电感将储存的能量转移到最低电压单体上，以此来实现最高电压单元的能量与最低电压单元能量的直接转移。

本发明的有益效果为：

1、本发明利用分流电路可以实现充电过程快速、高效地均衡；

2、本发明利用反激式DC-DC转换器在系统停止工作时实现静态的快速均衡，而且静态均衡利用反激式DC-DC转换器实现能量从最高电压单元到最低电压单元的直接转移，减少了能量损耗和中间器件。

3、本发明将动态均衡与静态均衡相结合，有效地提升均衡速度，使其能够满足脉冲功率系统中超级电容储能组的快速均衡。

附图说明

图1为本发明超级电容器组电压均衡电路的原理框图；

图2为本发明的超级电容器组电压均衡电路中超级电容及其均衡电路整体拓扑结构图；

图3为两个N沟道MOSFET管串联组成的开关；

图4为本发明实施例超级电容组充电过程工作原理图；

图5为本发明实施例超级电容组充电过程动态电压均衡工作原理图；

图6为本发明实施例超级电容组静态均衡过程中转换器电压电流波形图；

图7为本发明实施例超级电容组静态均衡过程中转换器输入能量工作原理图；

图8为本发明实施例超级电容组静态均衡过程中转换器输出能量工作原理图；

附图中，虚线及箭头表示电路中电流的方向。

具体实施方式

为使本发明的工作流程、技术方案更加清晰明了，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

根据图1和图2所示，图1是本发明超级电容组电压均衡电路的原理框图，图2是整体设计中超级电容及其均衡电路拓扑结构图。本发明电路由MCU控制模块、电压采集模块、电压均衡电路和串联超级电容器组成，其中均衡电路包括分流电路和反激式DC-DC转换器，分流电路与转换器电路共用KA1..KAn开关网络，具体连接如图2所示。当超级电容组及均衡电路应用于脉冲功率中时，系统工作过程分为充电过程中的动态均衡和系统停止工作时的静态均衡。下面结合附图详细说明完整的动态均衡和静态均衡。

根据图4和图5所示，图4是超级电容组充电过程工作原理图，图5是充电过程中电压均衡工作原理图。在超级电容组进行充电时，超级电容单体之间的开关KB1..KBn断开，电流从单体-二极管-单体中通过，同时，电压采集模块实时检测单体两端电压，MCU控制模块通过SPI与电压采集模块进行通信，MCU将采集到的电压与设定的单体电压阈值进行比较，当某个单体电压达到阈值电压时，超级电容单体两端的共用开关将闭合；如图5所示，当单体SC3的端电压到达阈值时，共用开关网络中的KA5和KA7将闭合，此时电流将从开关KA5和KA7中通过，避免了SC3电压的继续增大，同时，二极管D3起到防止SC3自放电的作用，以此来达到充电过程中超级电容组单体电压的动态均衡。充电完成后，开关KB1..KBn闭合，超级电容组可通过单体-开关-单体进行放电。

根据图6和图7、图8所示，图6是超级电容组静态过程中，转换器两端电压电流波形图；图7是转换器输入能量工作原理图；图8是转换器输出能量工作原理图。静态过程中，电压采集模块采集单体两端电压，MCU通过SPI通信接收到单体电压信号，然后MCU将接收到的单体电压进行比较，得到电压最大的单体电容SC2和电压最小的单体电容SC3。t₀-t₁期间，SC2两端开关KA3、KA4以及转换器正极端开关S1、Q1同时闭合，电流i_p方向如图7所示；次级绕组电压u_Ns极性与初级绕组电压u_Np极性相反，由于次级端的二极管反向截止，次级绕组电流i_s为零，初级端不能向次级端传送能量，而由变压器储能；t₁-t₂期间，初级端开关S1、Q1以及KA3、KA4断开，同时，电压最小单体电容SC3两端开关KA5、KA6和转换器次级端开关S2闭合，电流i_s方向如图8所示；此时，次级绕组电压u_Ns极性翻转，二极管导通，储存在变压器中的能量释放出来供给单体电容SC3和滤波电容Co。t₂时刻，次级电流i_s为零。t₂-t₃期间为死区时间，开关KA5、KA6和S2断开。至此，最高电压单体SC2与最低电压单体SC3能量传输完毕。MCU实时检测超级电容单体电压，不断比较来选出新的电压最大单元和电压最小单元，并重复实现上述过程，最终实现超级电容组静态下的单体电压均衡。

本发明可以实现超级电容组充电过程的快速动态均衡，以及在超级电容组静态下，利用反激式DC-DC转换器，实现能量从最高电压单元直接转移到最低电压单元，有效减小能量损耗，实现快速高效地静态均衡。因此，动态均衡与静态均衡相结合使其能够满足脉冲功率系统中超级电容储能组的快速均衡。

Claims (7)

1.一种用于脉冲功率中的超级电容器组电压均衡电路，其特征在于，包括MCU控制模块、电压采集模块、电压均衡电路及其开关网络和串联超级电容器组。

2.如权利要求1所述的超级电容器组电压均衡电路，其特征在于，所述电压均衡电路包括分流电路和反激式DC-DC转换器电路。

3.如权利要求1所述的超级电容器组电压均衡电路，其特征在于，所述均衡电路开关网络包括正极端开关网络和负极端开关网络；正极端开关网络中所有正极开关的一端连接各超级电容的正极，另一端连接在一起并连接到反激式DC-DC转换器的初级端；负极端开关网络中所有负极开关的一端连接各超级电容的负极，另一端连接在一起并连接到反激式DC-DC转换器的次级端。

4.如权利要求2所述的超级电容器组电压均衡电路，其特征在于，所述分流电路用于充电及动态均衡，包括超快速恢复二极管和开关，在每个超级电容单体之间均并联放置一个超快速恢复二极管和开关；在超级电容器组充电时，开关断开，所述超快速恢复二极管为超级电容器组充电提供充电通路，在充电过程中，MCU控制模块通过电压采集模块实时检测单体两端电压，当发现某一单体电压到达阈值时，通过闭合开关网络中单体两端的正极、负极开关，使充电电流绕过单体，避免了单体电压的继续增大，从而实现充电均衡；在超级电容器组放电时，单体间开关闭合，所述开关为超级电容器组放电提供放电通路。

5.如权利要求2所述的超级电容器组电压均衡电路，其特征在于，所述反激式DC-DC转换器用于静态均衡，包括转换器及其初级端开关、次级端开关；在超级电容组进行充电及动态均衡时，转换器两端的开关断开，避免充电电流进入转换器；在超级电容器组充放电完毕后，即静态时，MCU控制模块通过电压采集模块检测单体两端电压并进行大小比较，得到电压最大的单体电容和电压最小的单体电容；MCU控制模块控制开关网络，将电压最大单体电容两端的正极端开关和负极端开关以及转换器初极端开关闭合，将高电压单体的能量转移到转换器中；经过一段时间，断开高电压单体两端的开关以及变换器初级端开关，同时闭合电压最小单体电容两端的正极端开关和负极端开关以及转换器次级端开关，实现能量从转换器转移到电压最小单体电容，从而实现超级电容组静态下能量从最高电压单体向最低电压单体的直接转移，实现静态下的电压均衡。

6.如权利要求1所述的超级电容器组电压均衡电路，其特征在于，所述电压采集模块包括电压采集芯片，用以实现单体电压的检测。

7.如权利要求1所述的超级电容器组电压均衡电路，其特征在于，所述MCU控制模块包括微控制器系统和驱动控制模块；微控制器系统用于产生控制时序；驱动控制模块用于驱动控制相应开关的闭合和关断。