CN111030262A - 一种超级电容器的均衡模块电路及均衡方法 - Google Patents

一种超级电容器的均衡模块电路及均衡方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超级电容器的均衡模块电路及均衡方法，包括电源、稳压管TL431、第一PNP开关管Y2、第二NPN开关管E21、PMOS采用S5、放电电阻、超级电容；稳压管TL431的1脚并联接入电阻R1和电阻R2，R1电阻的另一端与电源相连接；电阻R2的另一端与TL431的3脚连接并接地；TL431的2脚与1脚间接入一个电容C1；TL431的2脚与第一PNP开关管的基极相连；并接入一个上拉电阻R3，R3的另一端与第一PNP开关管的发射极相连接；本发明提高了超级电容板的寿命、安全性，提高超级电容的储能效率，增加了电容的承载能力。

Description

一种超级电容器的均衡模块电路及均衡方法
技术领域
本发明属于充电电路技术领域，更具体地说，本发明设计一种超级电容器的均衡模块电路及均衡方法。
背景技术
电池在储能系统中的应用比超级电容器早，电池产业也比超级电容器产业成熟，目前，电池仍然在储能产业中占据主要市场，然而，电池体积大、重量大、寿命短、功率密度小等缺点成为了电池发展的瓶颈。超级电容器具有多种电池所不具有的优点:在功率密度方面，超级电容器比电池高得多，可以大功率充放电，在短时间内完成充电；在寿命方面，超级电容器的原理不是基于电极共同参与的电化学反应，所以超级电容器的寿命要比电池寿命长10倍甚至更多；在效率方面，超级电容器的效率比电池的效率高得多，可以达到95％。这些优势使得超级电容器有潜力在储能产业中得到广泛应用。超级电容器为轨道交通、电动汽车等产业的节能储能技术发展提供了重要的创新基础，但由于制造工艺引起的单体容量差异，组合使用的超级电容器极易发生电压不均衡和单体过充现象，影响超级电容器组的系统安全性、系统寿命及效率。超级电容器储能系统的均压控制可以保证超级电容器的安全运行和额定寿命及效率，防止超级电容器单体由于容量不一致引起的过充和功率利用低。本发明在现有超级电容器均压技术的基础上，对其进行了改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种效率高且成本低的超级电容器均衡系统及均衡方法。
为了实现上述目的，本发明提出了一种超级电容器的均衡模块电路，包括电源、稳压管TL431、第一PNP开关管Y2、第二NPN开关管E21、PMOS采用S5、放电电阻、超级电容；
稳压管TL431的1脚并联接入电阻R1和电阻R2，R1电阻的另一端与电源相连接；电阻R2的另一端与TL431的3脚连接并接地；TL431的2脚与1脚间接入一个电容C1；TL431的2脚与第一PNP开关管的基极相连；并接入一个上拉电阻R3，R3的另一端与第一PNP开关管的发射极相连接；第一PNP开关管的集电极与第二NPN开关管E21的基极相连；第二NPN开关管E21的发射极接地；第二NPN开关管E21的集电极与PMOS的栅极相连接；同时接入上拉电阻R4；R4的另一端与PMOS的源极相连，同时与第一PNP开关管的发射极相连接并接入电源；PMOS的漏极并联接入放电电阻R5、R6；在电源和地之间连接有一整体分压电阻R8。
更进一步，所述超级电容器包括60个串联的单体电容。
更进一步，所述的PMOS的漏极并联接入放电电阻R5、R6，并且并联电阻R7和一个绿色发光二极管，并联接地。
更进一步，所述的第一PNP开关管选用Y2型三极管；第二NPN开关管选用E21型三极管；PMOS采用S5型MOS管。
更进一步，所述电阻R1是阻值为5.1kΩ的电阻；电容C1是电容值为1000pF的电容；电阻R2是阻值为120kΩ的电阻；电阻R3是阻值为200Ω的电阻；电阻R4是阻值为1kΩ的电阻；电阻R5、R6是阻值为120Ω的电阻；电阻R7是阻值为510Ω电阻；电阻R8是阻值为100Ω的电阻。
本发明公开了一种均衡方法，当电源电压超过2.60V时便开通TL431，从而控制两个三极管的开通与关断；通过功率电阻R5、R6耗能来降低电容的电压，使其达到一均衡点；均衡点为2.60V，消耗电阻R5、R6用于消耗电压过高的电池电量，电阻值为120Ω,电路的均衡电流小于等于TL431的上限保护电流；主均衡电路的两个三极管用于控制被动均衡电路的开启和关断，当电池电压低于2.6V时，上端PNP型三极管由于无法达到BE压差而自动关断，主均衡电路因此断路，与后端的P型MOS管断开。
更进一步，在均衡电路的控制电路中，三个分压电阻分压控制主均衡电路中的三极管的通断并且限制控制回路的消耗电流，保护电路且低功耗。
更进一步，系统稳定运行时，发光二极管亮灯为正常工作。
本发明的有益效果是：提高了超级电容板的寿命、安全性，提高超级电容的储能效率，增加了电容的承载能力。
附图说明
图1为稳压管均衡电压法；
图2为开关电阻均衡电压法；
图3为均衡模块电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
如图3所示，本发明一种超级电容均衡系统，应用于超级电容储能系统中。在超级电容器储能系统的均压控制下可以保证超级电容器的安全运行和额定寿命及效率，防止超级电容器单体由于容量不一致引起的过充和功率利用低。
本发明就是针对上述问题，提供一种超级电容板的均衡模块电路。
本发明的均衡模块中稳压管TL431的1脚并联接入电阻R1和电阻R2，R1电阻的另一端与电源相连接；电阻R2的另一端与TL431的3脚连接并接地；TL431的2脚与1脚间接入一个电容C1；TL431的2脚与第一PNP开关管的基极相连；并接入一个上拉电阻R3，R3的另一端与第一PNP开关管的发射极相连接；第一PNP开关管的集电极与第二NPN开关管E21的基极相连；第二NPN开关管E21的发射极接地；第二NPN开关管E21的集电极与PMOS的栅极相连接；同时接入上拉电阻R4；R4的另一端与PMOS的源极相连，同时与第一PNP开关管的发射极相连接并接入电源；PMOS的漏极并联接入放电电阻R5、R6；并且并联电阻R7和一个绿色发光二极管，做工作指示，并联接地；在电源和地之间连接有一整体分压电阻R8。
下面将对所述均衡电路的工作原理进行说明。
超级电容单体平均电压只有2.6V，放电电流也有一定的要求。为了提高系统的电流和电压等级，在一些动力性场合一般采用串联组成超级电容板作为能源系统。由于超级电容对电压非常敏感，电容板在使用时要增加一定的保护电路。参看国内大部分电容保护电路发现，其保护电路相当简单，一般只包括过压、欠压、过流、短路保护等。在一般使用条件下，这个超级电容组可以在短时间内进行正常的工作。但是经过一个阶段的大电流状态工作后，发现各个单体之间的上限电压和下限电压出现严重的不一致，严重影响了能源系统的性能，对电容进行均衡控制是解决上述现象最有效的办法。
目前，国内外学者基于超级电容器的均压问题提出了一系列均压方法。主要采用主动均压法，分为:①能量消耗型均压策略，通过耗能元件释放电压过高的电容器单元的能量。此类方法能量消耗大，主要适用于小功率供电场合。②能量转移型均压策略，通过开关变换器把电压高的单元能量转移到其他单元。此类方法主要适用于大功率供电场合。
在本发明所适用的功率场合，采用能量消耗型均压策略。传统的能量消耗型均压策略有：
①稳压管法中每个电容器都并联一个稳压管，当电容器的工作电压超过稳压管的击穿电压时，充电电流就会在稳压管上流过，电容器的电压不再上升。电路结构如图1所示。此种均压方法的优点是电路结构简单、控制方便、成本低，缺点是能量得不到充分利用；稳压管工作时发热严重，当其电流超过一定值时，稳压管会因过热而损坏；均压效果受制于稳压管参数的一致性，但实际稳压管参数受到温度影响，参数一致性实现难度大，目前应用少。
②开关电阻法开关电阻法中每个超级电容器都并联一个由一个开关和一个电阻串联而成的支路。当单体超级电容器超过控制电路预设电压值时，控制电路控制开关闭合，通过并联电阻将电流分流，以此消耗超级电容器多余能量，达到均衡各个超级电容器电压的目的。电路结构如图2所示。此种均压方法的优点是电路控制简单、均压速度快、体积小。
本发明在传统开关电阻法策略基础上设计出了一种用开关管控来代替传统开关的超级电容器的模块均衡电路。
该均衡电路首先通过电压检测模块检测出串联电池组压差状态，然后与设定的压差进行比较作为均衡是否启动的依据。
在主均衡电路上，TL431为一并联型三端稳压管，设计R1、R2、R3的阻值分别为5.1kΩ、120kΩ、200Ω，当电源电压超过2.60V时便开通TL431，从而控制两个三极管的开通与关断。通过功率电阻R5、R6耗能来降低电容的电压，使其达到一均衡点。本发明的原理图中均衡点取2.60V。消耗电阻R5、R6用于消耗电压过高的电池电量，电阻值为120Ω。从上述均衡的电路原理可以看出,电路的均衡电流不能超过TL431的上限保护电流(70mA左右)。
主均衡电路的两个三极管用于控制被动均衡电路的开启和关断，当电池电压低于2.6V时，上端PNP型三极管由于无法达到BE压差而自动关断，主均衡电路因此断路，与后端的P型MOS管无关。此电路的自动关断功能非常重要，可以在硬件方面直接保护超级电容不会因为过放而损坏。在此之前的大多数包含被动均衡电路的电容管理系统应用中，当某一节电容电压过低导致整个电池系统报警并且停机后，由于被动均衡电路中的开关器件损坏且不能自行关断，而使电容持续放电至损坏状态的情形不在少数。
在均衡电路的控制电路中，三个分压电阻的作用是用于分压控制主均衡电路中的三极管的通断并且限制控制回路的消耗电流，在保护控制功能的同时做到低功耗。系统中的MOS管由三极管控制从而检测单节电容电压是否过高后再进行开启和关断，当系统稳定运行时，图3中的发光二极管会亮绿灯，显示工作状态。
该电路运行稳定，均衡效果明显，60串超级电容串联时，可以有效的保持电容的一致性，并且在电容电压过低而电容管理系统断电的情况下，使均衡电路一直处于关断状态，电路有很高的有效性和可靠性。
本发明的系统中采用开关电阻法进行电路的均衡，此电路以典型的电阻消耗式被动均衡电路为基础，对电压超过设定阈值的单串电容进行放电，电量转化成热量形式散发出去。在主均衡电路上的消耗电阻前端加入一个PMOS，通过前面的第一PNP开关管和第二NPN开关管控制PMOS的开通和关断；在均衡电路的主电路中，加入3个上拉电阻，以稳定电压。

Claims (8)

1.一种超级电容器的均衡模块电路，其特征在于：包括电源、稳压管TL431、第一PNP开关管Y2、第二NPN开关管E21、PMOS采用S5、放电电阻、超级电容；
稳压管TL431的1脚并联接入电阻R1和电阻R2，R1电阻的另一端与电源相连接；电阻R2的另一端与TL431的3脚连接并接地；TL431的2脚与1脚间接入一个电容C1；TL431的2脚与第一PNP开关管的基极相连；并接入一个上拉电阻R3，R3的另一端与第一PNP开关管的发射极相连接；第一PNP开关管的集电极与第二NPN开关管E21的基极相连；第二NPN开关管E21的发射极接地；第二NPN开关管E21的集电极与PMOS的栅极相连接；同时接入上拉电阻R4；R4的另一端与PMOS的源极相连，同时与第一PNP开关管的发射极相连接并接入电源；PMOS的漏极并联接入放电电阻R5、R6；在电源和地之间连接有一整体分压电阻R8。
2.根据权利要求1所述的超级电容器的均衡模块电路，其特征在于：所述超级电容器包括60个串联的单体电容。
3.根据权利要求1所述的超级电容器的均衡模块电路，其特征在于：所述的PMOS的漏极并联接入放电电阻R5、R6，并且并联电阻R7和一个绿色发光二极管，并联接地。
4.根据权利要求1所述的超级电容器的均衡模块电路，其特征在于：所述的第一PNP开关管选用Y2型三极管；第二NPN开关管选用E21型三极管；PMOS采用S5型MOS管。
5.根据权利要求1所述的超级电容器的均衡模块电路，其特征在于：所述电阻R1是阻值为5.1kΩ的电阻；电容C1是电容值为1000pF的电容；电阻R2是阻值为120kΩ的电阻；电阻R3是阻值为200Ω的电阻；电阻R4是阻值为1kΩ的电阻；电阻R5、R6是阻值为120Ω的电阻；电阻R7是阻值为510Ω电阻；电阻R8是阻值为100Ω的电阻。
6.一种根据权利要求5所述的均衡模块电路的均衡方法，其特征在于：当电源电压超过2.60V时便开通TL431，从而控制两个三极管的开通与关断；通过功率电阻R5、R6耗能来降低电容的电压，使其达到一均衡点；均衡点为2.60V，消耗电阻R5、R6用于消耗电压过高的电池电量，电阻值为120Ω,电路的均衡电流小于等于TL431的上限保护电流；主均衡电路的两个三极管用于控制被动均衡电路的开启和关断，当电池电压低于2.6V时，上端PNP型三极管由于无法达到BE压差而自动关断，主均衡电路因此断路，与后端的P型MOS管断开。
7.根据权利要求5所述的均衡方法，其特征在于：在均衡电路的控制电路中，三个分压电阻分压控制主均衡电路中的三极管的通断并且限制控制回路的消耗电流，保护电路且低功耗。
8.根据权利要求5所述的均衡方法，其特征在于：系统稳定运行时，发光二极管亮灯为正常工作。
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