一种能量转移型超级电容器电压均衡电路

摘要

本发明提供一种能量转移型超级电容器电压均衡电路，每两个相邻超级电容器单体之间连接有一个电力电子变换电路，通过采集各超级电容器单体电压并比较相邻超级电容器单体之间的电压从而控制与各超级电容器单体并联的开关管导通和关断，使能量通过电感在相邻的两个电容器间传递，最终将电压高的超级电容器单体中的能量通过电力电子变换电路转移到电压低的超级电容器单体中；该电路均压效率高、基本无损耗、均衡速度快，并且在充电和放电过程中都可以进行电压均衡。

权利要求

1.一种能量转移型超级电容器电压均衡电路，其特征在于：每两个相邻超级电容器单体之间连接有一个电力电子变换电路，通过采集各超级电容器单体电压并比较相邻超级电容器单体之间的电压从而控制与各超级电容器单体并联的开关管导通和关断，使能量通过电感在相邻的两个超级电容器单体间传递，最终将电压高的超级电容器单体中的能量通过电力电子变换电路转移到电压低的超级电容器单体中；

所述电力电子变换电路包括电压采集器、比较器、与门电路、非门电路、电感、电力电子开关和脉冲发生器；每只超级电容器单体两端并联电压采集器，相邻的两只超级电容器单体-第一超级电容器单体(Ca)和第二超级电容器单体(Cb)，与第一超级电容器单体(Ca)并联的第一电压采集器(Ba)和与第二超级电容器单体(Cb)并联的第二电压采集器(Bb)均连接至比较器(COMP)；比较器(COMP)的输出端分为两路，比较器(COMP)输出端一路连接第一与门电路(ANDa)，第一与门电路(ANDa)输出驱动与第一超级电容器单体并联的第一电力电子开关(IGBTa)；比较器(COMP)输出端另外一路通过非门电路(NOT)后连接至第二与门电路(ANDb)，第二与门电路(ANDb)输出驱动与第二超级电容器单体(Cb)并联的第二电力电子开关(IGBTb)；第一与门电路(ANDa)和第二与门电路(ANDb)的另一输入端均连接至脉冲发生器(M)，每两个相邻的超级电容器单体与电力电子开关回路之间共用一个电感(L)。

2.根据权利要求1所述的能量转移型超级电容器电压均衡电路，其特征在于：所述电力电子开关采用IGBT。

3.根据权利要求1所述的能量转移型超级电容器电压均衡电路，其特征在于：N只电容量不同的超级电容器单体组成串联模块,连接N-1个电力电子变换电路。

说明书

一种能量转移型超级电容器电压均衡电路

技术领域

[0001] 本发明属于电气领域，涉及一种能量转移型超级电容器电压均衡电路。

背景技术

[0002] 超级电容器作为一种新型绿色储能器件，具有功率密度高、充电速度快、充放电电流大、循环使用寿命长、对环境无污染、能量转化效率高等优点，在新能源汽车、分布式电网、电能质量调节、工业节能、军工、后备电源等领域具有广阔的应用前景。但由于超级电容器单体储存能量有限且工作电压不高，一般不超过3V，故在实际应用中常需要将多个超级电容器串并联使用。超级电容器串联成组后，在充(放)电过程中，由于各单体电容器参数(如电容值、内阻、漏电流等)存在差异，大电流充放电过程中会造成各单体电容两端电压不均衡，各电容电压上升(下降)速度不同，进而导致某些单体电容过充(过放)，影响超级电容器的效率、使用寿命以及系统的安全性和稳定性。因此，对串联超级电容器单体进行电压均衡管理具有十分重要的意义。

[0003] 电压均衡在超级电容器的实际应用中起着至关重要的作用，同样电压均衡方案的选取也直接关系到超级电容器组能否正常高效的工作，在特定的场合下选择合适的均衡方案才能最大限度的发挥超级电容器的储能优势。目前常用的电压均衡方法有以下两种：

[0004] (1)并联稳压管法，电路原理如图1所示。

[0005] 并联稳压管法均压的工作原理是，将稳压管击穿电压设置为超级电容器单体额定电压，对串联超级电容器组进行恒流充电，各单体两端电压将逐渐增大，当某一单体电容首先达到额定电压时，其并联的稳压管将被击穿分流，充电电流将从稳压管流过，对应的电容器不再充电，电压将稳定在额定电压不变，其他单体电容依次类推，最终达到各电容电压均衡。该方案虽然电路结构简单，成本很低，无需任何控制手段，操作方便；但由于其在电压达到额定电压后，充电电流全部流经稳压管，能量完全消耗在稳压管上，导致稳压管发热和能量损失严重，并且均压过程较长。

[0006] (2)开关电阻法

[0007] 开关电阻法是一种通过接入开关管以及并联电阻，在电容器端电压高于额定电压时导通开关管对充电电流进行分流，从而使各电容器端电压逐渐趋于均衡的方法。其电路原理如图2所示。

[0008] 均衡模块主要由电压采集器B、电压比较器COMP、开关管IGBT和电阻R串联而成，然后并联在单体电容C两端。电路工作过程如下：各单体电容C在恒流源I作用下充电，当某一单体电容电压达到基准电压E(略小于额定电压的某一电压值)时，开关管IGBT导通，电容C通过回路向电阻R放电，致使其电压上升速率减慢，其他电容电压在达到基准电压时操作相同，充电速率减慢，最终在电阻的分流作用下各单体电容电压达到均衡。

[0009] 该方法电路简单、成本较低、控制方便、可靠性高，而且可以根据充电电流大小来设定旁路电阻，控制明显较并联稳压管法灵活，但是仍存在能量损耗，电阻发热量较大，均压时间较长的弊病。

[0010] 综上所述，现有的电压均衡方案虽然具有电路简单、控制方便、成本较低等特点，但是其采用电阻消耗多余能量的方式进行均压，而超级电容器在实际使用过程中常处于频繁快速大电流充、放电的状态，这将会产生较大的损耗和热量；并且现有的方法均衡速度较慢，不利于超级电容器的大规模集成和大功率应用。

发明内容

[0011] 本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种能量转移型超级电容器电压均衡电路，均压过程无损耗、均衡速度快，提高超级电容器储能装置的整体效率。

[0012] 为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

[0013] 一种能量转移型超级电容器电压均衡电路，每两个相邻超级电容器单体之间连接有一个电力电子变换电路，通过采集各超级电容器单体电压并比较相邻超级电容器单体之间的电压从而控制与各超级电容器单体并联的开关管导通和关断，使能量通过电感在相邻的两个电容器间传递，最终将电压高的超级电容器单体中的能量通过电力电子变换电路转移到电压低的超级电容器单体中。

[0014] 所述电力电子变换电路包括电压采集器、比较器、与门电路、非门电路、电感、电力电子开关和脉冲发生器；每只超级电容器单体两端并联电压采集器，分别与相邻的两只超级电容器单体-第一超级电容器单体和第二超级电容器单体并联的第一电压采集器和第二电压采集器连接至比较器；比较器的输出端分为两路，比较器输出端一路连接第一与门电路，第一与门电路输出驱动与第一超级电容器单体并联的第一电力电子开关；比较器输出端另外一路通过非门电路后连接至第二与门电路，第二与门电路输出驱动与第二超级电容器单体并联的第二电力电子开关；第一与门电路和第二与门电路的另一输入端均连接至脉冲发生器，每两个相邻的超级电容器单体与电力电子开关回路之间共用一个电感。

[0015] 所述电力电子开关采用IGBT。

[0016] N只电容量不同的超级电容器单体组成串联模块,连接N-1个电力电子变换电路。

[0017] 本发明的能量转移型电压均衡电路，通过电力电子变换电路将电压较高的电容器中的能量转移至相邻的电压较低的电容器中去，通过实时转换，使各超级电容器的电压处于均衡状态，当忽略转换效率时，基本不消耗能量，并且均衡速度快、可实现动态均衡，提高了超级电容器均压的效率、消除能量损耗、缩短均压时间。

附图说明

[0018] 图1为现有的并联稳压管法均压原理图；

[0019] 图2为现有的开关电阻法均压原理图；

[0020] 图3本发明的电路结构图；

[0021] 图4本发明实施例充电电路结构图；

[0022] 图5本发明实施例放电电路结构图；

[0023] 图6具体实施例一的波形图；

[0024] 图7具体实施例二的波形图；

[0025] 图8具体实施例三的波形图。

具体实施方式

[0026] 以下结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述：

[0027] 本发明的电路结构如图3所示，在两个相邻超级电容器之间连接一个电力电子变换电路，通过比较相邻电容器之间的电压从而控制开关管的导通和关断，使能量通过电感在相邻的两个电容器间传递，最终将电压高的超级电容器中能量通过电力电子变换电路转移到电压低的超级电容器中。

[0028] 本发明的方案就是通过对相邻单体电容两端电压进行比较(C1和C2，C2和C3，……，Cn-1和Cn)，运用电力电子变换器将电压较高的电容能量转移到电压较低的电容上，最终实现电压均衡，由于电路中没有耗能型器件，基本上实现了零损耗，且均压速度快，并且在充电和放电过程中都能保证单体电压的均衡。

[0029] 参考图3，电力电子变换电路由电压采集器、比较器、与门电路、非门电路、电感、电力电子开关、脉冲发生器组成。每只超级电容器两端并联电压采集器，采集各单体电压，每只超级电容器单体两端并联电压采集器，分别与相邻的两只超级电容器单体-第一超级电容器单体Ca和第二超级电容器单体Cb并联的第一电压采集器Ba和第二电压采集器Bb连接至比较器COMP；比较器的输出分为两路，一路直接连接第一与门电路ANDa，其输出驱动与第一超级电容器单体Ca并联的第一电力电子开关IGBTa；另外一路通过非门电路NOT后连接至第二与门电路ANDb，其输出驱动与第二超级电容器单体Cb并联的第二电力电子开关IGBTb；两个“与门电路”的另一输入端均连接至脉冲发生器M，每两个相邻的电容器与电力电子开关回路之间共用一个电感L。

[0030] 通过比较器实时对相邻两个超级电容器单体的电压进行比较，比较器的输出电位与脉冲发生器经过逻辑电路处理后控制开关器件的导通和关断，从而控制电压较高的电容器中的能量自动转移至相邻的电压较低的电容器中去；通过实时转换，使电容器的电压处于动态均衡状态。

[0031] 所述超级电容器电压均衡电路，可应用于任何容量等级、任何组合方式的超级电容器组中，M个超级电容器需要M-1个电压均衡电路。

[0032] 超级电容器电压均衡电路均压过程基本无能量损耗、均压效率高、均衡速度快，并且在充电和放电过程中都可以进行电压均衡。

[0033] 本发明工作过程如下：

[0034] (1)充电过程

[0035] 根据本发明搭建的充电电路结构图如图4所示，设定由100A的恒流源对由4只电容量不同的超级电容器组成的串联模块进行充电，每只超级电容器两端均接入本发明所述的电压均衡电路，共有3个均衡电路，其内部结构相同。4只超级电容器的电容量分别为：C1＝1000F，C2＝1200F、C3＝1400F、C4＝1600F。

[0036] 在充电时，由于充电电流大小相同，根据U＝It/C可知，电容量C越小，其端电压上升的越快；即在充电时C1的电压上升的最快，C2、C3、C4的端电压依次降低。由于均衡电路的作用，比较器COMP1会实时对C1、C2的端电压U1、U2进行比较，当U1＞U2时，比较器COMP1输出高电平信号，而经“非门NOT1”后的输出为低电平信号。所以，在脉冲发生器M1输出方波的正半周期，“与门AND1”的输出为高电平，将对IGBT1进行触发，IGBT1导通，此时电容器C1对电感L1进行充电，C1端电压下降、电感L1电压上升；在M1输出方波的负半周期，IGBT1关闭，L1将与C2通过与IGBT2反向并联的二极管构成导通回路，L1对C2进行充电，L1电压降低、C2电压升高，即间接地将电容器C1的能量转移至电容器C2，降低了C1的电压U1、C2的电压提高了U2。此过程过中由于“非门NOT1”输出为低电平信号，所以“与门AND2”输出一直为低电平，故IGBT2一直处于关闭状态。

[0037] 若C2的端电压高于C1，即U2＞U1时，则比较器COMP1输出为低电平信号，其经“非门NOT1”后的输出为高电平信号。所以，在脉冲发生器M1输出方波的正半周期，“与门AND2”的输出为高电平，将对IGBT2进行触发，IGBT2导通，此时电容器C2将对电感L1进行充电，C2端电压下降、电感L1电压上升；在M1输出方波的负半周期，IGBT2关闭，L1将与C1通过与IGBT1反向并联的二极管构成导通回路，L1对C1进行充电，L1电压降低、C1电压升高，即间接地将C2的能量转移至C1，降低了U2、提高了U1。此过程过中由于比较器COMP1输出为低电平信号，所以“与门AND1”输出一直为低电平，故IGBT1一直处于关闭状态。

[0038] 同理，当C2电压高于C3时(即U2＞U3)，将在脉冲发生器M2输出方波的正半周期导通IGBT3，C2给电感L2充电，并在M2输出方波的负半周期由L2对C3进行充电，从而将C2的能量转移给C3，降低C2电压、提高C3电压。当C3的电压高于C2时(即U3＞U2)，将在脉冲发生器M2输出方波的正半周期导通IGBT4，C3给电感L2充电，并在M2输出方波的负半周期由L2对C2进行充电，从而将C3的能量转移给C2，降低C3电压、提高C2电压。依此类推，最终达到各电容器端电压的动态平衡。

[0039] 由于脉冲发生器的频率很高，所以能量转移速度很快，且整个过程中没有能耗器件，无能量损失，均衡效率很高。

[0040] (2)放电过程

[0041] 根据本发明所述搭建的放电电路结构图如图5所示，整个均衡电路结构及参数均不变，将充电电源替换为放电电阻。在放电时，电容量越小电压下降越快，所以放电时C1的电压下降的最快，C2、C3、C4的端电压依次升高。由于均衡电路的作用，比较器COMP1会实时对C1、C2的端电压U1、U2进行比较，当U1＜U2时，比较器COMP1输出低电平信号，而经“非门NOT1”后输出为高电平信号。所以，在脉冲发生器M1输出方波的正半周期，“与门AND2”的输出为高电平，将对IGBT2进行触发，IGBT2导通，此时电容器C2对电感L1进行充电，C2端电压下降、电感L1电压上升；在M1输出方波的负半周期，IGBT2关闭，L1将与C1通过与IGBT1反向并联的二极管构成导通回路，L1对C1进行充电，L1电压降低、C1电压升高，即间接地将电容器C2的能量转移至电容器C1，降低了U2、提高了U1。此过程过中由于比较器COMP1输出为低电平信号，所以“与门AND1”输出一直为低电平，故IGBT1一直处于关闭状态。

[0042] 若C1的端电压高于C2，即U1＞U2时，则比较器COMP1输出为高电平信号，其经“非门NOT1”后输出为低电平信号。所以，在脉冲发生器M1输出方波的正半周期，“与门AND1”的输出为高电平，将对IGBT1进行触发，IGBT1导通，此时电容器C1将对电感L1进行充电，C1端电压下降、电感L1电压上升；在M1输出方波的负半周期，IGBT1关闭，L1将与C2通过与IGBT2反向并联的二极管构成导通回路，L1对C2进行充电，L1电压降低、C2电压升高，即间接地将C1的能量转移至C2，降低了U1、提高了U2。此过程过中由于“非门NOT1”输出为低电平信号，所以“与门AND2”输出一直为低电平，故IGBT2一直处于关闭状态。

[0043] 同理，以此类推，电压均衡装置会动态地将电压较高的电容量的能量，通过电感间接地转移至相邻的电压降低的电容器中去，降高补低，最终达到各电容器端电压的动态平衡。

[0044] 以下通过具体实施例对发明进行详细说明：

[0045] 具体实施例一

[0046] 以图4所示电路图进行实施，设置各电容器单体初始电压均为0V；电路中的电感设置为10μH，开关管脉冲频率设置为2000Hz。

[0047] 对电容器两端电压波形进行实时测量，波形见图6所示。

[0048] 由波形图可见，虽然各电容器的电容量差距较大，但在均压装置的作用下，充电时4个超级电容器的端电压变化曲线几乎重叠，在39s时同时达到了其额定电压3V，并一直稳定在此值，证明了该电压均衡电路的良好性能。若不加均压措施，理论上当C1充满(电压达到3V)时，C4的端电压仅为3×1000/1600＝1.875V。

[0049] 具体实施例二

[0050] 仍以上述电路结构进行实施，在充电前，预先分别给4只超级电容器充电使其具有不同的初始电压，4只电容器的初始电压分别为：UC1＝0V、UC2＝1V、UC3＝1.5V、UC4＝2.5V，DC/DC变换器电感仍设置为10μH，开关管脉冲频率设置为2000Hz，对电容器两端电压波形进行实时测量，波形见图7所示。

[0051] 从波形图可以看出，即使在各单体初始电压差距很大、容量也不同的情况下，在该均压装置的作用下仍然可以很快达到电压均衡的效果，证明了该电路良好的均压特性。

[0052] 具体实施例三

[0053] 仍以上述4只超级电容器串联组成的模组进行实施，将充电电源替换为放电电阻，电路结构如图5所示。电阻设定为0.02Ω，验证其放电时的均压特性。

[0054] 预先分别给4只超级电容器充电使其具有不同的初始电压，4只电容器的初始电压分别为：UC1＝2V、UC2＝2.2V、UC3＝2.5V、UC4＝3V，在放电时对电容器两端的电压波形进行实时测量，波形见图8所示。

[0055] 由波形图可以看出，即使在各单体初始电压差距很大、容量也不同的情况下，在放电过程中各单体电压也能很快达到均衡的效果。

[0056] 由以上具体实施案例可见，本发明所述的均压电路，基本无能量损耗、效率高、电压均衡速度很快，在充电和放电过程中都可以进行电压均衡，综合效果良好，可提高超级电容器储能模组的可靠性和有效利用率。