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如何解决超级电容组电压均衡问题

[导语]理想状态下,超级电容组中每个超级电容单体性能应该是一致的,即每个超级电容单体的电压是一样的,但受诸多因素的影响,电容单体间的电压是有差异的,需要通过好的均衡电路来解决这个问题。超级电容组的电压由串联的电容器数量决定,而功率则是由并联的电容器数量决定。超级电容和电动汽车动力电池类似,每个超级电容单体的电压范围为1~3.0V(和电容器类型有关),所以需要将超级电容串联使用才能得到所需的电压。
理想状态时,每个超级电容单体性能应该是一致的,即每个超级电容单体的电压是 一样的。但是,由于制造误差、自放电率等因素,电容器单体之间的电压是有差异的。在制造时和整个产品寿命周期内,电容值的变化和泄漏电流影响电容器电压的分布,所以,使用超级电容单体管理电路来提高串联使用的超级电容单体的性能和寿命,是最有效的管理超级电容单体的方法(另一种管理方法是把过压的单体放电达到保护超级电容的目的,但也产生了其他问题)。一个好的均衡电路可以对异常的单体迅速做出响应,超级电容单体平衡方法有两种,即被动均衡式(图1)和主动均衡式(图2)。被动均衡电路(1)电阻直接与超级电容并联的结构这种方式如图1 (a)所示,在每个超级电容单体上并联一个电阻来抑制泄漏电流,实际上,就是使用公差很小的电阻强制单个模块的电压一致。超级电容在充电过程中,内阻决定充电电流的大小以及最终电压。超级电容充电之后,自放电内阻是一个重要参数,用一个小的电阻就可以实现超级电容单体之间的电压平衡。电阻阻值应比超级电容的内阻大许多,但比自放电电阻小。不同的电阻值,电压的平衡过程可能花几分钟到几小时。这种方法最适合低负荷运行工况,如UPS电源,充电电流不大,充电时间长,可以延长超级电容的使用寿命。该方法具有结构简单和低成本的优点,最大的确点是在外电阻上产生很大的功率损失,这个损失与电阻值和电流大小有关。如果充电时间足够长可以完成均衡过程,在电动汽车上也可应用,但是用峰值功率进行充电时可能会引起过压,这个电路对防止过压无能为力。(2)开关控制的电阻并联的结构这种方式如图1 (b)所示,在上一种结构的电阻上串联一个开关,当单体电压高于预先设定的电压值时,开关接通;当单体电压低于预先设定的电压值时,开关关闭。这种结构需要测量单体电压,会增加成本。(3)采用DC/DC变换器的结构这种方式如图1 (c)所示,在相邻的单体之间接人DC/DC变换器,平衡具体的电压。除变换器的损失外,没有其他损失,效率高于上述两种平衡方式。但由于硬件实现和控制成本高的原因,这种结构没有引起人们太多的兴趣。12下一页>
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(4)采用齐纳(Zener)二极管的结构
这种方式如图5-15 1(d)所示,在单体上并联一个齐纳二极管,只要达到齐纳二极管的工作电压,单体电压就保持不变。这种结构的主要缺点是二极管的功率损失很大,而且二极管本身的电压与温度有很大关系,所以无法大量超级电容被动均衡电路图1:超级电容被动均衡电路主动均衡电路如图2(a)主动均衡电路所示,主动均衡需要的时间比被动均衡需要的时间短,电压分配精确相等,而且寄生损失小。如果达到极限电压,电路通过一个并联在超级电容上的小功率电阻的旁路作用进行均衡。这个电阻的作用与被动均衡式相同,但是,由于均衡电流大,均衡的过程很短。在低于极限电压时,电阻不起作用,充电电流可以很大。在旁路部分起作用时,电流可以较高,但是这要受并联电阻的限制(一般上限电流达1A)。因此,这个电路不能在车辆上应用,因为车辆制动时,制动回馈产生的充电电流远大于1A,这会损坏整个电路。图2(b)是使用辅助电流源的结构,即用两个辅助电流源调节超级电容的充放电电流,根据充放电时超级电容的电压,确定均衡电流。超级电容主动均衡电路图2:超级电容主动均衡电路<上一页12
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