[發(fā)明專利]一種串聯(lián)電容器組諧振式電壓均衡充電方法及其系統(tǒng)

有效

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• 申請日: 2012-12-31
• 公開（公告）號(hào): CN103001297A
• 公開（公告）日: 2013-03-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張偉;張航
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號(hào): H02J7/00
• 分類號(hào): H02J7/00
• 代理公司: 長沙丁卯專利代理事務(wù)所(普通合伙) 43211
• 代理人: 陳書誠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種串聯(lián)電容器組諧振式電壓均衡充電方法及其系統(tǒng)。

背景技術(shù)

超級(jí)電容是一種利用雙電層原理實(shí)現(xiàn)的新型儲(chǔ)能元件，單體容量不僅可達(dá)數(shù)萬法拉，同時(shí)具有循環(huán)壽命長、溫度范圍寬、充放電速度快、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，由于超級(jí)電容單體的額定電壓較低，因此在實(shí)際應(yīng)用過程需要將多個(gè)單體串聯(lián)，以滿足容量及工作電壓等級(jí)的現(xiàn)場需要。然而由于生產(chǎn)材料及制造工藝等的限制，即使標(biāo)稱參數(shù)完全一致的單體，其實(shí)際的等效串聯(lián)內(nèi)阻、容量、充放電速率等參數(shù)一般會(huì)存在顯著的差異，因此在多超級(jí)電容串聯(lián)使用過程中，個(gè)體的端電壓會(huì)呈現(xiàn)典型的不均衡性，這種現(xiàn)象不僅降低了能量的存儲(chǔ)效率，同時(shí)可能導(dǎo)致單體的過充發(fā)生，嚴(yán)重影響了超級(jí)電容的使用壽命和可靠性。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種保持串聯(lián)電容器組中每個(gè)電容器單體的充電電壓均衡的、能夠延長電容器單體的使用壽命的、節(jié)能效果顯著的串聯(lián)電容器組諧振式電壓均衡充電方法及其系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

所述方法包括使用直流充電電源給串聯(lián)電容器組充電；串聯(lián)電容器組中的每個(gè)電容器單體并聯(lián)電壓均衡單元；在電壓均衡單元中：

（1）具有RLC串聯(lián)電路的降壓緩沖模塊：由緩沖開關(guān)G1和LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元中的電感器L、電容器C構(gòu)成，該RLC串聯(lián)電路工作于欠阻尼狀態(tài)，其中R為G1、L和C的等效電阻總和；

（2）具有RLC串聯(lián)電路的電能釋放模塊：由釋放開關(guān)G2和LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元中的電感器L、電容器C構(gòu)成，RLC串聯(lián)電路工作于欠阻尼狀態(tài)，其中R為G2、L和C的等效電阻總和，G2的電氣特性與G1相同，等效內(nèi)阻也相等；

（3）緩沖開關(guān)G1和釋放開關(guān)G2工作在互補(bǔ)導(dǎo)通狀態(tài)，開關(guān)周期及占空比與RLC串聯(lián)電路的諧振頻率一致；

（4）緩沖開關(guān)G1和釋放開關(guān)G2的源極和漏極之間分別并聯(lián)電容，結(jié)合各自所在RLC串聯(lián)電路的諧振特性，使緩沖開關(guān)G1和釋放開關(guān)G2工作在軟開關(guān)狀態(tài)，降低開關(guān)能量損耗；

（5）當(dāng)電容器單體的端電壓超過給定閥值時(shí)，電壓均衡單元中的電壓檢測單元輸出高電平，電壓均衡單元中的脈沖調(diào)制單元輸出具有一定周期和占空比的方波，通過互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)緩沖開關(guān)G1和釋放開關(guān)G2互補(bǔ)導(dǎo)通或者截止；當(dāng)電容器單體的端電壓低于給定閥值時(shí)，電壓檢測單元輸出低電平，脈沖調(diào)制單元一直輸出低電平信號(hào)，此時(shí)緩沖開關(guān)G1處于截止?fàn)顟B(tài)，釋放開關(guān)G2處于導(dǎo)通狀態(tài)。

將端電壓增長最慢的電容器單體連接在直流充電電源的負(fù)極，該級(jí)電容器單體并聯(lián)的電壓均衡單元的電壓檢測單元一直輸出低電平，脈沖調(diào)制單元一直輸出低電平信號(hào)，此時(shí)G1一直截止，G2一直導(dǎo)通，能夠進(jìn)一步降低整個(gè)電壓均衡充電系統(tǒng)的能耗。

所述系統(tǒng)包括串聯(lián)電容器組和直流充電電源；串聯(lián)電容器組中的每個(gè)電容器單體的兩端并聯(lián)電壓均衡單元；所述電壓均衡單元包括電壓檢測單元、脈沖調(diào)制單元、互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)單元、緩沖開關(guān)、釋放開關(guān)、LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元；電壓檢測單元的輸入端連接在電容器單體的兩端，電壓檢測單元的輸出端連接脈沖調(diào)制單元，脈沖調(diào)制單元連接互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)單元，互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)單元的兩個(gè)輸出端分別連接緩沖開關(guān)和釋放開關(guān)，LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元與釋放開關(guān)和緩沖開關(guān)連接，分別構(gòu)成RLC降壓釋放電路和RLC電能儲(chǔ)存電路。

所述電壓檢測單元采用BL8506集成芯片；互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)單元采用TPS28225集成芯片；緩沖開關(guān)G1和釋放開關(guān)G2均采用Mosfet開關(guān)管。

根據(jù)對(duì)應(yīng)的RLC串聯(lián)電路所決定的共振周期、電流及電壓過零特性和電氣特性，每個(gè)Mosfet開關(guān)管的源極和漏極間并聯(lián)一個(gè)電容，確保Mosfet開關(guān)管工作在軟開關(guān)狀態(tài)，降低Mosfet開關(guān)管的開關(guān)損耗。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：能夠保持串聯(lián)電容器組中每個(gè)電容器單體的充電電壓均衡，能夠有效地延長電容器單體的使用壽命，能量損耗低，節(jié)能效果顯著，結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展性強(qiáng)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)一實(shí)施例電氣原理框圖；

圖2為1的電壓均衡單元一實(shí)施例的主電路圖；

圖中：1-電容器單體，2-電壓均衡單元。.

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

所述方法包括使用直流充電電源給串聯(lián)電容器組充電；串聯(lián)電容器組中的每個(gè)電容器單體1并聯(lián)電壓均衡單元；在電壓均衡單元中：