[發明專利]超級電容器組電壓均衡電路

在審

• 申請號: 201810445515.0
• 申請日: 2018-05-07
• 公開（公告）號: CN108551202A
• 公開（公告）日: 2018-09-18
• 發明（設計）人: 熊慧;王玉領;劉近貞
• 申請（專利權）人: 天津工業大學
• 主分類號: H02J7/34
• 分類號: H02J7/34;H02J7/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提出超級電容器組電壓均衡電路，屬于電池均衡管理領域。系統由微控制器控制電路、電壓采集電路、電壓均衡電路及其開關網絡和串聯的超級電容組成。其中所述均衡電路包括分流電路和反激式DC?DC轉換器電路；所述開關網絡將分流電路與反激式DC?DC轉換器電路結合在一起，各超級電容單體的正極(負極)均與正極(負極)開關連接在一起，所有正極(負極)開關的另一端連接在反激式DC?DC轉換器的初級(次級)端。本發明利用分流電路實現充電過程快速、高效地均衡，利用反激式DC?DC轉換器實現靜態過程下能量從最高電壓單元到最低電壓單元的直接轉移。動態均衡與靜態均衡相結合，有效地提升均衡速度，使其能夠滿足脈沖功率系統中超級電容儲能組的快速均衡。

技術領域

本發明屬于電池均衡管理領域，應用于脈沖功率系統中超級電容儲能組的快速電壓均衡，涉及分流電路用于超級電容組充電過程的快速均衡以及反激式DC-DC轉換器用于實現超級電容組的靜態均衡。

背景技術

超級電容器是一種新型的儲能器件，具有超大容量、較高的能量密度、功率密度高、循環使用壽命長、維護費用低、綠色無污染等優點，使其在電動汽車、電磁炮、激光武器等領域具有廣闊的應用前景。因為超級電容器單體電壓低，通常在實際應用中需要把多個超級電容單體串聯使用。由于各個超級電容內部的等效串聯內阻(ESR)、容量存在的差異，單體之間不平衡的充電狀態(SOC)，老化以及充電-放電期間超級電容組的環境溫度的梯度等原因造成串聯單體之間的電壓不平衡。如果單體初始電壓較低，則會導致過度放電；相反，單體初始電壓較高，會導致過度充電。此外，單體間電壓不均衡會影響超級電容器組的總充電容量，同時會對超級電容造成損壞，影響其使用壽命。因此，在實際應用中需要在串聯超級電容器組中添加均衡電路進行電壓均衡。

目前常用的電壓均衡方法可以分為兩類：一類是能量消耗型，有并聯電阻法、穩壓管法以及晶體管和運算放大器組成的耗散單元平衡技術等。上述方法均是通過并聯元件以熱量的形式消耗多余的能量，這大大降低了系統的效率。此外，均壓過程會產生大量的熱，均壓過程還需考慮加裝散熱裝置。另一類是能量轉移型，有飛渡電容法、隔離式DC-DC轉換器法以及非隔離式DC-DC轉換器法、分流法等。飛渡電容法是利用電容作為中間媒介，通過電容進行能量的傳遞，當串聯單體數量較多時，能量轉移過程中需要經過較多的電容，導致損耗增加、均衡速度下降。非隔離式DC-DC轉換器法又分為Buck/Boost變換器法、Cuk變換器法等，均是通過電感、電容等動態元件進行能量傳遞，能量需要在單體之間逐步轉移，不能實現能量從高壓單元到低壓單元的直接轉移，使得均衡速度下降，并增加能量損耗。隔離式DC-DC轉換器利用變壓器可以實現能量高效率的傳輸，其將全部能量作為輸入，通過開關或者次級繞組的形式與各個單體相連，實現單體能量與整體能量的轉移。但同樣不能實現能量從最高單元到最低單元的直接轉移。分流法利用在單體之間以及兩端添加二極管和開關，利用相應開關的導通-關斷直接改變單體充電時間，以實現電壓均衡。這種方法結構簡單，均壓速度快，但不能實現靜態均衡。

發明內容

本發明針對現有均衡技術存在的優缺點，提出一種應用于脈沖功率中的超級電容組充電均衡電路。本電路將隔離式DC-DC轉換器法與分流法相結合，實現充電過程與靜態過程的快速均衡，使其滿足脈沖功率的應用。

本發明電路包括MCU控制模塊、電壓采集模塊、電壓均衡電路及其開關網絡和n個串聯超級電容單體。其中電壓均衡電路包括分流電路和反激式DC-DC轉換器電路，分流電路中除單體之間的開關外，其余開關與反激式DC-DC轉換器共用一個開關網絡，所述共用開關網絡中包括正極開關網絡和負極開關網絡，所有正極開關一端連接各超級電容的正極，另一端連接在反激式DC-DC轉換器的初極端，所有負極開關一端連接各超級電容的負極，另一端連接在反激式DC-DC轉換器的次極端。

進一步地，所述正極開關網絡以及負極開關網絡均采用N溝道增強型MOSFET管，每兩個開關管串聯在一起組成一個開關，第一個開關的源級與第二個開關的漏級相連，兩者的柵極連接在一起。