[發(fā)明專利]一種基于超級電容無源CMS均衡電路與方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010430952.2
• 申請日: 2020-05-20
• 公開（公告）號: CN111786426B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬新甜;阮殿波;陳勝軍;何嘯月;萬二平;何靈;劉芳芳
• 申請（專利權(quán)）人: 寧波中車新能源科技有限公司
• 主分類號: H02J7/00
• 分類號: H02J7/00;H02J7/34
• 代理公司: 寧波市鄞州盛飛專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 33243
• 代理人: 龍洋

本發(fā)明公開了一種基于超級電容無源CMS均衡電路與方法，包括超級電容組、自供電模塊、采樣模塊、均衡控制模塊、主控模塊和均衡模塊。通過自供電模塊將斷電狀態(tài)下的超級電容組作為轉(zhuǎn)換為均衡電路的電源，采集各電容單體的實(shí)時電壓，并由均衡控制模塊和主控模塊控制，由均衡模塊通過電阻消耗的形式維持各超級電容單體之間的電勢平衡。本發(fā)明采取當(dāng)超級電容組外部供電停止時，利用超級電容組自身存儲的電能作為均衡電路的電源，使超級電容組再次上電后，無需花費(fèi)額外的時間去等待各電容單體實(shí)現(xiàn)均壓工作，大大提高了依托于超級電容組工作的機(jī)器的運(yùn)行效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及超級電容領(lǐng)域，具體涉及一種基于超級電容無源CMS均衡電路與方法。

背景技術(shù)

超級電容器以功率密度高、充放電循環(huán)壽命長、能量密度適當(dāng)、可靠性高、工作溫度范圍寬、對環(huán)境要求低的優(yōu)點(diǎn)著稱。與其他現(xiàn)有儲能技術(shù)相對比，超級電容儲能技術(shù)具有無污染、效率高的明顯優(yōu)勢，符合當(dāng)下發(fā)展綠色能源的主流趨勢，主要應(yīng)用于消費(fèi)電子、智能手表、智能電網(wǎng)、電動汽車、石油機(jī)械、UPS及航空航天等軍事相關(guān)領(lǐng)域。

超級電容單體額定電壓很低，有機(jī)電解液雙電層超級電容器額定電壓只有 2.5V/2.7V 左右，因此在實(shí)際應(yīng)用中一般由多個超級電容通過串聯(lián)和并聯(lián)的方式組合構(gòu)成超級電容儲能模塊，以滿足儲能容量和電壓等級需要。然而，受制造裝備、工藝水平等因素限制，市場上的雙電層電容器的容量分散度為-10%~20%。雙電層電容器兩端電壓隨充電電荷的積累而上升，隨放電而下降，容量不均衡及漏電差異會導(dǎo)致充放電過程中的單體電壓不均衡，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)中各個電容器的輸出功率不一致。隨著充放電次數(shù)的不斷增加，系統(tǒng)內(nèi)的各個電容器單體會發(fā)生不一致的參數(shù)衰減現(xiàn)象，這必然導(dǎo)致各個單體端電壓越來越不均衡，個別單體會提前失效，并引發(fā)一系列連續(xù)失效現(xiàn)象的發(fā)生，最終系統(tǒng)整體失效。因此，電容器間的電壓平衡控制直接關(guān)系到電容器的使用壽命與系統(tǒng)的可靠性。

目前，大多數(shù)應(yīng)用場景下，超級電容系統(tǒng)采用外部供電，在超級電容系統(tǒng)使用完成后將控制電（DC12V、DC24V、AC220V）全部斷開，導(dǎo)致均衡電路無法工作，再次上電工作需要一定時間（取決于停止工作時間）進(jìn)行均衡才能正常投入工作，需要耗費(fèi)一定資源；同時需要考慮均衡板的供電線路、通信線路布置、固定及EMC、通信干擾等問題。本發(fā)明給出了一種基于超級電容無源CMS均衡電路。在超級電容系統(tǒng)控制電斷開或無外部供電情況下利用超級電容自身電量維持均衡電路工作可保證超級電容實(shí)現(xiàn)均壓工作；同時，省去電源線路布置、固定及與通信線路干擾等問題。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述問題，使超級電容組在外部控制電斷開之后均衡電路能夠保持各電容單體之間的電勢平衡，本發(fā)明提出了一種超級電容無源CMS均衡電路，包括超級電容組、自供電模塊、采樣模塊、均衡控制模塊、主控模塊和均衡模塊，其中：

超級電容組，包括多個電容單體，用于在外部控制電斷電時，為均衡電路提供直流電源；

自供電模塊，用于將直流電源轉(zhuǎn)換為預(yù)設(shè)安全閥值下的直流工作電源，為其他模塊提供工作電源；

采樣模塊，用于采集各電容單體的實(shí)時電壓；

均衡控制模塊，用于將實(shí)時電壓轉(zhuǎn)換為實(shí)時采樣信號；

主控模塊，用于根據(jù)實(shí)時采樣信號，生成第一控制信號并發(fā)送至均衡控制模塊生成第二控制信號；

均衡模塊，用于根據(jù)第二控制信號通過電阻調(diào)節(jié)各電容單體的電壓平衡。

進(jìn)一步地，所述自供電模塊，包括：

第一開關(guān)（S1），所述第一開關(guān)一端接超級電容組正極輸出端，另一端連接第一熔斷器（FA1），所述第一熔斷器的另一端連接第一熱敏電阻（RTA1）；所述第一熱敏電阻的另一端同時連接第二十電阻（R20）、第一瞬態(tài)抑制二極管（D1）、第二十一電容（C21），所述第二十電阻、第一瞬態(tài)抑制二極管和第二十一電容的另一端并聯(lián)連接超級電容組的負(fù)極輸出端；