專利名稱：用于串聯(lián)超級電容器組的電壓均衡電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電壓均衡電路，尤其是一種能均衡串聯(lián)超級電容器組各單體之間電壓的電路。
背景技術(shù)：
單個超級電容器的額定工作電壓很低，為了使它在能量儲存領(lǐng)域有更廣泛的應(yīng)用，典型的 做法就是將多個超級電容器串聯(lián)成組，從而獲得更大的容量。由于每個超級電容器之間特性參 數(shù)的分散性，超級電容器組在正常充放電或者待機狀態(tài)下，單體之間的電壓會出現(xiàn)不均衡，過 充和過放現(xiàn)象都會造成超級電容器的永久損壞，進而造成整個儲能系統(tǒng)的失效。傳統(tǒng)的充放電 檢測電路監(jiān)控單體超級電容器的電壓，如果達到允許最大值或最小值，則停止對整個超級電容 器組的充放電，這樣就無法充分利用資源，減小了系統(tǒng)容量。
為了均衡串聯(lián)超級電容器組的單體電壓，過去普遍使用的是能量消耗型電壓均衡電路，如
電阻耗能型電壓均衡電路，通過檢測每個超級電容器兩端的電壓，控制與該超級電容器并聯(lián)的 電阻支路的斷開和閉合。這種僅包含電壓檢測芯片、開關(guān)器件、功率電阻的電壓均衡電路雖然 成本低，安裝簡易，可以提供過壓保護，但是存在很多缺點，比如，電阻支路不能完全旁路充 電電流，使得超級電容器仍有過充的危險；被電阻支路旁路的充電電流大部分都流過功率電阻， 造成消耗在功率電阻上的能量過大。
目前，有一種針對電阻耗能型電壓均衡電路的改進型電壓均衡電路，如美國公開專利 US2003/0214267A1和美國授權(quán)專利S6806686B1，該類型的電壓均衡電路由電壓比較器、兩只 等值的電阻構(gòu)成的分壓電路、三極管及功率電阻構(gòu)成。分壓電路跨接于相鄰兩個超級電容器兩 端，得出相鄰兩只超級電容器的電壓平均值，作為參考電壓輸入比較器的同相輸入端，相鄰兩 只超級電容器的連接中點連接到比較器的反相輸入端。通過比較兩個輸入電壓的大小，比較器 生成開關(guān)管的動作信號。兩只超級電容器中的電壓高者沿著閉合的電阻支路放電，直到兩只超 級電容器電壓相等。這種比較器電壓均衡電路的主要缺點在于由于需要均衡的超級電容器之
間的電壓不可能達到完全靜態(tài)相等，沒有使能功能的運算放大器，即使在需要均衡的超級電容 器達到近似均衡狀態(tài)，依然繼續(xù)運行在工作模式，除了其本身消耗的能量之外，閉合的電阻支 路持續(xù)放電，進一步損耗能量。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，為串聯(lián)超級電容器組提供一種電壓均衡電路，在 保持安裝簡便、成本低的前提下，使得電壓均衡電路的待機功耗低，電壓均衡速度快。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是把相鄰兩只超級電容器的電壓平均值與其中一只超級電容器 的電壓相比較，如果這只超級電容器的電壓大于平均電壓值，而且兩者的電壓差超過設(shè)定值， 就將這只超級電容器和一個功率電阻串聯(lián)，進行放電，使其電壓減?。蝗绻@支超級電容器的 電壓小于平均電壓值，而且兩者的電壓差超過設(shè)定值，那么就將另一只超級電容器和一個功率 電阻串聯(lián)，進行放電，使其電壓減小。當這只超級電容器電壓與平均電壓的差值減小至設(shè)定范 圍之內(nèi)時，運算放大器的輸出電壓減小，不足以驅(qū)動開關(guān)管的開通，電壓均衡過程結(jié)束。運算 放大器的輸出通過反饋電阻構(gòu)成了電壓死區(qū)控制電路，可以通過改變電阻的阻值來改變電壓死 區(qū)的大小。當其中一只超級電容器的電壓和兩只超級電容器的電壓平均值的差值在死區(qū)之外， 運算放大器驅(qū)動兩只開關(guān)管中的一只開通，使得相鄰兩只超級電容器中電壓高的那只與一個功 率電阻串聯(lián)放電，電壓減?。划斊渲幸恢怀夒娙萜鞯碾妷汉蛢芍怀夒娙萜鞯碾妷浩骄档?差值在死區(qū)之內(nèi)，運算放大器的輸出電壓減小至無法驅(qū)動開關(guān)管的開通，電壓均衡過程結(jié)束。
本發(fā)明在獨立于單體電壓均衡電路的電壓保護電路內(nèi)部設(shè)有一個電壓檢測模塊，能快速準 確地檢測串聯(lián)超級電容器組的總電壓，可以根據(jù)超級電容器單體的額定工作電壓范圍設(shè)定串聯(lián) 超級電容器組的電壓保護門限值，當串聯(lián)超級電容器組發(fā)生過充或過放的情況，電壓保護電路 能夠?qū)⒊夒娙萜鹘M與充電電源或放電負載斷開。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，優(yōu)點在于
1. 解決了超級電容器電壓均衡電路的功耗問題，在保證單體超級電容器之間電壓均衡的前提 下，運算放大器進入待機模式，其本身的功耗大大降低，而且由于開關(guān)管停止工作，進一步降 低了電路的損耗。
2. 獨立于超級電容器電壓均衡電路的電壓保護電路，有效地防止了串聯(lián)超級電容器組發(fā)生過 充和過放的現(xiàn)象。
圖1為本發(fā)明原理圖2為本發(fā)明的一個具體實施例；
圖3為本發(fā)明的另一個具體實施例。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
進一步說明本發(fā)明。
如圖1所示， 一個串聯(lián)的超級電容器組中的四個單體超級電容器400， 401、 402和403，電壓均衡電路711、 712和713對應(yīng)接到相鄰的兩個超級電容器，其中，第二電壓均衡電路712用 于均衡第一超級電容器401和第二超級電容器402之間的電壓，第一引出端201接第一超級電 容器401的正端al(這里使用的是有極性的超級電容器)。第二引出端202接至相鄰的兩個超級 電容器401和402的連接中點a2,第三引出端203接到第二超級電容器402的負端a3。也就是 相鄰的兩個超級電容器402和403的中點，均衡電路711及713的接法與此相同。
第一電壓均衡電路711用于均衡第四超級電容器400和第一超級電容器401之間的電壓， 電壓均衡電路711的第一引出端101接第四超級電容器400的正端。第二引出端102接至相鄰 的兩個超級電容器400和401的連接中點al,第三引出端103接到第一超級電容器401的負端 a2，也就是相鄰兩只超級電容器401和402的中點。
第三電壓均衡電路713用于均衡第二超級電容器402和第三超級電容器403之間的電壓， 電壓均衡電路713的第一引出端301接第二超級電容器402的正端a2。也就是相鄰兩只超級電 容器401和402的中點。第二引出端302接至第二超級電容器402的負端a3，也就是相鄰的兩 個超級電容器402和403的中點，第三引出端303接到第三超級電容器403的負端a4。
電壓保護電路511連接在串聯(lián)超級電容器組兩端，準確測量串聯(lián)超級電容器組的總電壓。 當出現(xiàn)過充的情況，即串聯(lián)超級電容器組的總電壓超過儲能系統(tǒng)設(shè)定的電壓上限，電壓保護電 路511切斷充電電源；當出現(xiàn)過放的情況，即串聯(lián)超級電容器組的總電壓低于儲能系統(tǒng)設(shè)定的 電壓下限，電壓保護電路511將超級電容器組與負載斷開。達到保護超級電容器組的目的。
本發(fā)明安裝簡便，易于維護，只需連接三根導線， 一個電壓均衡電路就可獨立工作，而且 不需要外部電源和控制電路。
圖2具體描述了電壓均衡電路712的一種實施例。如圖2所示，電壓均衡電路712由分壓 電路501，運算放大器901，死區(qū)控制電路502，開關(guān)管611、 612和功率電阻615構(gòu)成。兩個等 值的電阻708和709構(gòu)成一個分壓電路501,分壓電路501跨接在相鄰兩個待均衡的超級電容器 401和402兩端，分壓電路501的第一電阻708的上端接到第一超級電容器401的正端al，分 壓電路501的第二電阻709的下端接到第二超級電容器402的負端a3。分壓電路501的中點電 壓值就是兩只超級電容器401和402的電壓平均值，該平均電壓值輸出至運算放大器901的同 相輸入端，作為參考電壓。以第二超級電容器402的負端a3為電壓參考點，則相鄰兩只超級電 容器401和402的中點a2的電壓，即是第二超級電容器402的電壓值，經(jīng)過一個死區(qū)控制電路 502，輸入運算放大器901的反相輸入端，作為輸入電壓。
開關(guān)管612和611可以是但不限于三極管、MOS管。本實施例以三極管為例。開關(guān)管三極 管612和611的基極共同接到運算放大器901的輸出端，第一開關(guān)三極管612的集電極接到第一超級電容器401的正端al，發(fā)射極與第二開關(guān)三極管611的發(fā)射極相接，然后再與電阻615 相接，而電阻615的另一端與相鄰的兩個超級電容器401和402的連接中點a2相接。第二開關(guān) 三極管611的集電極接到第二超級電容器402的負端a3。
運算放大器901的輸入電壓與參考電壓的差值超過死區(qū)控制電路502設(shè)置的電壓范圍，電 壓均衡電路712開始均衡相鄰兩只超級電容器401和402的電壓。其中，當運算放大器901輸 出高電平，表明第二超級電容器402的電壓小于兩只超級電容器401和402的電壓平均值，則 第二超級電容器402的電壓小于第一超級電容器401的電壓。第一開關(guān)三極管612開通，第二 開關(guān)三極管611關(guān)斷。第一超級電容器401和功率電阻615串聯(lián)放電，電壓減少，直至運算放 大器901的輸入電壓與參考電壓的差值進入死區(qū)控制電路502設(shè)置的電壓范圍，運算放大器901 在死區(qū)控制電路502的控制下輸出電壓減小，不能再驅(qū)動第一開關(guān)三極管612的導通，則電壓 均衡電路712停止工作，進入待機低功耗模式；當運算放大器901輸出低電平，表明第二超級 電容器402的電壓大于兩只超級電容器401和402的電壓平均值，則第二超級電容器402的電 壓大于第一超級電容器401的電壓。第二開關(guān)三極管611開通，第一開關(guān)三極管612關(guān)斷。第 二超級電容器402和功率電阻615串聯(lián)放電，電壓減小，直至運算放大器901的輸入電壓與參 考電壓的差值進入死區(qū)控制電路502設(shè)置的電壓范圍，運算放大器901在死區(qū)控制電路502的 控制下輸出電壓減小，不能再驅(qū)動開關(guān)三極管611的導通，則電壓均衡電路712停止工作，進 入待機低功耗模式。
死區(qū)控制電路502由兩只電阻613和614組成，死區(qū)控制電路502的第一電阻613的一端
接到運算放大器901的輸出端，第一電阻613的另一端接到運算放大器901的反相輸入端。第
二電阻614的一端接到運算放大器901的反相輸入端，第二電阻614的另一端接到相鄰的兩個
超級電容器401和402的連接中點a2。改變這兩只電阻的大小即可以改變死區(qū)的大小。該死區(qū)
可以確定在毫伏的數(shù)量級，允許相鄰兩只超級電容器的電壓有較小的差別。根據(jù)圖2所示的本
發(fā)明的一種實現(xiàn)方式，制作完成了用于串聯(lián)超級電容器組的電壓均衡電路，電路參數(shù)如表1所
示，根據(jù)下表的設(shè)計，死區(qū)控制在50mv左右。
表l實驗電路參數(shù) 電路參數(shù)
超級電容器401, 402
分壓電阻708， 709
死區(qū)電阻613
死區(qū)電阻614
6000F， 1.5v超級電容器 100K歐姆 100K歐姆 200歐姆運算放大器90l 1.5mA供電電流的低電壓運放
開關(guān)三極管612， 613 8050， 8550
電阻615 10歐姆，I瓦
圖3具體描述了電壓均衡電路712的另一種實施例。如圖3所示，兩個等值的電阻708和 709構(gòu)成一個分壓電路501，跨接在相鄰兩個待均衡的超級電容器401和402兩端，分壓電路501 的第一電阻708的上端接到第一超級電容器401的正端al，分壓電路501的第二電阻709的下 端接到第二超級電容器402的負端a3。分壓電路501的中點電壓值就是兩只超級電容器401和 402的電壓平均值，該平均電壓值輸出至運算放大器9(H的同相輸入端，作為參考電壓。以a3 為電壓參考點，貝U相鄰兩只超級電容器401和402的中點a2的電壓，即是第二超級電容器402 的電壓值，經(jīng)過一個死區(qū)控制電路502,輸入運算放大器卯l的反相輸入端，作為輸入電壓。
開關(guān)管612和611的基極共同接到運算放大器901的輸出端，第一開關(guān)三極管612的集電 極接到第一超級電容器401的正端al，發(fā)射極與第二開關(guān)三極管611的集電極相接，然后再與 電阻615相接，而電阻615的另一端與相鄰的兩個超級電容器401和402的連接中點a2相接。 第二開關(guān)三極管611的集電極接到第二超級電容器402的負端a3。
窗口比較電路701的輸出端接到運算放大電路卯l的使能端ml，下拉電阻710跨接在窗口 比較電路701的輸出端和第二超級電容器402的負端a3。
窗口比較電路701是這樣構(gòu)成的電阻702和705構(gòu)成一個分壓電路.其分壓輸出至運算 放大器902的反相輸入端，作為上門限電壓值。與此相同，電阻703和704也構(gòu)成一個分壓電 路，其分壓輸出至運算放大器903的同相輸入端，作為下門限電壓值。運算放大器902的同相 輸入端和運算放大器903的反相輸入端連接，再與相鄰兩只超級電容器401和402的中點a2相 連，以端點a3為電壓參考點，則中點a2的電壓就是超級電容器402的電壓。
中點a2的電壓與窗口比較電路701的門限電壓相比較，如果在門限電壓范圍之外，則電壓 均衡電路712工作。比如，當中點a2的電壓大于上門限電壓值，則運算放大器902輸出高電平， 二極管706導通，同時，運算放大器903輸出低電平，二極管707截止，窗口比較電路701輸 出高電平，運算放大器901正常工作，輸出高電平或者低電平，驅(qū)動開關(guān)三極管612和611中 的任意一只導通，將相鄰兩只超級電容器401和402中的電壓高者和功率電阻615串聯(lián)放電， 從而減小這只超級電容器的電壓，使相鄰兩只超級電容器401和402的電壓趨向于均衡。
當中點a2的電壓在門限電壓范圍之內(nèi)，即，高于下門限電壓值，低于上門限電壓值。認為 相鄰兩只超級電容器401和402的電壓達到均衡，運算放大器902和903輸出低電平，二極管 706和707截止，窗口比較電路701輸出低電平，該低電平作用于運算放大器901的使能端ml，
使其輸出為高阻狀態(tài)，無法驅(qū)動開關(guān)三極管612和611中任何一只的導通，所以電壓均衡電路 712進入待機模式。
為了使電阻分壓電路的損耗盡量小，電阻702、 703、 704和705應(yīng)盡量大。保證電阻分壓 電路的電流低于超級電容器充滿后自身的漏電流。具體阻值的選擇方法描述如下設(shè)定四個電阻R702,R703, R7o4, R705，其中R703=R705，R702=R704, 而且705>R702 。窗口比較電路701的門限電壓范圍可以表達成<formula>complex formula see original document page 9</formula>。那么，使用者可以根據(jù)設(shè)計允許的超級電容器的單體電壓差值來選擇具體的電阻值，V401, V402分別表示相鄰超級電容器401和402的電壓。則<formula>complex formula see original document page 9</formula>，Vts表示設(shè)定的電壓差值。
舉例如果設(shè)定相鄰的兩只超級電容器401和402差值范圍在0.05v以內(nèi)，則Vts=0.05v， 其中，V401+V402=2v。就可得<formula>complex formula see original document page 9</formula>。
權(quán)利要求
1、一種串聯(lián)超級電容器組用電壓均衡電路，其特征在于該電壓均衡電路(712)具有三個引出端，第一引出端(201)接在第一超級電容器(401)的正極a1、第二引出端(202)接在相鄰兩只超級電容器(401、402)的中點a2，第三引出端(203)接在第二超級電容器(402)的負極a3；當相鄰兩只超級電容器(401、402)電壓的差值超出設(shè)定范圍，電壓均衡電路(712)使這兩只超級電容器(401、402)中的電壓高者放電，使兩只超級電容器(401、402)的電壓趨于近似；當相鄰兩只超級電容器(401、402)電壓的差值在設(shè)定范圍之內(nèi)，電壓均衡電路(712)停止工作；電壓保護電路(511)準確測量串聯(lián)超級電容器組的總電壓；當出現(xiàn)過充情況，電壓保護電路(511)切斷充電電源；當串聯(lián)超級電容器組出現(xiàn)過放情況，電壓保護電路(511)將超級電容器組與負載斷開。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓均衡電路，其特征在于該電壓均衡電路(712)由分壓電路 (501)，運算放大器(901)，死區(qū)控制電路(502)，開關(guān)管(611、 612)和功率電阻(615)構(gòu)成；兩只阻 值相等的電阻(708、 709)構(gòu)成一個分壓電路(501)，分壓電路(501)跨接于相鄰兩只超級電容 器(401、 402)，這兩只超級電容器(401、 402)的電壓平均值作為參考電壓輸入運算放大器(901) 的同相輸入端，以第二超級電容器(402)的負極a3為電壓參考點，第二超級電容器(402)的電 壓，即相鄰兩只超級電容器(401、 402)的中點a2的電壓作為輸入電壓，經(jīng)過死區(qū)控制電路(502)輸入運算放大器(901)的反相輸入端；將輸入電壓和參考屯壓相比較，當相鄰兩只超 級電容器(401、 402)電壓的差值在設(shè)定范圍之外，則電壓均衡電路(712)通過運算放大器(901) 和開關(guān)管(611、 612)，把相鄰兩只超級電容器(401、 402)中的電壓高者與功率電阻(615)串聯(lián)放 電，使其電壓減小，直至相鄰兩只超級電容器(401、 402)電壓的差值進入設(shè)定范圍之內(nèi)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電壓均衡電路，其特征在于當相鄰兩只超級電容器(401、 402) 的電壓差值在設(shè)定范圍之內(nèi)，由電阻(613、 614)組成死區(qū)控制電路(502)控制運算放大器(901 ) 降低輸出電壓，無法驅(qū)動第一開關(guān)三極管(612)或第二開關(guān)三極管(611)的開通；死區(qū)控制 電路(502)的第一電阻(613)的一端接到運算放大器(901)的輸出端，第一電阻(613)的 另一端接到運算放大器(卯l)的反相輸入端；第二電阻(614)的一端接到運算放大器(901) 的反相輸入端，第二電阻(614)的另一端接到兩只超級電容器(401、 402)的中點a2。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電壓均衡電路，其特征在于窗口比較電路(701)的輸出信號輸 入到運算放大器(901)的使能端，當相鄰兩只超級電容器(401、 402)電壓的差值在設(shè)定范圍之內(nèi)， 窗口比較電路(701)輸出低電平信號，運算放大器(701)進入待機模式當相鄰兩只超級電容器 (401、 402)電壓的差值在設(shè)定范圍之外，窗口比較電路(701)輸出高電平信號，運算放大器(卯l)正常工作。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的窗口比較電路(701)，其特征在于第一電阻(702)和第四電阻(705) 構(gòu)成一個分壓電路，該分壓電路的分壓輸出至第一運算放大器(卯2)的反相輸入端'作為上門限 電壓值；第二電阻(703)和第三電阻(704)構(gòu)成另一個分壓電路，其分壓輸出至第二運算放大器(卯3) 的同相輸入端，作為下門限電壓值；第一運算放大器(902)的同相輸入端和第二運算放大器(903) 的反相輸入端連接，再與第一超級電容器(401)和第二超級電容器(402)的中點a2相連，該第一超 級電容器(401)和第二超級電容器(402)的中點a2的電壓作為窗口比較電路(701)的輸入電壓。
全文摘要
一種用于串聯(lián)超級電容器組的電壓均衡電路，由運算放大器、開關(guān)管和電阻組成。兩個阻值相等的電阻構(gòu)成分壓電路跨接于相鄰的兩個超級電容器，該分壓電路的中點輸出作為運算放大器的參考電壓，相鄰兩個超級電容器的中點電壓作為運算放大器的輸入電壓。相鄰兩只超級電容器的電壓差值超過設(shè)定范圍，則電壓均衡電路工作，將相鄰兩只超級電容器中的電壓高者和一只功率電阻串聯(lián)放電，直至這相鄰兩只超級電容器的電壓差值進入設(shè)定范圍之內(nèi)，此時，電壓均衡電路在內(nèi)部的使能電路的控制下停止工作，進入待機模式。該電壓均衡電路結(jié)構(gòu)簡潔，易于安裝，能耗較低，成本低廉，能有效解決多只超級電容器串聯(lián)時的電壓不均衡問題。
文檔編號H02J15/00GK101202470SQ20071017889
公開日2008年6月18日 申請日期2007年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月6日
發(fā)明者凌付冬, 龍 周, 唐西勝, 楊寶峰, 蘇迎東, 陳懷林, 韋統(tǒng)振, 齊智平 申請人:中國科學院電工研究所;江蘇雙登集團有限公司