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  • 超級電容器均壓電路狀況與展望
  • 2016-06-24 10:21:00分享到
 摘要:本文分析了現有的超級電容器限幅型均壓電路和動態均壓電路的特點與實用性以及存在的問題,其本質就是均壓電流遠低于充電電流,導致分流效果差。針對這些問題提出了改進的方法,采用加大均壓電流方式減緩單體電壓在充電過程中可能出現的過電壓。最后提出非能量損耗型均壓電路是解決超級電容器電壓均分的最好方法。

  引言

  超級電容器的額定電壓很低(不到3V),在應用中需要大量的串聯。由于應用中常需要大電流充、放電,因此串聯中的各個單體電容器上電壓是否一致是至關重要的。影響超級電容器電壓是否均分主要有:電容量、ESR、漏電流等,盡管超級電容器在應用初期這些參數對超級電容器的電壓均分的影響比較小,但是在超級電容器應用的中后期,隨著這些參數的離散性變大,對超級電容器電壓均分的影響越來越大,最終導致超級電容器壽命的急劇縮短。如果不采取必要的均壓措施,會引起各個單體電容器上電壓較大,采取更多的串聯數來解決問題是不可取的。

  1.超級電容器的常用的均壓方法及存在的問題

  目前超級電容器均壓電路主要有兩種:限幅型均壓電路和動態電壓均壓電路。

  1.1限幅型均壓電路及特點

  限幅型均壓電路如圖1。

  從圖中可以看到,當電壓低于轉折電壓時,電路處于“阻斷”狀態,僅有很小的漏電流;而電壓達到并超過轉折電壓后,流過電路的電流將隨電壓的增加而急劇增加,呈現穩壓二極管特性,以達到分流充電電流或泄放過充的電荷,最終超級電容器的電壓被限制在轉折電壓以下。

  這種電路的優點是電路工作原理簡單,工作可靠,參數一致性好,一般的最大工作電流在1A以下。這種特性也帶來了應用是的問題,也就是充電過程中超級電容器組中的某些超級電容器單體會出現比較嚴重的過電壓。

  例如,應用2.7V/600F、ESR0.8Ω超級電容器144只串聯的390V/4F超級電容器組用7A電流充電到390V時,單體電壓最高的達到2.95V,最低的僅僅2.45V。在充電電壓維持在390V的條件下,采用圖1均壓電路均衡各單體電壓,各單體電壓達到基本一致(2.65V~2.75V)的時間需要7~10分鐘;如果采用更高的充電電流,其單體電壓的分散性更大。

  應用限幅型均電路造成單體電壓嚴重過電壓的原因就是只有單體電壓超過限幅值均壓電路才開始動作所致。如果能在超級電容器充電過程中實現單體電壓的“均分”,可以比較好的抑制單體過電壓,這種電壓均分方式稱為動態均壓。

  1.2動態電壓均壓電路及特點

  動態電壓均壓電路的基本原理是比較相鄰的兩個超級電容器的電壓是否一致,如果不同電路動作,將電壓相對高的超級電容器旁路部分電流降低充電電壓升高的速率,使兩個超級電容器的充電電壓的上升速率盡可能一致,如圖2的MAXWELL動態均壓電路。

  這種電路在原理上解決超級電容器組充電過程的單體電壓均分問題。然而在實際上比非如此。

  圖2電路的最低工作電壓是2.4V對應單體電壓1.2V,這表明在超級電容器充電的前半程這個電路時不工作的。不僅如此,該電路在最高工作電壓下的最大均分電流僅0.5A,甚至低于限幅型均壓電路的最大工作電流,當電壓低于工作電壓時均分電流隨之下降。這樣的特性同樣導致了超級電容器在大電流充電過程中出現個別單體電壓的過電壓,而且電壓的均分過程長于限幅型均壓電路。

  圖2電路還存在著瑕疵,也就是只要單體存在差異電路就會動作,并且消耗超級電容器的儲能,降低超級電容器的能量利用率,因此這種電路的應用受到限制。

  由于上述種種原因,在超級電容器組的充電過程中導致了以下單體超級電容器的過電壓,而過電壓是超級電容器壽命及據縮短的主要因素,在頻繁高電流充放電的應用中超級電容器的壽命甚至不到1年。這嚴重背離了超級電容器的高倍率充放電和高充放電循環壽命以及產壽命的特性。需要采取措施改進。

  2.解決超級電容器組的單體電壓均分的方法

  2.1加大均壓電路的均壓電流可以有效抑制充電過程單體電壓的偏差

  針對上述問題,可以通過加大均壓電流的方法加以改善。對于限幅型均壓電路,可以采用圖3電路,將最大工作電流擴展到4A,而電路成本卻增加不多,這將是超級電容器均壓電路的比較實用的解決方案。

  從圖中可以看到,圖3電路實際上是在圖1電流基礎上增加了3路輸出級,從而擴大了均壓電流。將電路進一步改進,可以使最大均壓電流達到10A,這樣就基本上解決了超級電容器在充電過程中可能出現的嚴重的過電壓問題。

  不可否認的是,上述均壓電路都是耗能型,電路在動作時會產生比較大的損耗,為了大幅度降低均壓過程中的損耗,采用非能量損耗型均壓電路將是超級電容器均壓電路的最好選擇。

  2.2改進型動態電壓均衡方式

  圖2電路存在的問題實際上是電路的開環增益太高,導致了兩個超級電容器電壓稍有差異就動作。如果放大器A的開環增益為100dB,則克服晶體管Q1、Q2發射結電壓僅需要7μV,因此均壓電路將始終不斷的調節,將超級電容器儲存的電能消耗在電壓均衡過程中。

  在實際應用中兩個超級電容器的電壓偏差允許在一個比較小的數值就可以了,例如10mV~30mV就可以滿足實際應用要求,如20mV。根據這個思路,可以將均衡電路作的不敏感,在電壓偏差低于20mV電路不動作,只有電壓偏差大于20mV后電路才動作。電路可以用圖4電路實現。

  這樣,在兩個超級電容器電壓偏差小于20mV時電路處于靜止狀態,電路的損耗僅為于放大器的損耗和分壓電阻的損耗。

  2.3非能量損耗型均壓電路是解決超級電容器電壓均分的最好方法

  解決超級電容器均壓電路損耗最好的方法是采用DC/DC變換器將單體電壓相對高的超級電容器的電和轉移到電荷相對低的超級電容器中。由于是電荷的轉移不再是電能的消耗,因此這種均壓電路的損耗將是非常低的,屬于非能量損耗型均壓電路,電路如圖5。

  實現圖4電路的關鍵是DC/DC變換器應能夠在1V左右就能正常工作,并且受電壓監測與控制電路控制。當超級電容器C1電壓高于超級電容器C3電壓時,圖中上面的DC/DC變換器工作,將C1中的電能(電荷)轉移到C2中,這時下面的DC/DC變換器不工作;同理,如果超級電容器C2電壓低于超級電容器C1電壓,則電壓監測與控制電路控下面的DC/DC變換器工作,將C2的電能(電荷)轉移到C1中,這時上面的DC/DC變換器是不工作的。

  圖4電路的均壓電流取決于DC/DC變換器的設計,可以達到10A以上。

  總結

  超級電容器均壓電路時超級電容器組中的必備電路,用以均分各單體電容器上的電壓基本一致,因此超級電容器均壓電路的性能決定了均壓效果。通過增加均壓電流可以減輕單體電壓過電壓的程度。利用DC/DC變換器技術可以獲得非能量損耗的均壓電路。

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