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  • 超級電容器串聯應用中的均壓問題及解決方案
  • 2016-07-04 10:23:00分享到
摘要:詳盡分析了超級電容器串聯應用中影響各單體電容器上電壓一致性的原因,闡述了不同的電壓均衡方法及存在的問題,提出了具有使用價值的有源電壓均衡電路,并給出實驗結果。實驗結果表明,超級電容器電壓均衡電路是在超級電容器串聯使用時均衡超級電容器單體電壓的有效方法。

孟麗囡,陳永真,寧武

(遼寧工學院信息科學與工程學院,遼寧錦州121001)

在超級電容器的應用中,由于其額定電壓很低(不到3V),常需要大量的串聯。又由于經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。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差別較大,嚴重影響超級電容器的性能和壽命。本文對影響均壓的各種因素進行了分析,并提出了行之有效的解決方案。

1影響均壓的因素

1.1容量的偏差對電容器組的影響

通常超級電容器容量偏差為-10%~+30%。當電容器組中出現容量偏差較大時,在充電時容量最小的電容器首先到達額定電壓而電容量最大的僅充到69%的額定電壓,其儲能為最小容量電容器的69%.其關系為

在批量生產電容器組時精選電容量在很小的偏差內對提高電容器組的儲能是有意義的,但將提高生產成本。
1.2漏電流對超級電容器組的影響

超級電容器多用于儲能。充有電荷后靜置狀態下的電荷(或電壓)保持能力取決于漏電流,經過相對長的靜置時間后,漏電流大的超級電容器保持的電荷(或電壓)明顯低于漏電流小的。因此放電時,漏電流大的首先達到放電結束,而漏電流小的仍保持較多的電荷,充電時漏電流小的首先達到充電結束。因此,這時超級電容器組的各單體的充放電能量為

1.3ESR的影響

由于超級電容器的ESR相對較大,而且反復充電后ESR逐漸變大,ESR大的將越來越大,在充放電時ESR大的將先于ESR小的達到充放電結束電壓,使其他ESR相對小的充放電不充分。

綜上所述,超級電容器串聯應用中必須考慮并解決均壓問題。

2無源元件解決方案

通常兩個以上電容器串聯可以采用并聯電阻均壓方式,通常應用于較高電壓的整流濾波,電路如圖1,圖中C1=C2、R1=R2.由于電容器工作時有電源供電,電容的作用為濾波,故均壓電阻的電流與功耗可以接受,不會影響濾波作用,對于用于儲能的超級電容器,如果僅漏電流的差異,此法還可以,但對均衡高幅值充放電電流,則需阻值非常小的的均壓電阻,這個分壓電流將由超級電容器提供,使超級電容器儲能變低,在多只大容量超級電容器串聯時是不實用的方法。

用穩壓二極管箝位或適當數量普通整流二極管串聯后并于超級電容器,如圖2,在理論上可行,但在實際上會因穩壓二極管的穩壓值及二極管導通電壓隨溫度變化,而且其伏安特性相對較軟,而不符合超級電容器的均壓要求,不能使用。
3有源電壓均衡解決方案

由于超級電容器電壓均衡電路僅限制超級電容器端電壓在額定電壓值或以下,而且,通常不希望在額定電壓值以下有較大的漏電流,因此,實現超級電容器電壓均衡電路的基本要求為:端電壓達到設定值(穩壓值)后,端電壓的微小變化將導致很大的端電流變化,即穩壓二極管的反向擊穿特性,如圖3,能承受較大的電流,穩壓值應是穩定的,不隨時間、溫度及其他因素變化。

按照上述基本要求,所設計的均壓電路的簡要原理如圖4,電路由R1、R2分壓電路、2.5V電壓基準DZ、微功耗放大器A1和晶體管Q擴流電路構成。電路的伏安特性如圖5。
基本原理為:當超級電容器C上的電壓經R1、R2分壓送到放大器A1的同相端,分壓值在2.5V以下時,放大器A1輸出低電位,Q不導通,均壓電路特性如圖5的A段。隨著C上的電壓高于2.5V放大器的輸出電壓開始上升(其上升速率取決于放大器A1的增益),擴流晶體管Q的集電極電流隨

A1的輸出電壓上升而增大,均壓電路的特性如圖5的B段。當Q的集電極電流在R5上產生的壓降等于VC-VCE2(sat) 時,均壓電路的特性為電阻R5的特性,如圖5的C段,在實際應用中,由于超級電容器的耐壓有限而不允許均壓電路工作在這一區段。

4動態特性分析

本文提出的電路是專用于超級電容器的均壓。超級電容器的充電過程(特別是容量大的電容器)至少要30s以上,對于電子線路而言則是很緩慢的過程,因此,對于超級電容器的電壓均衡電路的動態特性要求不是很嚴格。在實際測試中,本文提出的電路在端電壓為2.7~2.75V范圍內帶寬不低于100kHz,其單位階躍響應的上升時間小于1μs,與一般的模擬電子線路的響應特性基本相同。

5均壓效果

在試驗中,用680F/2.7V超級電容器的3并48串構成的40F/130V超級電容器組在20A的充電電流狀態下充到130V維持2min后測量超級電容器單體電壓。在未接入電壓均衡電路前,超級電容器單體電壓最高2.9V,最低2.5V,其中最高電壓已超過額定電壓;接入電壓均衡電路后,重新測試,各超級電容器單體電壓均為2.7V。

6結論

從實驗結果可以得出,本文提出的超級電容器電壓均衡電路是在超級電容器串聯使用時均衡超級電容器單體電壓的有效方法。 
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