超級電容器串聯(lián)應用中的均壓問題及解決方案.doc

1.問題的提出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(lián)。由于應用中常需要大電流充放電，因此串聯(lián)中的各個單體電容器上電壓是否一致是至關(guān)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較大，采取更多的串聯(lián)數(shù)來解決問題是不可取的。影響均壓的因素主要有：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%，上下偏差1.44。當電容器組中出現(xiàn)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偏差最大的僅充到69%的額定電壓，其儲能為最小容量電容器的0.69%。如式（1）（1）其中Cmin為最大負偏差電容量。電容器組的平均儲能為：（2）比全部由下偏容量超級電容器構(gòu)成的電容器組還小，為標稱值電容器的76%，即，其中Ccom為標稱電容量。由（1），（2）可得 （3）在批量生產(chǎn)電容器組時精選電容量在很小的偏差內(nèi)對提高電容器組的儲能是有意義的，但將提高生產(chǎn)成本。1.2 漏電流對超級電容器組的影響超級電容器多為儲能用。充有電荷后靜置狀態(tài)下的電荷（或電壓）保持能力取決于漏電流，經(jīng)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終了，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終了。因此，這時超級電容器組的各單體的充放電能量為：（4）其中U為充放電前漏電流最小和漏電流最大的超級電容器電壓差值。1.3 ESR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小的先到達充放電終了電壓，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(lián)應用中必須考慮并解決均壓問題。2. 解決方案2.1 無源元件解決方案圖1 超級電容器的阻容均壓通常兩個以上電容器串聯(lián)可以采用并聯(lián)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，如果用于儲能的超級電容器，如果僅漏電流的差異，此法還可以，但與均衡高幅值充放電電流，則需非常小的阻值的均壓電阻，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(lián)時是不實用的方法。圖2 超級電容器的二極管均壓用穩(wěn)壓二極管箝位或適當數(shù)量普通整流二極管串聯(lián)后并于超級電容，如圖2，在理論上行得通，但在實際上會因穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值及二級管導通電壓隨溫度變化，而且其伏安特性相對較軟，因而不符合超級電容器的均壓要求，不能使用。2.2 實用的超級電容器電壓均衡電路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(xiàn)可使用的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(wěn)壓值）后，端電壓的微小變化將導致很大的端電流變化，即穩(wěn)壓二極管的反向擊穿特性，如圖3，能承受較大的電流，穩(wěn)壓值應是穩(wěn)定的，不隨時間溫度及其他因素變化。圖3 超級電容器均壓電路的伏安特性按照上述基本要求，簡要原理如圖4圖4 實用的超級電容器均壓電路基本原理為：超級電容器電壓經(jīng)R5、R6分壓送到U1的R端，這個分壓值在2.5V以下時，U1的K端相當于開路（有約400uA的漏電流）在R1上基本不產(chǎn)生附加壓降，這樣，由R1、R2、R3在Q1基極上的分壓不是以使Q1導通，因此Q2不導通，電路處于靜止（高阻）狀態(tài)；當R5，R6分壓點等于2.5V時由于Q1內(nèi)部較放大器的作用。使Q1的K端電壓下降（可拉電流100mA以上）將在R1上產(chǎn)生最大值為Uc-2V的壓差，通常這時對應的Uc為2.7V，使Q1導通進入放大狀態(tài)。并驅(qū)動Q2導通進入放大狀態(tài)；即，由于該電路的UR端電壓Q2集電極電流的跨導非常大，當U1的R端的所接的分壓網(wǎng)絡與Q2集電極所接的電阻R9連于同一點時，電路的特性類似穩(wěn)壓二極管特性，在一定程度上將端電壓限制在“穩(wěn)壓值”以下，保證了超級電容器在充電時不會過電壓，隨著Q2集電極電流的上升，使R9電壓達到后在Q2能維持在飽和狀態(tài)下，該段的外特性是R9的電阻特性，并加一飽和壓降，不再是穩(wěn)壓二極管特性，如圖5，超級電容器正常工作時不應進入這種狀態(tài)。圖5 超級電容器大電流均壓電路圖4電路元件參數(shù)如表1。表1 超級電容器均壓電路元件明細一般大容量超級電容器的均壓幾乎全采用這種方式1，國外產(chǎn)品通常按表1的數(shù)據(jù)的參數(shù)，出現(xiàn)電阻性特性的電流（轉(zhuǎn)折電流）在800mA左右，而將R9改為2.2/3W，則轉(zhuǎn)折電流可以提高到1.2A1.3A，事實上Q1的驅(qū)動能力遠不止僅驅(qū)動一個Q2，可以驅(qū)動多組R8、Q2、R9這樣的單元電路。作者將圖4加以改進如圖5。圖中的Q2、Q3、Q4、Q5可以選擇價格低廉的S8050（40V/2A）。通過采用多輸出級的方式增加轉(zhuǎn)折電流值，在所有參數(shù)與表1中的參數(shù)完全性同時，可以做到接近4A，如圖6，采用上述改進措施后，均壓效果優(yōu)于國外產(chǎn)品。圖6超級電容器大電流均壓電路的伏安特性2.3 均壓的效果本文對項目完成的680F/2.7V超級電容器的3并48串構(gòu)成的40F/130V超級電容器組在20A的充電電流狀態(tài)下充到130V維持2分鐘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