專利名稱：一種串聯(lián)電容器組諧振式電壓均衡充電方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種串聯(lián)電容器組諧振式電壓均衡充電方法及其系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
超級(jí)電容是一種利用雙電層原理實(shí)現(xiàn)的新型儲(chǔ)能元件，單體容量不僅可達(dá)數(shù)萬(wàn)法拉，同時(shí)具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、溫度范圍寬、充放電速度快、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，由于超級(jí)電容單體的額定電壓較低，因此在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程需要將多個(gè)單體串聯(lián)，以滿足容量及工作電壓等級(jí)的現(xiàn)場(chǎng)需要。然而由于生產(chǎn)材料及制造工藝等的限制，即使標(biāo)稱參數(shù)完全一致的單體，其實(shí)際的等效串聯(lián)內(nèi)阻、容量、充放電速率等參數(shù)一般會(huì)存在顯著的差異，因此在多超級(jí)電容串聯(lián)使用過(guò)程中，個(gè)體的端電壓會(huì)呈現(xiàn)典型的不均衡性，這種現(xiàn)象不僅降低了能量的存儲(chǔ)效率，同時(shí)可能導(dǎo)致單體的過(guò)充發(fā)生，嚴(yán)重影響了超級(jí)電容的使用壽命和可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種保持串聯(lián)電容器組中每個(gè)電容器單體的充電電壓均衡的、能夠延長(zhǎng)電容器單體的使用壽命的、節(jié)能效果顯著的串聯(lián)電容器組諧振式電壓均衡充電方法及其系統(tǒng)。本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)
所述方法包括使用直流充電電源給串聯(lián)電容器組充電；串聯(lián)電容器組中的每個(gè)電容器單體并聯(lián)電壓均衡單元；在電壓均衡單元中
(1)具有RLC串聯(lián)電路的降壓緩沖模塊由緩沖開關(guān)Gl和LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元中的電感器L、電容器C構(gòu)成，該RLC串聯(lián)電路工作于欠阻尼狀態(tài)，其中R為G1、L和C的等效電阻總和；
(2)具有RLC串聯(lián)電路的電能釋放I旲塊由釋放開關(guān)G2和LC串聯(lián)儲(chǔ)能單兀中的電感器L、電容器C構(gòu)成，RLC串聯(lián)電路工作于欠阻尼狀態(tài)，其中R為G2、L和C的等效電阻總和，G2的電氣特性與Gl相同，等效內(nèi)阻也相等；
(3)緩沖開關(guān)Gl和釋放開關(guān)G2工作在互補(bǔ)導(dǎo)通狀態(tài)，開關(guān)周期及占空比與RLC串聯(lián)電路的諧振頻率一致；
(4)緩沖開關(guān)Gl和釋放開關(guān)G2的源極和漏極之間分別并聯(lián)電容，結(jié)合各自所在RLC串聯(lián)電路的諧振特性，使緩沖開關(guān)Gl和釋放開關(guān)G2工作在軟開關(guān)狀態(tài)，降低開關(guān)能量損耗；
(5)當(dāng)電容器單體的端電壓超過(guò)給定閥值時(shí)，電壓均衡單元中的電壓檢測(cè)單元輸出高電平，電壓均衡單元中的脈沖調(diào)制單元輸出具有一定周期和占空比的方波，通過(guò)互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)緩沖開關(guān)Gl和釋放開關(guān)G2互補(bǔ)導(dǎo)通或者截止；當(dāng)電容器單體的端電壓低于給定閥值時(shí)，電壓檢測(cè)單元輸出低電平，脈沖調(diào)制單元一直輸出低電平信號(hào)，此時(shí)緩沖開關(guān)Gl處于截止?fàn)顟B(tài)，釋放開關(guān)G2處于導(dǎo)通狀態(tài)。將端電壓增長(zhǎng)最慢的電容器單體連接在直流充電電源的負(fù)極，該級(jí)電容器單體并聯(lián)的電壓均衡單兀的電壓檢測(cè)單兀一直輸出低電平，脈沖調(diào)制單兀一直輸出低電平信號(hào)，此時(shí)Gl —直截止，G2 一直導(dǎo)通，能夠進(jìn)一步降低整個(gè)電壓均衡充電系統(tǒng)的能耗。所述系統(tǒng)包括串聯(lián)電容器組和直流充電電源；串聯(lián)電容器組中的每個(gè)電容器單體的兩端并聯(lián)電壓均衡單元；所述電壓均衡單元包括電壓檢測(cè)單元、脈沖調(diào)制單元、互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)單元、緩沖開關(guān)、釋放開關(guān)、LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元；電壓檢測(cè)單元的輸入端連接在電容器單體的兩端，電壓檢測(cè)單元的輸出端連接脈沖調(diào)制單元，脈沖調(diào)制單元連接互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)單元，互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)單元的兩個(gè)輸出端分別連接緩沖開關(guān)和釋放開關(guān)，LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元與釋放開關(guān)和緩沖開關(guān)連接，分別構(gòu)成RLC降壓釋放電路和RLC電能儲(chǔ)存電路。所述電壓檢測(cè)單元采用BL8506集成芯片；互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)單元采用TPS28225集成芯片；緩沖開關(guān)Gl和釋放開關(guān)G2均采用Mosfet開關(guān)管。根據(jù)對(duì)應(yīng)的RLC串聯(lián)電路所決定的共振周期、電流及電壓過(guò)零特性和電氣特性，每個(gè)Mosfet開關(guān)管的源極和漏極間并聯(lián)一個(gè)電容，確保Mosfet開關(guān)管工作在軟開關(guān)狀態(tài)，降低Mosfet開關(guān)管的開關(guān)損耗。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)能夠保持串聯(lián)電容器組中每個(gè)電容器單體的充電電壓均衡，能夠有效地延長(zhǎng)電容器單體的使用壽命，能量損耗低，節(jié)能效果顯著，結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展性強(qiáng)。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)一實(shí)施例電氣原理框 圖2為I的電壓均衡單元一實(shí)施例的主電路 圖中1-電容器單體，2-電壓均衡單元。.
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明
所述方法包括使用直流充電電源給串聯(lián)電容器組充電；串聯(lián)電容器組中的每個(gè)電容器單體I并聯(lián)電壓均衡單元；在電壓均衡單元中
(1)具有RLC串聯(lián)電路的降壓緩沖模塊由緩沖開關(guān)Gl和LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元中的電感器L、電容器C構(gòu)成，該RLC串聯(lián)電路工作于欠阻尼狀態(tài)，其中R為G1、L和C的等效電阻總和；
(2)具有RLC串聯(lián)電路的電能釋放I旲塊由釋放開關(guān)G2和LC串聯(lián)儲(chǔ)能單兀中的電感器L、電容器C構(gòu)成，RLC串聯(lián)電路工作于欠阻尼狀態(tài)，其中R為G2、L和C的等效電阻總和，G2的電氣特性與Gl相同，等效內(nèi)阻也相等；
(3)緩沖開關(guān)Gl和釋放開關(guān)G2工作在互補(bǔ)導(dǎo)通狀態(tài)，開關(guān)周期及占空比與RLC串聯(lián)電路的諧振頻率一致；
(4)緩沖開關(guān)Gl和釋放開關(guān)G2的源極和漏極之間分別并聯(lián)電容，結(jié)合各自所在RLC串聯(lián)電路的諧振特性，使緩沖開關(guān)Gl和釋放開關(guān)G2工作在軟開關(guān)狀態(tài)，降低開關(guān)能量損耗；
(5)當(dāng)電容器單體I的端電壓超過(guò)給定閥值時(shí)，電壓均衡單元中的電壓檢測(cè)單元輸出高電平，電壓均衡單元中的脈沖調(diào)制單元輸出具有一定周期和占空比的方波，通過(guò)互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)緩沖開關(guān)Gl和釋放開關(guān)G2互補(bǔ)導(dǎo)通或者截止；當(dāng)電容器單體(I)的端電壓低于給定閥值時(shí)，電壓檢測(cè)單元輸出低電平，脈沖調(diào)制單元一直輸出低電平信號(hào)，此時(shí)緩沖開關(guān)Gl處于截止?fàn)顟B(tài)，釋放開關(guān)G2處于導(dǎo)通狀態(tài)。將端電壓增長(zhǎng)最慢的電容器單體I連接在直流充電電源的負(fù)極，該級(jí)電容器單體I并聯(lián)的電壓均衡單元的電壓檢測(cè)單元一直輸出低電平，脈沖調(diào)制單元一直輸出低電平信號(hào)，此時(shí)Gl —直截止，G2 一直導(dǎo)通，能夠進(jìn)一步降低整個(gè)電壓均衡充電系統(tǒng)的能耗。所述系統(tǒng)包括串聯(lián)電容器組和直流充電電源；串聯(lián)電容器組中的每個(gè)電容器單體I的兩端并聯(lián)電壓均衡單元2 ;所述電壓均衡單元2包括電壓檢測(cè)單元、脈沖調(diào)制單元、互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)單元、緩沖開關(guān)、釋放開關(guān)、LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元；電壓檢測(cè)單元的輸入端連接在電容器單體I的兩端，電壓檢測(cè)單元的輸出端連接脈沖調(diào)制單元，脈沖調(diào)制單元連接互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)單元，互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)單元的兩個(gè)輸出端分別連接緩沖開關(guān)和釋放開關(guān)，LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元與釋放開關(guān)和緩沖開關(guān)連接，分別構(gòu)成RLC降壓釋放電路和RLC電能儲(chǔ)存電路。所述電壓檢測(cè)單元采用BL8506集成芯片；互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)單元采用TPS28225集成芯片；緩沖開關(guān)Gl和釋放開關(guān)G2均采用Mosfet開關(guān)管。根據(jù)對(duì)應(yīng)的RLC串聯(lián)電路所決定的共振周期、電流及電壓過(guò)零特性和電氣特性，每個(gè)Mosfet開關(guān)管的源極和漏極間并聯(lián)一個(gè)電容，確保Mosfet開關(guān)管工作在軟開關(guān)狀態(tài)，降低Mosfet開關(guān)管的開關(guān)損耗。系統(tǒng)的實(shí)施例
參見附圖3，所述系統(tǒng)主要由串聯(lián)電容器組、直流充電電源和電壓均衡單元2組成；串聯(lián)電容器組中的每個(gè)電容器單體I的兩端并聯(lián)電壓均衡單元2 ;所述電壓均衡單元2包括BL8506集成芯片的電壓檢測(cè)單元、TPS28225集成芯片的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)單元、Mosfet開關(guān)管Gl的緩沖開關(guān)、Mosfet開關(guān)管G2的釋放開關(guān)、LC電路的LC串聯(lián)儲(chǔ)能I旲塊；電壓檢測(cè)單兀的輸入端連接在電容器單體I的兩端，電壓檢測(cè)單元的輸出端順序連接555集成芯片的脈沖調(diào)制單元和TPS28225集成芯片的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)單元，互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)單元的兩個(gè)輸出端分別連接Gl和G2，G1和G2的源極和漏極間分別并聯(lián)電容Cl和C2 ；LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元與G2組成對(duì)LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元的C進(jìn)行放電的RLC釋放電路；LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元與Gl組成對(duì)LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元的C進(jìn)行充電的RLC緩沖電路。系統(tǒng)實(shí)施例的工作原理
在直流充電電源DC給串聯(lián)電容器組充電的過(guò)程中，流經(jīng)每個(gè)電容器單體I的電流是相同的，由于電容器單體I的個(gè)體內(nèi)阻值的存在差異，每個(gè)電容器單體I分配的電壓不是相同的。當(dāng)某級(jí)電容器單體I的電壓均衡單元2的BL8506集成芯片的電壓檢測(cè)模塊檢測(cè)到其端電壓超出設(shè)定的閥值時(shí)，BL8506集成芯片的輸出端輸出高電平，驅(qū)使555集成芯片的振蕩模塊，555集成芯片輸出具有特定頻率及占空比的控制信號(hào)，經(jīng)TPS28225集成芯片的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)并控制Gl、G2互補(bǔ)導(dǎo)通。當(dāng)Gl導(dǎo)通G2截止時(shí)，電容器單體I通過(guò)G1、L向LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元中的電容器C充電并使得本級(jí)電容器單體I的端電壓下降；G1截止時(shí)G2導(dǎo)通，LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元中的電容器C通過(guò)L、G2向下一串聯(lián)電容器單體放電，放電的結(jié)果是提高了本級(jí)電容器單體I的B端的電位，即提高了下級(jí)電容器單體I的A端的電位。電壓均衡單元2充分利用了 RLC回路的諧振特性，當(dāng)諧振電流或電壓過(guò)零時(shí)開關(guān)管才完成導(dǎo)通或截止動(dòng)作。同時(shí)Mosfet開關(guān)管Gl、G2分別并聯(lián)的電容Cl、C2可有效確保零電壓截至，而串聯(lián)的小電感L可有效確保Mosfet開關(guān)管零電流導(dǎo)通，以上措施實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)功能，可有效降低Mosfet開關(guān)管的開關(guān)損耗，提高旁路分流降壓的系統(tǒng)效率。
另外，電壓均衡策略在本質(zhì)上是過(guò)壓保護(hù)策略，即在串聯(lián)電容器組的充電過(guò)程中，只有在充電過(guò)程即將結(jié)束或者由于串聯(lián)電容器單體I的實(shí)際參數(shù)偏差過(guò)大的原因?qū)е履硞€(gè)體的端電壓超過(guò)給定閥值的情況下，對(duì)應(yīng)的電壓均衡單元2才會(huì)工作，同時(shí)結(jié)合軟開關(guān)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電容器組的低能耗過(guò)壓降壓保護(hù)策略。本發(fā)明不僅通過(guò)兩個(gè)關(guān)聯(lián)的欠阻尼RLC串聯(lián)電路實(shí)現(xiàn)了串聯(lián)電容器的充電電壓均衡，同時(shí)配合驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序等使開關(guān)管工作在軟開關(guān)狀態(tài)，有效降低了開關(guān)損耗并具有良好的結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展性。
權(quán)利要求
1.一種串聯(lián)電容器組諧振式電壓均衡充電方法，所述方法包括使用直流充電電源給串聯(lián)電容器組充電；串聯(lián)電容器組中的每個(gè)電容器單體(I)并聯(lián)電壓均衡單元；其特征在于 在電壓均衡單元中(1)具有RLC串聯(lián)電路的降壓緩沖模塊由緩沖開關(guān)Gl和LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元中的電感器L、電容器C構(gòu)成，該RLC串聯(lián)電路工作于欠阻尼狀態(tài)，其中R為G1、L和C的等效電阻總和；(2)具有RLC串聯(lián)電路的電能釋放I旲塊由釋放開關(guān)G2和LC串聯(lián)儲(chǔ)能單兀中的電感器L、電容器C構(gòu)成，RLC串聯(lián)電路工作于欠阻尼狀態(tài)，其中R為G2、L和C的等效電阻總和， G2的電氣特性與Gl相同，等效內(nèi)阻也相等；(3)緩沖開關(guān)Gl和釋放開關(guān)G2工作在互補(bǔ)導(dǎo)通狀態(tài)，開關(guān)周期及占空比與RLC串聯(lián)電路的諧振頻率一致；(4)緩沖開關(guān)Gl和釋放開關(guān)G2的源極和漏極之間分別并聯(lián)電容，結(jié)合各自所在RLC串聯(lián)電路的諧振特性，使緩沖開關(guān)Gl和釋放開關(guān)G2工作在軟開關(guān)狀態(tài)，降低開關(guān)能量損耗；(5 )當(dāng)電容器單體(I)的端電壓超過(guò)給定閥值時(shí)，電壓均衡單元中的電壓檢測(cè)單元輸出高電平，電壓均衡單元中的脈沖調(diào)制單元輸出具有一定周期和占空比的方波，通過(guò)互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)緩沖開關(guān)Gl和釋放開關(guān)G2互補(bǔ)導(dǎo)通或者截止；當(dāng)電容器單體(I)的端電壓低于給定閥值時(shí)，電壓檢測(cè)單元輸出低電平，脈沖調(diào)制單元一直輸出低電平信號(hào)，此時(shí)緩沖開關(guān)Gl處于截止?fàn)顟B(tài)，釋放開關(guān)G2處于導(dǎo)通狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于將端電壓增長(zhǎng)最慢的電容器單體(I)連接在直流充電電源的負(fù)極，該級(jí)電容器單體(I)并聯(lián)的電壓均衡單元的電壓檢測(cè)單元一直輸出低電平，脈沖調(diào)制單兀一直輸出低電平信號(hào)，此時(shí)Gl —直截止,G2 —直導(dǎo)通,能夠進(jìn)一步降低整個(gè)電壓均衡充電系統(tǒng)的能耗。
3.一種適用于權(quán)利要求1或2所述方法的串聯(lián)電容器組諧振式電壓均衡充電系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括串聯(lián)電容器組和直流充電電源；串聯(lián)電容器組中的每個(gè)電容器單體(I)的兩端并聯(lián)電壓均衡單元(2);其特征在于所述電壓均衡單元(2)包括電壓檢測(cè)單元、脈沖調(diào)制單元、互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)單元、緩沖開關(guān)、釋放開關(guān)、LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元；電壓檢測(cè)單元的輸入端連接在電容器單體(I)的兩端，電壓檢測(cè)單元的輸出端連接脈沖調(diào)制單元，脈沖調(diào)制單元連接互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)單元，互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)單元的兩個(gè)輸出端分別連接緩沖開關(guān)和釋放開關(guān)，LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元與釋放開關(guān)和緩沖開關(guān)連接，分別構(gòu)成RLC降壓釋放電路和RLC電能儲(chǔ)存電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于所述電壓檢測(cè)單元采用BL8506集成芯片；互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)單元采用TPS28225集成芯片；緩沖開關(guān)Gl和釋放開關(guān)G2均采用Mosfet開關(guān)管。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于根據(jù)對(duì)應(yīng)的RLC串聯(lián)電路所決定的共振周期、電流及電壓過(guò)零特性和電氣特性，每個(gè)Mosfet開關(guān)管的源極和漏極間并聯(lián)一個(gè)電容，確保Mosfet開關(guān)管工作在軟開關(guān)狀態(tài)，降低Mosfet開關(guān)管的開關(guān)損耗。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種串聯(lián)電容器組諧振式電壓均衡充電方法及其系統(tǒng)，所述方法包括使用直流充電電源給串聯(lián)電容器組充電；串聯(lián)電容器組中的每個(gè)電容器單體并聯(lián)的電壓均衡單元包括共用LC串聯(lián)結(jié)構(gòu)的降壓緩沖和電能釋放模塊，互補(bǔ)導(dǎo)通的緩沖開關(guān)G1和釋放開關(guān)G2的源極和漏極之間分別并聯(lián)電容。將端電壓增長(zhǎng)最慢的電容器單體連接在直流充電電源的負(fù)極。所述系統(tǒng)包括串聯(lián)電容器組和直流充電電源；每個(gè)電容器單體的兩端并聯(lián)電壓均衡單元；電壓均衡單元包括電壓檢測(cè)單元、脈沖調(diào)制單元、互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)單元、緩沖開關(guān)、釋放開關(guān)、LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元。本發(fā)明可防止電容器串聯(lián)充電過(guò)程中的電容器單體端電壓不均衡現(xiàn)象，且具有能耗低、結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02J7/00GK103001297SQ201210587980
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者張偉, 張航 申請(qǐng)人:中南大學(xué)