本發(fā)明涉及電池電源管理領(lǐng)域，具體涉及一種串聯(lián)超級(jí)電容組充電均衡電路及其均衡方法。

背景技術(shù)：

超級(jí)電容器是一種利用雙電層原理直接儲(chǔ)存電能的新型儲(chǔ)能原件，其容量范圍一般從幾法拉到數(shù)萬(wàn)法拉，具有非常高的功率密度，并且還具有體積小、充放電速度快、使用壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬、低溫性能好和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)、機(jī)車(chē)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)、坦克低溫啟動(dòng)、大功率激光武器電力系統(tǒng)等領(lǐng)域。但是由于超級(jí)電容器單體電容工作電壓較低(一般約為2.7V)，在實(shí)際應(yīng)用中通常需要將多個(gè)單體串聯(lián)使用，以滿(mǎn)足電壓電流要求。然而由于制造工藝的差別，單體電容的電容量、等效串聯(lián)阻抗、漏電流等參數(shù)存在一定差異，使得串聯(lián)超級(jí)電容器組在充電過(guò)程中，各單體電容電壓變化速度不同，即在充電過(guò)程中，同一串聯(lián)組中有的單體電壓上升快，有的單體電壓上升慢，從而導(dǎo)致有的單體先充滿(mǎn)，如繼續(xù)充電就會(huì)產(chǎn)生過(guò)充現(xiàn)象，使能量不能完全利用而且嚴(yán)重?fù)p害了超級(jí)電容的使用壽命。因此，在實(shí)際應(yīng)用中需要在串聯(lián)超級(jí)電容組添加均衡電路進(jìn)行電壓均衡。

現(xiàn)有的超級(jí)電容組均衡電路主要有兩類(lèi)：一類(lèi)是能量消耗型，常見(jiàn)的是穩(wěn)壓管型和開(kāi)關(guān)電阻型；這兩種電路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但卻存在能量以熱能的形式浪費(fèi)的缺陷，不適合中大功率的應(yīng)用。另一類(lèi)是能量轉(zhuǎn)移型，主要包括開(kāi)關(guān)電容法、帶隔離變壓器的DC-DC變換器、Buck/Boost變換器法、單飛渡電容法等。其中，開(kāi)關(guān)電容的均衡速度取決于所有串聯(lián)超級(jí)電容的均衡速度，且在能量的傳遞過(guò)程中要經(jīng)過(guò)其他超級(jí)電容單體；Buck/Boost變換器中開(kāi)關(guān)管和電感較多，當(dāng)串聯(lián)單體較多或相鄰單體電壓差不大時(shí)，由于能量不是從最高直接流到最低，而是逐級(jí)流動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致均衡速度下降，并增加能量損耗；帶隔離變壓器的DC-DC變換存在磁路復(fù)雜、體積較大、繞組不易擴(kuò)充的問(wèn)題；單飛渡電容法可以直接將能量從最高單體轉(zhuǎn)移到最低單體，但中間飛渡電容與儲(chǔ)能單體相比容量有限，導(dǎo)致均衡時(shí)間較長(zhǎng)，且能量經(jīng)過(guò)中間飛渡電容也會(huì)有一定的損耗。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)背景技術(shù)存在的缺陷，提出了一種串聯(lián)超級(jí)電容組充電均衡電路及其均衡方法。本發(fā)明均衡電路屬于能量轉(zhuǎn)移型，當(dāng)檢測(cè)到串聯(lián)超級(jí)電容組中的最低和最高單體電壓時(shí)，主控器控制開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)中開(kāi)關(guān)的關(guān)斷或?qū)?，使能量直接從高電壓?jiǎn)误w向低電壓?jiǎn)误w轉(zhuǎn)移而不經(jīng)過(guò)中間的暫存器件；相比現(xiàn)有的均衡電路，有效減小了能量損失和器件數(shù)量，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)模塊化。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種串聯(lián)超級(jí)電容組充電均衡電路，包括含主控單元、電壓比較單元、AD控制單元和開(kāi)關(guān)控制單元的主控器FPGA，AD轉(zhuǎn)換模塊，超級(jí)電容組及其開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)；所述超級(jí)電容組包括n個(gè)串聯(lián)的超級(jí)電容單體(n≥3)，所述開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)包括位于相鄰超級(jí)電容單體之間的串聯(lián)開(kāi)關(guān)、與超級(jí)電容單體正極相連的正極開(kāi)關(guān)和與超級(jí)電容單體負(fù)極相連的負(fù)極開(kāi)關(guān)，所有正極開(kāi)關(guān)的一端連接各超級(jí)電容單體的正極，另一端連接在一起，所有負(fù)極開(kāi)關(guān)的一端連接各超級(jí)電容單體的負(fù)極，另一端連接在一起；

主控器FPGA通過(guò)AD控制單元向AD轉(zhuǎn)換模塊發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，AD轉(zhuǎn)換模塊采集超級(jí)電容單體的電壓，傳輸?shù)街骺仄鱂PGA的AD控制單元，AD控制單元將采集的數(shù)據(jù)傳遞到電壓比較單元，電壓比較單元對(duì)各個(gè)單體的電壓大小進(jìn)行排序，得到電壓最大的單體電容和電壓最小的單體電容；主控器FPGA中的開(kāi)關(guān)控制單元控制開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，斷開(kāi)電壓最大的單體電容和電壓最小的單體電容之間的任一串聯(lián)開(kāi)關(guān)，同時(shí)閉合電壓最大的單體電容對(duì)應(yīng)的正極開(kāi)關(guān)和負(fù)極開(kāi)關(guān)，閉合電壓最小的單體電容對(duì)應(yīng)的正極開(kāi)關(guān)和負(fù)極開(kāi)關(guān)，此時(shí)電壓最大的單體電容和電壓最小的單體電容串聯(lián)，即可實(shí)現(xiàn)能量從最高電壓?jiǎn)误w向最低電壓?jiǎn)误w的轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)電壓均衡的目的。

進(jìn)一步地，所述串聯(lián)開(kāi)關(guān)為n-MOSFET開(kāi)關(guān)，每個(gè)串聯(lián)開(kāi)關(guān)由一對(duì)帶續(xù)流二極管的n-MOSFET串聯(lián)得到，一對(duì)帶續(xù)流二極管的n-MOSFET中第一個(gè)n-MOSFET開(kāi)關(guān)的源極與第二個(gè)n-MOSFET開(kāi)關(guān)的漏極相連，兩者的柵極連接在一起。

進(jìn)一步地，所述正極開(kāi)關(guān)為n-MOSFET開(kāi)關(guān)，每個(gè)正極開(kāi)關(guān)由一對(duì)帶續(xù)流二極管的n-MOSFET串聯(lián)得到，一對(duì)帶續(xù)流二極管的n-MOSFET中第一個(gè)n-MOSFET開(kāi)關(guān)的源極與第二個(gè)n-MOSFET開(kāi)關(guān)的漏極相連，兩者的柵極連接在一起。

進(jìn)一步地，所述負(fù)極開(kāi)關(guān)為n-MOSFET開(kāi)關(guān)，每個(gè)負(fù)極開(kāi)關(guān)由一對(duì)帶續(xù)流二極管的n-MOSFET串聯(lián)得到，一對(duì)帶續(xù)流二極管的n-MOSFET中第一個(gè)n-MOSFET開(kāi)關(guān)的源極與第二個(gè)n-MOSFET開(kāi)關(guān)的漏極相連，兩者的柵極連接在一起。

進(jìn)一步地，所述串聯(lián)開(kāi)關(guān)、正極開(kāi)關(guān)和負(fù)極開(kāi)關(guān)均由方波信號(hào)控制。

進(jìn)一步地，同一個(gè)超級(jí)電容單體兩端的正極開(kāi)關(guān)和負(fù)極開(kāi)關(guān)由相同的時(shí)序控制；即第一個(gè)超級(jí)電容單體對(duì)應(yīng)的第一正極開(kāi)關(guān)和第一負(fù)極開(kāi)關(guān)由相同的時(shí)序控制，第二個(gè)超級(jí)電容單體對(duì)應(yīng)的第二正極開(kāi)關(guān)和第二負(fù)極開(kāi)關(guān)由相同的時(shí)序控制，…，第n個(gè)超級(jí)電容單體對(duì)應(yīng)的第n正極開(kāi)關(guān)和第n負(fù)極開(kāi)關(guān)由相同的時(shí)序控制。

進(jìn)一步地，所述串聯(lián)開(kāi)關(guān)常態(tài)時(shí)都是導(dǎo)通的，即第一串聯(lián)開(kāi)關(guān)、第二串聯(lián)開(kāi)關(guān)…第(n-1)串聯(lián)開(kāi)關(guān)在均衡電路未開(kāi)啟時(shí)都處于導(dǎo)通狀態(tài)，只有在進(jìn)行均衡時(shí)，由FPGA主控器輸出控制信號(hào)斷開(kāi)電壓最大的單體電容和電壓最小的單體電容之間的任意一個(gè)串聯(lián)開(kāi)關(guān)，以防止產(chǎn)生額外相反電流流通路徑，使中間單體電壓下降。

進(jìn)一步地，所述正極開(kāi)關(guān)和負(fù)極開(kāi)關(guān)常態(tài)時(shí)都是斷開(kāi)的，只有在進(jìn)行均衡時(shí)，由FPGA主控器輸出控制信號(hào)閉合電壓最大的單體電容對(duì)應(yīng)的正極開(kāi)關(guān)和負(fù)極開(kāi)關(guān)，閉合電壓最小的單體電容對(duì)應(yīng)的正極開(kāi)關(guān)和負(fù)極開(kāi)關(guān)，使電壓最大的單體電容和電壓最小的單體電容串聯(lián)，即可實(shí)現(xiàn)能量從最高電壓?jiǎn)误w向最低電壓?jiǎn)误w的轉(zhuǎn)移。

基于上述串聯(lián)超級(jí)電容組充電均衡電路，本發(fā)明還提供了一種串聯(lián)超級(jí)電容組充電均衡方法，具體包括以下步驟：

步驟1、主控器FPGA通過(guò)AD控制單元向AD轉(zhuǎn)換模塊發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，AD轉(zhuǎn)換模塊采集超級(jí)電容單體的電壓，傳輸?shù)街骺仄鱂PGA的AD控制單元，AD控制單元將采集的數(shù)據(jù)傳遞到電壓比較單元，電壓比較單元對(duì)各個(gè)單體的電壓大小進(jìn)行排序，得到電壓最大的單體電容和電壓最小的單體電容；

步驟2、主控器FPGA中的開(kāi)關(guān)控制單元控制開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，斷開(kāi)電壓最大的單體電容和電壓最小的單體電容之間的任一串聯(lián)開(kāi)關(guān)，同時(shí)閉合電壓最大的單體電容對(duì)應(yīng)的正極開(kāi)關(guān)和負(fù)極開(kāi)關(guān)，閉合電壓最小的單體電容對(duì)應(yīng)的正極開(kāi)關(guān)和負(fù)極開(kāi)關(guān)，此時(shí)電壓最大的單體電容和電壓最小的單體電容串聯(lián)，即可實(shí)現(xiàn)能量從最高電壓?jiǎn)误w向最低電壓?jiǎn)误w的轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)電壓均衡的目的。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明提供的串聯(lián)超級(jí)電容組充電均衡電路在均衡過(guò)程中，能量不經(jīng)過(guò)其他中間器件而是直接從電壓最大的單體電容轉(zhuǎn)移到電壓最小的單體電容，減小了能量損失和器件數(shù)量；同時(shí)均衡電路中僅采用開(kāi)關(guān)器件，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，更易實(shí)現(xiàn)模塊化。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明提供的串聯(lián)超級(jí)電容組充電均衡電路的示意圖；

圖2為本發(fā)明提供的串聯(lián)超級(jí)電容組充電均衡電路中超級(jí)電容組及其開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的工作原理圖；

圖3為由一對(duì)漏源相接的帶續(xù)流二極管的n-MOSFET構(gòu)成的正極/負(fù)極開(kāi)關(guān)(a)和由一對(duì)漏源相接的帶續(xù)流二極管的n-MOSFET構(gòu)成的串聯(lián)開(kāi)關(guān)(b)；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的串聯(lián)超級(jí)電容組充電均衡電路中超級(jí)電容組及其開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的工作原理圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例的串聯(lián)超級(jí)電容組充電均衡電路的仿真結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，詳述本發(fā)明的技術(shù)方案。

如圖1所示，為本發(fā)明提供的一種串聯(lián)超級(jí)電容組充電均衡電路，包括含主控單元、電壓比較單元、AD控制單元和開(kāi)關(guān)控制單元的主控器FPGA，AD轉(zhuǎn)換模塊，超級(jí)電容組及其開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)。所述超級(jí)電容組包括n個(gè)串聯(lián)的超級(jí)電容單體(n≥3)；所述開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)包括位于相鄰超級(jí)電容單體之間的串聯(lián)開(kāi)關(guān)、與超級(jí)電容單體正極相連的正極開(kāi)關(guān)和與超級(jí)電容單體負(fù)極相連的負(fù)極開(kāi)關(guān)；其中，第一個(gè)超級(jí)電容單體負(fù)極與第二個(gè)超級(jí)電容單體正極之間為第一串聯(lián)開(kāi)關(guān)，第二個(gè)超級(jí)電容單體負(fù)極與第三個(gè)超級(jí)電容單體正極之間為第二串聯(lián)開(kāi)關(guān)，…，第(n-1)個(gè)超級(jí)電容單體負(fù)極與第n個(gè)超級(jí)電容單體正極之間為第(n-1)串聯(lián)開(kāi)關(guān)；第一個(gè)超級(jí)電容單體正極連接第一正極開(kāi)關(guān)，負(fù)極連接第一負(fù)極開(kāi)關(guān)，…，第n個(gè)超級(jí)電容單體正極連接第n正極開(kāi)關(guān)，負(fù)極連接第n負(fù)極開(kāi)關(guān)；所有正極開(kāi)關(guān)的一端連接對(duì)應(yīng)的超級(jí)電容單體的正極，另一端連接在一起，所有負(fù)極開(kāi)關(guān)的一端連接對(duì)應(yīng)的超級(jí)電容單體的負(fù)極，另一端連接在一起。

主控器FPGA通過(guò)AD控制單元向AD轉(zhuǎn)換模塊發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，AD轉(zhuǎn)換模塊采集超級(jí)電容單體的電壓，傳輸?shù)街骺仄鱂PGA的AD控制單元，AD控制單元將采集的數(shù)據(jù)傳遞到電壓比較單元，電壓比較單元對(duì)各個(gè)單體的電壓大小進(jìn)行排序，得到電壓最大的單體電容和電壓最小的單體電容；主控器FPGA中的開(kāi)關(guān)控制單元控制開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，斷開(kāi)電壓最大的單體電容和電壓最小的單體電容之間的任一串聯(lián)開(kāi)關(guān)，同時(shí)閉合電壓最大的單體電容對(duì)應(yīng)的正極開(kāi)關(guān)和負(fù)極開(kāi)關(guān)，閉合電壓最小的單體電容對(duì)應(yīng)的正極開(kāi)關(guān)和負(fù)極開(kāi)關(guān)，此時(shí)電壓最大的單體電容和電壓最小的單體電容串聯(lián)，即可實(shí)現(xiàn)能量從最高電壓?jiǎn)误w向最低電壓?jiǎn)误w的轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)電壓均衡的目的。主控器FPGA實(shí)時(shí)檢測(cè)各個(gè)超級(jí)電容單體的電壓，選出某一時(shí)刻新的電壓最大單體和電壓最小單體，重復(fù)上述步驟，最終實(shí)現(xiàn)串聯(lián)超級(jí)電容各個(gè)單體電壓的均衡。

進(jìn)一步地，均衡電路未啟動(dòng)時(shí)，所有串聯(lián)開(kāi)關(guān)，包括第一串聯(lián)開(kāi)關(guān)、第二串聯(lián)開(kāi)關(guān)、…、第(n-1)串聯(lián)開(kāi)關(guān)都保持導(dǎo)通狀態(tài)，使所有儲(chǔ)能單體以串聯(lián)的形式進(jìn)行充放電，只有檢測(cè)到單體電壓差異而啟動(dòng)均衡電路時(shí)主控器才會(huì)相應(yīng)斷開(kāi)電壓最大的單體電容和電壓最小的單體電容之間的任意一個(gè)串聯(lián)開(kāi)關(guān)，以防止產(chǎn)生額外相反電流流通路徑，使中間單體電壓下降。

進(jìn)一步地，均衡電路未啟動(dòng)時(shí)，所有超級(jí)電容單體兩端連接的正極開(kāi)關(guān)和負(fù)極開(kāi)關(guān)都處于關(guān)斷狀態(tài)，只有檢測(cè)到單體電壓差異而啟動(dòng)均衡電路時(shí)，主控器才會(huì)閉合電壓最大的單體電容對(duì)應(yīng)的正極開(kāi)關(guān)和負(fù)極開(kāi)關(guān)，閉合電壓最小的單體電容對(duì)應(yīng)的正極開(kāi)關(guān)和負(fù)極開(kāi)關(guān)，使電壓最大的單體電容和電壓最小的單體電容串聯(lián)，即可實(shí)現(xiàn)能量從最高電壓?jiǎn)误w向最低電壓?jiǎn)误w的轉(zhuǎn)移。

實(shí)施例

下面以3個(gè)超級(jí)電容單體串聯(lián)的超級(jí)電容組的均衡為例，詳細(xì)闡述本發(fā)明的均衡過(guò)程，圖4為3個(gè)超級(jí)電容單體串聯(lián)的超級(jí)電容組及其開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的工作原理圖。其中，三個(gè)超級(jí)電容單體SC1、SC2、SC3中SC1電壓最大，SC2次之，SC3電壓最小。

主控器FPGA通過(guò)AD控制單元向AD轉(zhuǎn)換模塊發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，AD轉(zhuǎn)換模塊采集超級(jí)電容單體的電壓，傳輸?shù)街骺仄鱂PGA的AD控制單元，AD控制單元將采集的數(shù)據(jù)傳遞到電壓比較單元，電壓比較單元對(duì)各個(gè)單體的電壓大小進(jìn)行排序，得到電壓最大的單體電容SC1和電壓最小的單體電容SC3；然后主控器FPGA中的開(kāi)關(guān)控制單元控制開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，使第一正極開(kāi)關(guān)、第一負(fù)極開(kāi)關(guān)、第三正極開(kāi)關(guān)、第三負(fù)極開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，同時(shí)斷開(kāi)第一串聯(lián)開(kāi)關(guān)或第二串聯(lián)開(kāi)關(guān)，此時(shí)，超級(jí)電容單體SC1與SC3串聯(lián)導(dǎo)通(電路導(dǎo)通路徑如圖4所示)，電流由電壓高的單體SC1流向電壓低的單體SC3，一段時(shí)間后，超級(jí)電容單體SC1、SC3兩者電壓逐漸趨于一致。主控器FPGA實(shí)時(shí)檢測(cè)超級(jí)電容單體的電壓，不斷選出新的電壓最大和電壓最小的單體電容，通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的控制，使電壓最大的單體和電壓最小的單體始終串聯(lián)相接，能量從電壓最大的單體流向電壓最小的單體，最終達(dá)到電壓均衡的目的。

本實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)中的各串聯(lián)開(kāi)關(guān)、正極開(kāi)關(guān)和負(fù)極開(kāi)關(guān)均由一對(duì)帶續(xù)流二極管的n-MOSFET串聯(lián)得到，其工作頻率是10KHz，且是占空比為0.5的方波。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例的串聯(lián)超級(jí)電容組充電均衡電路的仿真結(jié)果；3個(gè)串聯(lián)的超級(jí)電容單體分別為SC1、SC2、SC3，其容量依次為300f、310f、320f，初始電壓依次為1.6V、1.2V、0.8V，假設(shè)各超級(jí)電容單體上限電壓為3.0V，可看到經(jīng)過(guò)大約35s，充電結(jié)束，結(jié)束時(shí)各單體間最大電壓差僅為0.14V，電壓差值很小，且經(jīng)過(guò)一段時(shí)間各單體間的電壓差還會(huì)進(jìn)一步降低，有效減少均衡過(guò)程中的能量損失。

本發(fā)明串聯(lián)超級(jí)電容組充電均衡電路在均衡過(guò)程中，能量直接從電壓最大的單體電容轉(zhuǎn)移到電壓最小的單體電容，不經(jīng)過(guò)中間飛渡電容等其他中間器件進(jìn)行能量暫存，有效減小了能量損失，同時(shí)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，更易模塊化。