[发明专利]一种具有电压均衡能力的超级电容器组用充电电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种充电电路，尤其涉及一种超级电容器组用充电电路。

背景技术

超级电容器单体的额定工作电压很低，在应用中，需要串联成组来满足各种应用需要。由于工艺误差和器件老化，超级电容器组中的各个单体的特性参数往往不同，造成超级电容器单体间电压不均衡，使部分单体处于过充或过放状态，导致部分单体损坏，进而是整个超级电容器储能系统失效。

目前针对这一问题，普遍使用能耗型电压均衡类电路。该类电路通过电压采集或比较，监视每一超级电容器单体电压，由处理器控制开关，投切与超级电容器单体相并联的能耗电阻，将过充的能量以热能的形式消耗掉。但这一方法存在两个严重的问题：一是消耗的能量降低了储能系统的储能效率；二是增加了散热成本，尤其在紧凑的大型储能系统上表现更为明显。

另一类电压均衡电路是将过充的超级电容器上的多余能量通过DC/DC(包括buck/boost电路、cuk电路等)电路网络，转移到邻近电容器上，这种电路控制复杂，转移速率低，转移效率低，器件众多，价格昂贵，所以这类电路在实际应用中很难推广。一种改进办法是用带隔离变压器的DC/DC变换法（正激式或反激式变换法），但磁路复杂，体积较大，绕组不易扩充且均衡误差大。

还有人尝试以变压器为中介，将电源变压为幅值相等的多路交流电源，然后通过AC/DC电压转换，给储能系统充电，同样，在实际应用中，与带隔离变压器的DC/DC变换法遇到了相同的问题。

中国专利200510086793.4中，利用开关网络，开关电容，将多余的能量转移到电容上，而不是消耗掉，然后将这部分能量再转移到储能系统中电压最低的电容上。这一方法克服了以上方法中诸多问题，但仍然遇到电压检测和双向开关复杂的问题，同时由于能量转移电容上的电压与超级电容单体上的电压差值较小，转移速度较慢。

发明内容

本发明目的在于克服现有超级电容器串联充电时电压不匹配的问题，提出一种具有电压均衡能力的超级电容器组用充电电路。本发明在回收能量的同时，还具有电路简单、成本低廉、均压速度快、实用可靠等诸多优点。

使用本发明充电电路的超级电容器组串联的超级电容器单体数量为N，N的取值范围为2至200。本发明充电电路由一个能量转移电容、第一电感、第一二级管、N个泄能控制模块、N个电压检测和信号传输模块、一个充电控制电路、一个控制器，以及一个电压检测电路组成。每个超级电容器单体并联一个泄能控制模块和一个电压检测和信号传输模块。N个泄能控制模块均与第一二极管并联，第一电感和第一二级管串联后与能量转移电容并联；能量转移电容的作用是临时存储回收的能量，第一电感可以在超级电容器向能量转移电容上转移能量的时候限制电流，第一二极管与第一电感是超级电容器向能量转移电容上转移能量的DC/DC降压电路的一部分。泄能控制模块为能量回收提供流动通道，电压检测和信号传输模块判断超级电容器单体是否过充，并向控制器传递每个超级电容器单体是否过充的信号；电压检测电路与超级电容器组相连，实时检测超级电容器组的电压状态，为控制器提供所述超级电容器组的电压状态；泄能控制模块、充电控制电路均与控制器相连，控制泄能控制模块和充电控制电路实现平衡电压和DC/DC降压充电功能。

所述的泄能控制模块由第一开关、第二开关、第一电阻、第二电阻和第一光耦连接而成；第一开关和第二开关可以使用N沟道MOS管，此外还可使用GTO、IGBT和三极管等多种开关，以下内容以MOS管为例。如果使用GTO，以下MOS管的漏极替换为GTO的阳极，MOS管的栅极替换为GTO的门极，MOS管的源极替换为GTO的阴极；如果使用IGBT，以下MOS管的漏极替换为IGBT的集电极，MOS管的栅极替换为IGBT的门极，MOS管的源极替换为IGBT的发射极；如果使用三极管，以下MOS管的漏极替换为三极管的集电极，MOS管的栅极替换为三极管的基极，MOS管的源极替换为三极管的发射极。第一开关的漏极和第一光耦接收管的集电极相连，第一开关的栅极、第二开关的栅极、第一电阻的一端和第一光耦接收管的发射极相连，第一电阻的另一端与第二开关的源极相连；第二电阻的一端与第一光耦发射管的负极相连，第二电阻的另一端与控制器共地。第一开关的源极定义为泄能控制模块的E端口、第一开关的漏极定义为泄能控制模块的G端口，第二开关的漏极定义为泄能控制模块的F端口、第二开关的源极定义为泄能控制模块的H端口，第一光耦发射管的正极定义为泄能控制模块的CON端口。