[发明专利]一种能量转移型超级电容器电压均衡电路

说明书

技术领域

本发明属于电气领域，涉及一种能量转移型超级电容器电压均衡电路。

背景技术

超级电容器作为一种新型绿色储能器件，具有功率密度高、充电速度快、充放电电流大、循环使用寿命长、对环境无污染、能量转化效率高等优点，在新能源汽车、分布式电网、电能质量调节、工业节能、军工、后备电源等领域具有广阔的应用前景。但由于超级电容器单体储存能量有限且工作电压不高，一般不超过3V，故在实际应用中常需要将多个超级电容器串并联使用。超级电容器串联成组后，在充(放)电过程中，由于各单体电容器参数(如电容值、内阻、漏电流等)存在差异，大电流充放电过程中会造成各单体电容两端电压不均衡，各电容电压上升(下降)速度不同，进而导致某些单体电容过充(过放)，影响超级电容器的效率、使用寿命以及系统的安全性和稳定性。因此，对串联超级电容器单体进行电压均衡管理具有十分重要的意义。

电压均衡在超级电容器的实际应用中起着至关重要的作用，同样电压均衡方案的选取也直接关系到超级电容器组能否正常高效的工作，在特定的场合下选择合适的均衡方案才能最大限度的发挥超级电容器的储能优势。目前常用的电压均衡方法有以下两种：

(1)并联稳压管法，电路原理如图1所示。

并联稳压管法均压的工作原理是，将稳压管击穿电压设置为超级电容器单体额定电压，对串联超级电容器组进行恒流充电，各单体两端电压将逐渐增大，当某一单体电容首先达到额定电压时，其并联的稳压管将被击穿分流，充电电流将从稳压管流过，对应的电容器不再充电，电压将稳定在额定电压不变，其他单体电容依次类推，最终达到各电容电压均衡。该方案虽然电路结构简单，成本很低，无需任何控制手段，操作方便；但由于其在电压达到额定电压后，充电电流全部流经稳压管，能量完全消耗在稳压管上，导致稳压管发热和能量损失严重，并且均压过程较长。

(2)开关电阻法

开关电阻法是一种通过接入开关管以及并联电阻，在电容器端电压高于额定电压时导通开关管对充电电流进行分流，从而使各电容器端电压逐渐趋于均衡的方法。其电路原理如图2所示。

均衡模块主要由电压采集器B、电压比较器COMP、开关管IGBT和电阻R串联而成，然后并联在单体电容C两端。电路工作过程如下：各单体电容C在恒流源I作用下充电，当某一单体电容电压达到基准电压E(略小于额定电压的某一电压值)时，开关管IGBT导通，电容C通过回路向电阻R放电，致使其电压上升速率减慢，其他电容电压在达到基准电压时操作相同，充电速率减慢，最终在电阻的分流作用下各单体电容电压达到均衡。

该方法电路简单、成本较低、控制方便、可靠性高，而且可以根据充电电流大小来设定旁路电阻，控制明显较并联稳压管法灵活，但是仍存在能量损耗，电阻发热量较大，均压时间较长的弊病。

综上所述，现有的电压均衡方案虽然具有电路简单、控制方便、成本较低等特点，但是其采用电阻消耗多余能量的方式进行均压，而超级电容器在实际使用过程中常处于频繁快速大电流充、放电的状态，这将会产生较大的损耗和热量；并且现有的方法均衡速度较慢，不利于超级电容器的大规模集成和大功率应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种能量转移型超级电容器电压均衡电路，均压过程无损耗、均衡速度快，提高超级电容器储能装置的整体效率。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种能量转移型超级电容器电压均衡电路，每两个相邻超级电容器单体之间连接有一个电力电子变换电路，通过采集各超级电容器单体电压并比较相邻超级电容器单体之间的电压从而控制与各超级电容器单体并联的开关管导通和关断，使能量通过电感在相邻的两个电容器间传递，最终将电压高的超级电容器单体中的能量通过电力电子变换电路转移到电压低的超级电容器单体中。

所述电力电子变换电路包括电压采集器、比较器、与门电路、非门电路、电感、电力电子开关和脉冲发生器；每只超级电容器单体两端并联电压采集器，分别与相邻的两只超级电容器单体-第一超级电容器单体和第二超级电容器单体并联的第一电压采集器和第二电压采集器连接至比较器；比较器的输出端分为两路，比较器输出端一路连接第一与门电路，第一与门电路输出驱动与第一超级电容器单体并联的第一电力电子开关；比较器输出端另外一路通过非门电路后连接至第二与门电路，第二与门电路输出驱动与第二超级电容器单体并联的第二电力电子开关；第一与门电路和第二与门电路的另一输入端均连接至脉冲发生器，每两个相邻的超级电容器单体与电力电子开关回路之间共用一个电感。

所述电力电子开关采用IGBT。