[发明专利]超级电容器组电压均衡电路

说明书

本发明提出超级电容器组电压均衡电路，属于电池均衡管理领域。系统由微控制器控制电路、电压采集电路、电压均衡电路及其开关网络和串联的超级电容组成。其中所述均衡电路包括分流电路和反激式DC‑DC转换器电路；所述开关网络将分流电路与反激式DC‑DC转换器电路结合在一起，各超级电容单体的正极(负极)均与正极(负极)开关连接在一起，所有正极(负极)开关的另一端连接在反激式DC‑DC转换器的初级(次级)端。本发明利用分流电路实现充电过程快速、高效地均衡，利用反激式DC‑DC转换器实现静态过程下能量从最高电压单元到最低电压单元的直接转移。动态均衡与静态均衡相结合，有效地提升均衡速度，使其能够满足脉冲功率系统中超级电容储能组的快速均衡。

技术领域

本发明属于电池均衡管理领域，应用于脉冲功率系统中超级电容储能组的快速电压均衡，涉及分流电路用于超级电容组充电过程的快速均衡以及反激式DC-DC转换器用于实现超级电容组的静态均衡。

背景技术

超级电容器是一种新型的储能器件，具有超大容量、较高的能量密度、功率密度高、循环使用寿命长、维护费用低、绿色无污染等优点，使其在电动汽车、电磁炮、激光武器等领域具有广阔的应用前景。因为超级电容器单体电压低，通常在实际应用中需要把多个超级电容单体串联使用。由于各个超级电容内部的等效串联内阻(ESR)、容量存在的差异，单体之间不平衡的充电状态(SOC)，老化以及充电-放电期间超级电容组的环境温度的梯度等原因造成串联单体之间的电压不平衡。如果单体初始电压较低，则会导致过度放电；相反，单体初始电压较高，会导致过度充电。此外，单体间电压不均衡会影响超级电容器组的总充电容量，同时会对超级电容造成损坏，影响其使用寿命。因此，在实际应用中需要在串联超级电容器组中添加均衡电路进行电压均衡。

目前常用的电压均衡方法可以分为两类：一类是能量消耗型，有并联电阻法、稳压管法以及晶体管和运算放大器组成的耗散单元平衡技术等。上述方法均是通过并联元件以热量的形式消耗多余的能量，这大大降低了系统的效率。此外，均压过程会产生大量的热，均压过程还需考虑加装散热装置。另一类是能量转移型，有飞渡电容法、隔离式DC-DC转换器法以及非隔离式DC-DC转换器法、分流法等。飞渡电容法是利用电容作为中间媒介，通过电容进行能量的传递，当串联单体数量较多时，能量转移过程中需要经过较多的电容，导致损耗增加、均衡速度下降。非隔离式DC-DC转换器法又分为Buck/Boost变换器法、Cuk变换器法等，均是通过电感、电容等动态元件进行能量传递，能量需要在单体之间逐步转移，不能实现能量从高压单元到低压单元的直接转移，使得均衡速度下降，并增加能量损耗。隔离式DC-DC转换器利用变压器可以实现能量高效率的传输，其将全部能量作为输入，通过开关或者次级绕组的形式与各个单体相连，实现单体能量与整体能量的转移。但同样不能实现能量从最高单元到最低单元的直接转移。分流法利用在单体之间以及两端添加二极管和开关，利用相应开关的导通-关断直接改变单体充电时间，以实现电压均衡。这种方法结构简单，均压速度快，但不能实现静态均衡。

发明内容

本发明针对现有均衡技术存在的优缺点，提出一种应用于脉冲功率中的超级电容组充电均衡电路。本电路将隔离式DC-DC转换器法与分流法相结合，实现充电过程与静态过程的快速均衡，使其满足脉冲功率的应用。

本发明电路包括MCU控制模块、电压采集模块、电压均衡电路及其开关网络和n个串联超级电容单体。其中电压均衡电路包括分流电路和反激式DC-DC转换器电路，分流电路中除单体之间的开关外，其余开关与反激式DC-DC转换器共用一个开关网络，所述共用开关网络中包括正极开关网络和负极开关网络，所有正极开关一端连接各超级电容的正极，另一端连接在反激式DC-DC转换器的初极端，所有负极开关一端连接各超级电容的负极，另一端连接在反激式DC-DC转换器的次极端。

进一步地，所述正极开关网络以及负极开关网络均采用N沟道增强型MOSFET管，每两个开关管串联在一起组成一个开关，第一个开关的源级与第二个开关的漏级相连，两者的栅极连接在一起。