超級電容器串聯應用中的均壓問題以及解決途徑

我們學電源電源看這里

電源界第一大公眾平台48000+電源工程師關注

查看電源工程師各地工資水平，請關注本公眾號然後回復：工資

猛戳開關電源公益講師招募

最新通知

引言

在超級電容器的應用中，由於其額定電壓很低 (不到3V)，常需要大量的超級電容器串聯，又由於經常需要大電流充放電，因此串聯中的各個單體電容器上電壓是否一致是至關重要的。如果不採取必要的均壓措施，會引起各個單體電容器上電壓差別較大，嚴重影響超級電容器的性能和壽命。本文對影響均壓的各種因素進行了分析並提出了行之有效的解決方案。

1影響均壓的因素

1.1 容童的偏差對電容器組的影響

通常超級電容器容量偏差為-10%一+30%，當電容器組中出現容量偏差較大時，在充電時容量最小的單體電容器首先到達額定電壓而單體電容器容量最大的僅充到69%的額定電壓，其儲能為最小容量電容器的69%其關係為

在批量生產電容器組時精選電容量在很小的偏差內提高電容器組的儲能是有意義的，但將提高生產成本。

1.2 漏電流對超級電容器組的影響

超級電容器多用於儲能。充有電荷後靜置狀態下的電荷(或電壓)保持能力取決於漏電流。經過相對上的靜置時間後，漏電流大的超級電容器保持的電荷(或電壓)明顯低於漏電流小的。因此放電時，漏電流大的首先達到放電結束。而漏電流小的仍保持較多的電荷。充電時漏電流小的首先達到充電結束。因此，這時超級電容器組的各單體的電容器充放電能量為

式中U為充放電前漏電流最小和漏電流最大的超級電容器電壓之差值。

1.3 ESR的影響

由於超級電容器的ESR相對較大，而且反覆充電後ESR逐漸變大，ESR大的將越來越大，在充放電時，ESR大的將先於ESR小的達到充放電結束，使其他ESR相對小的充放電不充分，因此在超級電容器串聯應用中必須考慮並解決均壓問題。

2 無源元件解決方案

通常兩個以上電容器串聯可以採用並聯電阻的均壓方式。通常應用於較高電壓的整流濾波，電路如圖1所示。圖中C1=C2,R1= R2、由於電容器工作時，有電源供電，電容的作用為濾波。故均壓電阻的電流與功耗可以接受，不會影響濾波作用。對於用於儲能的超級電容器，如果僅漏電流的差異，此法還可以，但對均衡高幅值充放電電流，則需要阻值非常小的均壓電阻，這個分壓電流將由超級電容器提供，使超級電容器的儲能變低，在多隻大容量電容器串聯時是不實用的方法。用穩壓二極體籍位或適當數量普通整流二極體串聯後用於超級電容器。電路如圖2。此法在理論上可行，但在實際運用上會因穩壓二極體的穩壓值及二極體導通電壓隨溫度變化，而且其伏安特性相對較軟，而不符合超級電容器的均壓要求，不能使用。

3 有源電壓均衡的解決方案

由於超級電容器電壓均衡電路僅限制超級電容器端電壓在額定電壓值或者以上，而且通常不希望在額定電壓值以下有較大的漏電流。因此，實現超級電容器電壓均衡電路的基本要求為，端電壓達到設定值(穩壓值)後，端電壓的微小變化將導致很大的端電流變化，即穩壓二極體的反向擊穿特性。如圖3.能承受較大的電流穩壓值應是穩定的，不隨時間溫度及其他因素的變化。

按照上述基本要求，所設計的均壓電路的簡要原理如圖4.電路由R1, R2分電路，2.5V電壓基準DZ、微功耗放大器A1和晶體管Q擴流電路構成。電路的伏安特性如圖5.

基本原理為:當超級電容器C上的電壓經R1,R2分壓送到放大器A1的同相端、分壓值在2.5V以下時，放大器A1輸出低電位，擴流晶體管Q不導通、均壓電路特性如圖5的A段。隨著超級電容器C上的電壓高於2.5V放大器的輸出電壓開始上升(其上升速率取決於放大器A1的增益)，擴流晶體管Q的集電極電流隨微功耗放大器A1的輸出電壓上升而增大、均壓電路的特性如圖5的B段。當Q的集電極電流在R5上產生的壓降等於VC-VCEZ(sat)時，均壓電路的特性為電阻R5的特性，如圖5的C段，在實際應用中、由於超級電容器的耐壓有限而不充許均壓電路工作在這一區段。

4 動態特性分析

本文提出的電路是專用於超級電容器的均壓，超級電容器的充電過程(特別是容量大的電容器)至少要30S以上，對於電子線路而言則是很緩慢的過程。因此，對於超級電容器的電壓均衡電路的動態特性要求不是很嚴格。在實際測試

中，本文提出的電路在端電壓為2.7V一2.75V範圍內帶寬不低於100KHz，其單位階躍響應的上升時間小於1US，與一般的模擬電子線路的響應特性基本相同。

5 均壓效果

在試驗中，用680F/2.7V 超級電容器的3並48串構成的40F/ 130V超級電容器組在20A的充電電流狀態下充到130V，維持2min後測量超級電容器單體電壓。在未接人電壓均衡電路前，超級電容器單體電壓最高2.9V，最低2.5V。其中最高電壓已超過額定電壓。接人電壓均衡電路後，重新測試各超級電容器單體電壓均為2.7V。

6 結論

從實驗結果可以得出，本文提出的超級電容器電壓均衡電路是在超級電容器串聯使用時均衡超級電容器單體電壓的有效方法。

張飛實戰電源電子視頻教程1-10部

點擊展開全文

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！