專利名稱：一種超級電容器串聯(lián)模塊電壓均衡裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電源與控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種超級電容器串聯(lián)模塊電壓均
衡裝置。
背景技術(shù)：
超級電容器是一種新型能源器件，它有超高的電容量，一般在O. IF 10000 F，具
有功率密度高、充放電速度快、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。由于超級電容器的出色性能使其得到廣泛的應(yīng)用。超級電容器作為電動汽車的動力源，與蓄電池混合使用，驅(qū)動電動汽車或混合動力汽車。超級電容器在其他領(lǐng)域，如備用電源、電力儲能裝置、電網(wǎng)或配電網(wǎng)的動態(tài)電壓補(bǔ)償(DVR)系統(tǒng)等，也具有廣闊的應(yīng)用前
旦
-5^ O超級電容單體的電壓值比較低，一般為1-3V，不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)功率、放電時間及電壓的要求。為滿足實(shí)際應(yīng)用工況的電壓需求，需將多個單體串聯(lián)以提高儲能模塊的工作電壓，然而，超級電容器在制造過程中工藝和材質(zhì)不均造成了電容量、等效串聯(lián)內(nèi)阻、漏電流等參數(shù)差別很大，其中電容量分散度范圍為[-10%，+20%]，因此，串聯(lián)超級電容器組在充電過程中電容量小的電容上會出現(xiàn)過電壓。超級電容器的工作電壓超過其工作電壓時候，不僅會縮短其壽命，而且按照實(shí)際電壓的不同，電容器的內(nèi)部因化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的氣體可能會導(dǎo)致泄露和開裂。對于超級電容器串聯(lián)模塊，電壓均衡系統(tǒng)是十分重要的。超級電容器串聯(lián)模塊的電壓均衡技術(shù)，對其儲能效率、可靠性和成本有很大影響。目前在超級電容器應(yīng)用系統(tǒng)中，主要采用以下幾種電壓均衡方法一是開關(guān)電阻法，每一個超級電容器與一個由電阻和開關(guān)串聯(lián)組成的支路并聯(lián)，當(dāng)電容器的工作電壓達(dá)到額定值時，開關(guān)閉合，充電電流就會從電阻和開關(guān)上旁路，不再給電容器充電。這種方法控制靈活，它可以根據(jù)充電電流的大小設(shè)定旁路的電阻，同時還具有電壓監(jiān)控精度高，均衡效果好、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是耗費(fèi)能量，電阻發(fā)熱量大。這種方法也適用于充電功率小的場合。二是穩(wěn)壓管電壓均衡法，每一個超級電容器都并聯(lián)一個穩(wěn)壓管，當(dāng)電容器的工作電壓超過穩(wěn)壓管的擊穿電壓時，充電電流就會從穩(wěn)壓管上流過，電容器的電壓不再上升。這是一種破壞性的均壓方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低。其缺點(diǎn)是充電能量完全消耗在穩(wěn)壓管上，穩(wěn)壓管會嚴(yán)重發(fā)熱，能量浪費(fèi)嚴(yán)重；穩(wěn)壓管的擊穿電壓精度低，分散性差，使電壓均衡電路的工作可靠性降低。這種方法適用于充電功率非常小的場合。超級電容器的串聯(lián)均壓保護(hù)裝置(專利申請?zhí)?00820080259)介紹了一種采用電阻和穩(wěn)壓管組合法進(jìn)行串聯(lián)均壓的保護(hù)裝置，兼具開關(guān)電阻法和穩(wěn)壓管電壓均衡法的優(yōu)點(diǎn)，但還是存在耗能嚴(yán)重，電阻發(fā)熱量大的缺陷。為了解決以上兩種方法的缺陷，歐洲專利EP1081824提出了 DC/DC雙向變換器法，每兩個相鄰電容器之間通過一個BUCK/BOOST變換器進(jìn)行能量交換，將電壓高的電容器的能量通過DC/DC變換器轉(zhuǎn)移到電壓低的電容器中去。日本專利JP11-098698中提出一種飛渡電容器均壓法，即通過測量所有超級電容器上的端電壓，找出電壓最大和最小的超級電容器，然后采用一個飛渡電容器與這兩個超級電容器進(jìn)行并聯(lián)。依次循環(huán)下去，直到各個電容器的電壓均衡。中國科學(xué)院電工研究所針對飛渡電容器在高壓、大電流下使用時均壓速度慢、效率降低的問題，提出了模塊分組均壓的方法(專利申請?zhí)?00510086793)。該方法一定程度上提高了均壓速度，但仍采用充放電一對一的方式，在電壓差別不大時均壓速度仍然較慢。為此，本實(shí)用新型基于 飛渡電容器均壓法設(shè)計(jì)了一種超級電容器串聯(lián)模塊電壓均衡裝置，實(shí)時有效的對各串聯(lián)超級電容器進(jìn)行均壓，提高均衡速度。該裝置適用于充放電過程，效果顯著。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種超級電容器串聯(lián)模塊電壓均衡裝置，克服超級電容器串聯(lián)模塊電壓均衡速度慢的問題，有效提高超級電容器可靠性和循環(huán)壽命。本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是一種超級電容器串聯(lián)模塊電壓均衡裝置，由多個超級電容器單體串聯(lián)而成的模塊、多個MOSFET開關(guān)、多個電容式電壓互感器、飛渡電容器和帶多路A/D的處理器組成，其特征在于所述多個超級電容器單體串聯(lián)而成的模塊中的每個超級電容器對應(yīng)并聯(lián)一個電容式電壓互感器，且每個超級電容器通過兩個MOSFET開關(guān)與飛渡電容器并聯(lián)，每個電容式電壓互感器與處理器的A/D通道連接，處理器控制每個MOSFET開關(guān)的開通與關(guān)斷，處理器實(shí)時采集由各個電容式電壓互感器測量到的各個超級電容器的電壓，根據(jù)預(yù)設(shè)程序進(jìn)行判斷，并控制MOSFET開關(guān)的動作，完成均壓過程。如上所述的超級電容器串聯(lián)模塊電壓均衡裝置，其特征在于當(dāng)檢測到某個超級電容器的端壓大于標(biāo)準(zhǔn)值VN時，由處理器控制接通對應(yīng)的MOSFET開關(guān)向飛渡電容器放電，端壓下降到VN時斷開MOSFET開關(guān)；當(dāng)檢測到某個超級電容器端壓小于VN時，由處理器控制接通MOSFET開關(guān)，由飛渡電容器放電，端壓上升到VN時斷開MOSFET開關(guān)。本實(shí)用新型的有益效果是1)基于電容式電壓互感器進(jìn)行超級電容器電壓測量，體積小，重量輕，經(jīng)濟(jì)性顯著；2)使用飛渡電容器作為各超級電容器之間的能量傳輸途徑，避免了能量損失和發(fā)熱，且安裝簡單；3)飛渡電容器通過MOSFET開關(guān)的接通與關(guān)斷實(shí)現(xiàn)與超級電容器的并聯(lián)，開關(guān)速度快，關(guān)斷阻抗高；4)每次充放電不需要從頭檢測電壓一次，充放電不是一對一的進(jìn)行，而是采用“隨時監(jiān)測，隨時充放電”的模式，均壓速度快。本實(shí)用新型將“隨時監(jiān)測，隨時充放電”的模式應(yīng)用于飛渡電容器均壓法中，不僅可以具有飛渡電容器均壓法的能量消耗小、無電壓差積累的優(yōu)點(diǎn)，還可有效改善傳統(tǒng)飛渡電容器均壓法均衡速度慢的缺陷；本實(shí)用新型以飛渡電容器均壓法為基礎(chǔ)，實(shí)時將每個超級電容器的電壓與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，由MOSFET開關(guān)快速進(jìn)行切換，可以提高均壓速度，有效的延長超級電容器使用壽命。

圖I是本實(shí)用新型實(shí)施例的超級電容器串聯(lián)模塊電壓均衡裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例的超級電容器串聯(lián)模塊電壓均衡裝置的工作原理圖。[0020]圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例的超級電容器串聯(lián)模塊電壓均衡裝置的工作原理圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)闡述。附圖中的符號說明1_超級電容器、2-M0SFET開關(guān)、3-電容式電壓互感器、4-飛渡電容器、5-處理器。參見圖1，本實(shí)用新型的超級電容器串聯(lián)模塊電壓均衡裝置由多個超級電容器I單體串聯(lián)而成的模塊、多個MOSFET開關(guān)2、多個電容式電壓互感器3、飛渡電容器4和帶多路A/D的處理器5組成。每個電容式電壓互感器3與超級電容器I并聯(lián)，輸出信號接入處理器5的A/D接口。處理器5接收電容式電壓互感器3的模擬信號，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，進(jìn)行判斷和動作，過程如下 只要檢測到多個超級電容器I單體串聯(lián)而成的模塊中某個超級電容器的端壓大于標(biāo)準(zhǔn)值VN，即接通對應(yīng)的MOSFET開關(guān)2向飛渡電容器4放電，端壓下降到VN時斷開MOSFET開關(guān)2，直到所有超級電容器的端壓都不大于標(biāo)準(zhǔn)值VN ;只要檢測到某個超級電容器端壓小于VN即接通MOSFET開關(guān)2，由飛渡電容器4放電，端壓上升到VN時斷開MOSFET開關(guān)2，直到所有端壓小的超級電容器都補(bǔ)到標(biāo)準(zhǔn)電壓。參見圖2，當(dāng)檢測到超級電容器端壓低于VN并接通MOSFET開關(guān)2時，由飛渡電容器4向超級電容器進(jìn)行充電；參見圖3，當(dāng)檢測到超級電容器端壓高于VN并接通MOSFET開關(guān)2時，由超級電容器向飛渡電容器4進(jìn)行充電。以上僅為本實(shí)用新型的實(shí)施例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，因此，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種超級電容器串聯(lián)模塊電壓均衡裝置，由多個超級電容器單體串聯(lián)而成的模塊、多個MOSFET開關(guān)、多個電容式電壓互感器、飛渡電容器和帶多路A/D的處理器組成，其特征在于 所述多個超級電容器單體串聯(lián)而成的模塊中的每個超級電容器對應(yīng)并聯(lián)一個電容式電壓互感器，且每個超級電容器通過兩個MOSFET開關(guān)與飛渡電容器并聯(lián)，每個電容式電壓互感器與處理器的A/D通道連接，處理器控制每個MOSFET開關(guān)的開通與關(guān)斷，處理器實(shí)時采集由各個電容式電壓互感器測量到的各個超級電容器的電壓，根據(jù)預(yù)設(shè)程序進(jìn)行判斷，并控制MOSFET開關(guān)的動作，完成均壓過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超級電容器串聯(lián)模塊電壓均衡裝置，其特征在于當(dāng)檢測到某個超級電容器的端壓大于標(biāo)準(zhǔn)值VN時，由處理器控制接通對應(yīng)的MOSFET開關(guān)向飛渡電容器放電，端壓下降到VN時斷開MOSFET開關(guān)；當(dāng)檢測到某個超級電容器端壓小于VN時，由處理器控制接通MOSFET開關(guān)，由飛渡電容器放電，端壓上升到VN時斷開MOSFET開關(guān)。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種超級電容器串聯(lián)模塊電壓均衡裝置，由多個超級電容器單體串聯(lián)而成的模塊、多個MOSFET開關(guān)、多個電容式電壓互感器、飛渡電容器和帶多路A/D的處理器組成，每個超級電容器對應(yīng)并聯(lián)一個電容式電壓互感器，且每個超級電容器通過兩個MOSFET開關(guān)與飛渡電容器并聯(lián)，每個電容式電壓互感器與處理器的A/D通道連接，處理器控制每個MOSFET開關(guān)的開通與關(guān)斷，處理器實(shí)時采集由各個電容式電壓互感器測量到的各個超級電容器的電壓，根據(jù)預(yù)設(shè)程序進(jìn)行判斷，并控制MOSFET開關(guān)的動作，完成均壓過程。本電壓均衡裝置，能夠克服超級電容器串聯(lián)模塊電壓均衡速度慢的問題，有效提高超級電容器可靠性和循環(huán)壽命。
文檔編號H02J15/00GK202679029SQ20122035880
公開日2013年1月16日 申請日期2012年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月24日
發(fā)明者彭亞凱, 李文嵐 申請人:國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司