[发明专利]一种比例均衡储能器件电压的方法及电路

说明书

技术领域

本发明提出了一种对储能器件进行电压均衡的方法及电路，特别是一种对诸如电容器、超级电容器、蓄电池及其他储能器件的电压按照比例进行电压均衡的方法及电路。

背景技术

蓄电池单体由于电压比较低，通常应用时需要串联连接组成蓄电池组，对于组成蓄电池组的蓄电池单体，由于容量、内阻、以及使用条件及环境的变化，就会造成蓄电池单体端电压不一致，在充电和放电过程中容易造成部分蓄电池单体过压或欠压，对蓄电池组的整体使用和寿命造成不利影响，这就需要对串联蓄电池组中各个单体蓄电池端电压进行电压均衡。

超级电容器作为一种储能器件，其单体电压也比较低，在实际应用中需要多个单体串联构成超级电容器组，超级电容器组中各个单体超级电容器，由于容量、材料、制作工艺及使用条件及环境的变化，也会造成超级电容器单体端电压不一致，在充电过程中容易造成部分超级电容器单体过压，对超级电容器组的寿命和使用带来不利影响，同样需要对串联超级电容器组中各个单体超级电容器端电压进行电压均衡。

在高压电源中一般要用到电容器，由于单个电容器电压不够高，电容器通常是串联连接，由于电容器的容量差异和漏电差异等，随着时间的积累，会造成串联连接中的各个电容器电压不一致，容易造成个别电容器过压造成故障，也需要对相互串联连接的输入电容器电压进行均衡。

还有，在实际使用中，有可能用到由两组或多组不同数量的单体蓄电池或电容器组成的储能器件组，每组的单体数量不同、组电压不同，由他们共同为负载提供电源。如何在充电、放电使用过程中使两组或多组不同端电压的储能器件组电压按比例均衡，也是一个需要解决的问题。如何使不同储能器件组中的每个单体端电压和其他组中的每个单体端电压相互均衡，同样是一个需要解决的问题。

有关蓄电池组和电容器组的电压均衡问题，现有技术提出了许多解决方法和电路。

文献1，“动力电池组特性分析与均衡管理”，陈守平，张军，方英民，梁毅，《电池工业》，第8卷第6期，265-271页，2003年12月，电池工业杂志社出版。文中对几种电池均衡方案进行了分析比较，文章指出，比较好的均衡方案应该是：均衡电路与单体并联分流的；将单体之间的偏差能量馈送回电池组或组中某些单体；采用动态均衡；采用双向能量变换；最先进的均衡方案是从单体到单体，从高压单体直接把能量变换到低压单体，具有最佳的均衡效率，按单体容量大小排序C1＞C2＞…＞Cn，n是串联单体数量，平均容量为Ca＝(C1+C2+…Cn)/n，设第k只单体容量最接近平均值，即Ck＝Ca，则均衡系统的目标是从C1，C2，.…Ck-1取出能量Cout＝(C1+C2+…+Ck-1)-(k-1)Ca，转移到Ck+1，Ck+2，…，Cn；基于成本和均衡效率的考虑，集中式可应用于中小功率，大功率、环境差尽可能采用分散式均衡；独立均衡效果好，级连均衡效率低。但文中只给出了集中式单体和组之间的单、双向变换器均衡方案，如图1所示，并没有给出一个从单体到单体的均衡方案。

文献2，“超级电容器组单体电压动态均衡”，高云，陈永真，王春霞，《辽宁工学院学报》，第25卷第6期，354-356页，2005年12月，辽宁工学院学报编辑部出版。文中提出了超级电容器组的“动态电压均衡”方案，利用先进的高效率双向DC/DC变换技术，将多个高效率双向功率变换器在输出端偶合，多个单元共用一个变压器，既多源激励变压器工作方式，对各单体超级电容器的电流进行补偿，达到每个单体电压均衡的目的，实现超级电容器组的单体超级电容器在高倍率充放电电流时确保全电压范围内的电压、功率均衡。当多个双向变换器连接到一起时，供电电压高的变换器就会输出电能，通过变压器的输出偶合传输到供电电压低的电源，当供电电源为电容器时，电压高的电容器将放电或减小充电电流使电容器电压降低或减缓电压的上升速度，而电压低的电容器升高电容器电压或增加电压上升速度，最终使各电容器电压一致，如图2所示。这种均衡方案，是一种单体到单体的均衡方案，是一种比较理想的均衡方案。但这种方案多个单元共用一个变压器，是一种集中式均衡方案，低压绕组到各单体之间的导线长度和形状不同会造成均衡误差大，另外，变换器与电容器组之间的n+1条功率导线的布线工艺不容易设计。