[实用新型]超级电容器组的充放电均压装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种超级电容器组的充放电均压装置。

背景技术

超级电容器(Super Capacitor)，也称双层电容器(Double-Layer Capacitor或Ultra-capacitor)或电化学电容器(Electro-chemical Capacitors)，是一种利用双电层原理直接储存电能的新型储能元件，其容量可达数万法拉，能量密度显若高于传统的静电电容器，而功率密度却保持静电电容器的优点。超级电容器具有电阻很小、循环寿命长、工作温度范围宽、功率密度高、充放电速度快、储能巨大、安全可靠、环境友好等优点。近年来，超级电容器作为瞬时、高功率储能器件已经在电力机车启动、备份电源等场合得到了广泛应用。随着超级电容器技术的发展，超级电容器储能技术有望在可再生能源发电系统、电动汽车(包括混合动力汽车)、电力系统及航空航天等领域发挥它的作用。

一般，由于单个的超级电容器(以下称为超级电容器单体)的耐压低(典型值为2.7V)，所以在实际应用中常需要数只甚至数百只串联构成电容器组，来满足储能容量和电压等级的需要。但是，由此所带来的问题是：由于电容器中各个超级电容器单体参数的分散性，串联下各个超级电容器单体电压不能均分(电压不一致)，造成超级电容器组的储能下降或得不到充分利用。若超级电容器单体电压不能均分，在大电流快速充电时，其充电超级电容器单体峰值电压很容易超过其耐压允许值。超级电容器单体电压工作在过电压状态将缩短超级电容器的寿命，严重时可能发生爆炸。因此，必须解决超级电容器在串联应用时充放电条件下的超级电容器单体电压均压的问题，这样确保超级电容器组的安全性、可靠性、稳定性。

目前在超级电容器储能系统中，主要采用以下三种电压均衡方法，

第一种：稳压管电压均衡法(参见图1a)。如图1a所示，每一个超级电容器都并联一个稳压管，例如：超级电容器C1与稳压管D1并联，超级电容器C2与稳压管D2并联，......，超级电容器Cn与稳压管Dn并联。当超级电容器的工作电压超过稳压管的击穿电压时，充电电流就会从稳压管上流过，电容器的电压不再上升。这种方法的优点是：电路结构简单、成本低；但缺点是：充电能量完全消耗在稳压管上，稳压管会严重发热，能量浪费严重；稳压管的击穿电压精度低，分散性差，使电压均衡电路的工作可靠性降低。因此，第一种方法仅适用于充电功率非常小的场合。

第二种：开关电阻法(参见图1b)。如图1b所示，每一个超级电容器都与由一个电阻和一个开关串联组成的一支路并联，例如：超级电容器C1与由电阻R1和开关S1串联组成的支路并联，超级电容器C2与由电阻R2和开关S2串联组成的支路并联，......，超级电容器Cn与由电阻Rn和开关Sn串联组成的支路并联。当其中的一个超级电容器(以超级电容器C2为例)的工作电压达到甚至超过额定值时，与超级电容器C2对应的开关S2闭合，开关S2与电阻R2串联组成的支路导通，充电电流就会从电阻R2流过(不再给超级电容器C2充电)，能量就会消耗在电阻R2上，超级电容器C2的电压就不会再提高。这种方法较第一种方法控制更为灵活，可以根据充电电流的大小设定旁路的电阻，同时还具有电压监控精度高，均衡效果好、可靠性高的优点，但其仍存在耗费能量、电阻发热量大等缺点。因此，第二种方法也仅适用于充电功率小的场合。

第三种：DC/DC双向变换器法(参见图1c)。如图1c所示，在每两个相邻电容器之间都有一个直流斩波电路(BUCK/BOOST降压或升压变换器)，在这里为DC/DC变换器，例如：超级电容器C1和超级电容器C2之间有DC/DC变换器，超级电容器C2和超级电容器C3之间有DC/DC变换器，......，超级电容器Cn-1和超级电容器Cn之间有DC/DC变换器。通过比较相邻两个电容器之间的电压，将其中电压高的那一个电容器的能量通过DC/DC变换器转移到电压低的那一个电容器中去。对于由n个电容器组成的串联电容器组，需要n-1个DC/DC变换器。与前两种均衡方法相比，第三种DC/DC双向变换器法的优点是：能量损耗低，电压均衡速度快，对充放电状态，都可以进行电压均衡；但缺点是：需要的电感、开关管等功率器件较多，控制复杂，成本高。因此，第三种方法适用于充放电功率高的场合。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种超级电容器组的充放电均压装置，用于解决以串联超级电容器组作为电源时各个超级电容器单体分压不均衡的问题，并克服现有充放电均压技术中应用场合受限、系统复杂、架构成本高等问题。