[实用新型]一种超级电容器串联模块电压均衡装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及电源与控制技术领域，尤其涉及一种超级电容器串联模块电压均衡装置。 

背景技术

超级电容器是一种新型能源器件，它有超高的电容量，一般在 0.1F～10000 F，具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长、工作温度范围宽、环境友好等优点。 

由于超级电容器的出色性能使其得到广泛的应用。超级电容器作为电动汽车的动力源，与蓄电池混合使用，驱动电动汽车或混合动力汽车。超级电容器在其他领域，如备用电源、电力储能装置、电网或配电网的动态电压补偿 （DVR）系统等，也具有广阔的应用前景。 

超级电容单体的电压值比较低，一般为1-3V，不能满足应用系统功率、放电时间及电压的要求。为满足实际应用工况的电压需求，需将多个单体串联以提高储能模块的工作电压，然而，超级电容器在制造过程中工艺和材质不均造成了电容量、等效串联内阻、漏电流等参数差别很大，其中电容量分散度范围为[-10%，+20%]，因此，串联超级电容器组在充电过程中电容量小的电容上会出现过电压。超级电容器的工作电压超过其工作电压时候，不仅会缩短其寿命，而且按照实际电压的不同，电容器的内部因化学反应而产生的气体可能会导致泄露和开裂。对于超级电容器串联模块，电压均衡系统是十分重要的。超级电容器串联模块的电压均衡技术，对其储能效率、可靠性和成本有很大影响。 

目前在超级电容器应用系统中，主要采用以下几种电压均衡方法： 

一是开关电阻法，每一个超级电容器与一个由电阻和开关串联组成的支路并联，当电容器的工作电压达到额定值时，开关闭合，充电电流就会从电阻和开关上旁路，不再给电容器充电。这种方法控制灵活，它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。其缺点是耗费能量，电阻发热量大。这种方法也适用于充电功率小的场合。

二是稳压管电压均衡法，每一个超级电容器都并联一个稳压管，当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。这是一种破坏性的均压方法。这种方法的优点是电路结构简单，成本低。其缺点是: 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。这种方法适用于充电功率非常小的场合。 

超级电容器的串联均压保护装置（专利申请号：200820080259）介绍了一种采用电阻和稳压管组合法进行串联均压的保护装置，兼具开关电阻法和稳压管电压均衡法的优点，但还是存在耗能严重，电阻发热量大的缺陷。 

为了解决以上两种方法的缺陷，欧洲专利EP1081824提出了DC/DC双向变换器法，每两个相邻电容器之间通过一个BUCK/BOOST 变换器进行能量交换，将电压高的电容器的能量通过DC/DC变换器转移到电压低的电容器中去。日本专利JP11-098698中提出一种飞渡电容器均压法，即通过测量所有超级电容器上的端电压，找出电压最大和最小的超级电容器，然后采用一个飞渡电容器与这两个超级电容器进行并联。依次循环下去，直到各个电容器的电压均衡。 

中国科学院电工研究所针对飞渡电容器在高压、大电流下使用时均压速度慢、效率降低的问题，提出了模块分组均压的方法（专利申请号：200510086793）。该方法一定程度上提高了均压速度，但仍采用充放电一对一的方式，在电压差别不大时均压速度仍然较慢。 

为此，本实用新型基于飞渡电容器均压法设计了一种超级电容器串联模块电压均衡装置，实时有效的对各串联超级电容器进行均压，提高均衡速度。该装置适用于充放电过程，效果显著。 

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种超级电容器串联模块电压均衡装置，克服超级电容器串联模块电压均衡速度慢的问题，有效提高超级电容器可靠性和循环寿命。 

本实用新型所采用的技术方案是：一种超级电容器串联模块电压均衡装置，由多个超级电容器单体串联而成的模块、多个MOSFET开关、多个电容式电压互感器、飞渡电容器和带多路A/D的处理器组成，其特征在于： 

所述多个超级电容器单体串联而成的模块中的每个超级电容器对应并联一个电容式电压互感器，且每个超级电容器通过两个MOSFET开关与飞渡电容器并联，每个电容式电压互感器与处理器的A/D通道连接，处理器控制每个MOSFET开关的开通与关断，处理器实时采集由各个电容式电压互感器测量到的各个超级电容器的电压，根据预设程序进行判断，并控制MOSFET开关的动作，完成均压过程。