[发明专利]快速低损耗的超级电容器电压均衡系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种快速低损耗的超级电容器电压均衡系统及其控制方法。

背景技术

超级电容器（Super-capacitor）是利用电极和电解液之间形成的界面双电层电容来存储能量的一种新型储能器件。与蓄电池和普通电解电容相比，其具有功率密度高、充放电速度快、效率高、应用温度范围宽、循环寿命长等优点。目前超级电容在可再生能源发电系统、混合动力/纯电动汽车、电力机车牵引、不间断电源供电（UPS）等领域应用非常广泛。超级电容单体额定电压较低（一般为3V以下），为达到实际的工作电压要求，需要串联使用。超级电容器件因制造工艺等因素产生的容量差异会导致单体间电压不平衡，而长期的电压不平衡又会严重影响器件的性能和使用寿命，并降低器件的可靠性，因此需要对串联超级电容组进行电压均衡。

目前普遍使用的是能耗型的电压均衡电路，如并联电阻法等，通过检测各个超级电容单体的电压是否过压，控制与该超级电容单体并联的电阻的导通与关断，从而达到电压均衡的目的。虽然该方法易于安装、成本低廉，但其缺点也非常明显，并联电阻消耗了大量能量，影响了电路的效率，且阻性元件的发热问题也会影响电路的均衡效果和安全。

发明内容

本发明提供的一种快速低损耗的超级电容器电压均衡系统及其控制方法，使得由多个超级电容单体构成的储能装置中，充电电路电压均衡速度快，电路开关损耗低，均压电路待机功耗小，电路均衡效率高。

为了达到上述目的，本发明提供一种快速低损耗的超级电容器电压均衡系统，该超级电容电压均衡系统包含储能单元，连接该储能单元的电压检测单元，连接该电压检测单元的控制单元，连接该控制单元的驱动单元，连接该驱动单元和储能单元的第一层均压单元，以及连接该驱动单元和第一层均压单元的第二层均压单元。

所述的储能单元包含若干串联的超级电容器。

所述的第一层均压单元包含电路连接的第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管和第六功率开关管，以及第一谐振串联支路和第二谐振串联支路；

每两个功率开关管构成一个半桥桥臂，连接到储能单元中相邻的超级电容器之间；

所述的第一谐振串联支路包含串联的第一均衡电容和第一谐振电感，所述的第二谐振串联支路包含串联的第二均衡电容和第二谐振电感。

所述的第二层均压单元包含电路连接的第七功率开关管、第八功率开关管、第九功率开关管和第十功率开关管，以及第三谐振串联支路；

每两个功率开关管构成一个半桥桥臂，连接到第一层均压单元中相邻的均衡电容之间；

所述的第三谐振串联支路包含串联的第三均衡电容和第三谐振电感。

所述的电压检测单元包含第一电压检测电路、第二电压检测电路、第三电压检测电路、第四电压检测电路和第五电压检测电路，所述的第一电压检测电路并联在第一超级电容器两端，所述的第二电压检测电路并联在第二超级电容器两端，所述的第三电压检测电路并联在第三超级电容器两端，所述的第四电压检测电路并联在第一均衡电容两端，所述的第五电压检测电路并联在第二均衡电容两端。

所述的控制单元输出开关控制信号，该信号包含五对（十路）占空比固定的互补对称型PWM波，第一对互补对称型PWM波分别连接第一信号端和第二信号端；第二对互补对称型PWM波分别连接第三信号端和第四信号端；第三对互补对称型PWM波分别连接第五信号端和第六信号端；第四对互补对称型PWM波分别连接第七信号端和第八信号端；第五对互补对称型PWM波分别连接第九信号端和第十信号端；其中，第一信号端、第三信号端和第五信号端的波形相同，第二信号端、第四信号端和第六信号端的波形相同，第七信号端和第九信号端的波形相同，第八信号端和第十信号端的波形相同。

所述的驱动单元包含第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路、第四驱动电路、第五驱动电路、第六驱动电路、第七驱动电路、第八驱动电路、第九驱动电路和第十驱动电路，所述的第一驱动电路连接功率开关管和连接点，所述的第二驱动电路连接功率开关管和连接点，所述的第三驱动电路连接功率开关管和连接点，所述的第四驱动电路连接功率开关管和连接点，所述的第五驱动电路连接功率开关管和连接点，所述的第六驱动电路连接功率开关管和连接点，所述的第七驱动电路连接功率开关管和连接点，所述的第八驱动电路连接功率开关管和连接点，所述的第九驱动电路连接功率开关管和连接点，所述的第十驱动电路连接功率开关管和连接点。

本发明还提供一种超级电容电压均衡系统的均压控制方法，该方法包含以下步骤：

步骤1、储能单元开始充电；