[发明专利]用于平衡串联的超级电容器的电压的可拆式充电控制电路

说明书

本申请为分案申请，其原申请是2007年3月8日进入中国国家阶段、国际申请日为2005年9月14日的国际专利申请PCT/EP2005/054564，该原申请的中国国家申请号是200580030190.0，发明名称为“用于平衡串联的超级电容器的电压的可拆式充电控制电路”。

技术领域

本发明涉及用于对多个超级电容器进行电压平衡的方法和设备。

背景技术

超级电容器代表了在电能储存领域中非常有前途的元件。很多应用当前正被开发为诸如混合动力车辆发动机或者燃料电池供电的车辆之类的高功率应用中的峰值电源。在类似这些的应用中，需要电源，并且再生制动还需要在高电流下对储存设备进行充电。

超级电容器模块通常包含多个单个超级电容器，其通常都具有相同的额定电参数(相同的电容、相同的内部阻抗)，并且被全部串联在一起。这是因为一个单个超级电容器的额定电压低，通常在2.5伏特范围内。因为上述应用通常需要超过几十伏特甚至几百伏特的电压，因此将多个单个超级电容器串联来提供满足例如汽车应用中所使用的规格的模块。

在例如在再生制动期间的充电模式中以及在为移动车辆供电或者其他电能使用期间的放电模式中，所有单个超级电容器中的电流被规定为是相等的，这是因为超级电容器是串联的。每个单个超级电容器的端子处的电压也应该相等。然而，已知的是，由于制造公差和/或者由于单个超级电容器的不同老化程度，和由于其环境而可能造成的模块中的温度梯度，因此超级电容器相互之间存在特性(例如电容值)的参差不一。这导致对每个超级电容器的电压进行充电的结果不同。此外，模块的每个超级电容器的不同泄漏电流能够导致单个单元的电压产生偏差。

该问题对超级电容器模块的正确操作造成危害。模块中的一些超级电容器可能达到超过其额定充电电压的电压，这使得其特性降级，并导致过早的老化或者甚至导致故障。因此，由于超级电容器是串联的，所以模块作为一个整体不能正确地工作。

为了解决该问题，已知的是，设计与包含多个超级电容器的模块中的每个单个超级电容器的端子并联的旁路电路。已知的超级电容器平衡系统的总体原理在于，旁路超级电容器充电电流的一些或者全部，以便使得在所有单个超级电容器的端子上的最终充电电压等于预定的相同值。

所述旁路电路可以是基于多个电阻器的，其中每个电阻器都与单个超级电容器并联，并且所有电阻器都串联。该解决方案是最简单的一种方案，但是其在能耗上效率低，这是因为电阻器中的电流产生很多损耗。

还已知的是，将齐纳二极管跨接在每个超级电容器上，以将超级电容器的最大电压值例如限制在2.5伏特。该解决方案在能耗上效率高，所有的电压都小于限定值，但是如果很多超级电容器达到其最大限定电压，则功率浪费可能变得严重。

其他解决方案是基于更加复杂的方法的，以便使在平衡操作期间消耗的功率最小化。还已知的是，设计用于电压平衡的有源电路，如美国专利申请2003/0214267所述。但是这些方法需要额外的电子元件，这意味着额外的成本和重量。在电有源或无源平衡设备的情况下，上述方法导致模块的自放电增强。

发明内容

因此，本发明的一个目的是以一种改进的方式来对必要的电压平衡进行管理。

基于串联的超级电容器的模块能够工作多日而对元件没有太多有害影响的观察结果，提出降低用于对所有单个超级电容器中的电压进行优化的旁路电路的数量。

本发明提出了一种超级电容器电压平衡设备，其与具有N个串联的单个超级电容器的超级电容器模块连接，所述模块被去掉与所述各个超级电容器相关联的永久装置，所述各个超级电容器序列的每个端子以及在两个相邻单个超级电容器之间的每个电极，都各自连接到一条电线上，用于选择性地接入所述N个单个超级电容器，因此电线的总数量为N+1，所述超级电容器电压平衡设备用于对所述模块中的各个超级电容器的电压进行优化，所述电压平衡设备包括：

●连接装置，用于将所述电压平衡设备连接到所述超级电容器模块的N+1条电线上；

●选择器单元，用于选择性地连接一组P个单个超级电容器，其中P<N，以同时对其进行电压优化处理；

●电压测量单元，用于确定所选择的一个(或多个)超级电容器的电压；

●充电调节单元，用于连接到P个单个超级电容器，其包括在具有能量供给装置和能量吸收装置的组中所包含的两个能量交换装置中的至少一个，用于同时调节所述P个单个超级电容器的电压；