[发明专利]用于超级电容器充电和平衡的系统和方法

说明书

在说明性实施例中，超级电容器系统包括公共总线和经由平衡电路耦合到公共总线的多个超级电容器单元，每个超级电容器单元包括一个或多个超级电容器，其中每个平衡电路被配置为通过在公共总线上将电流从具有较高电荷的超级电容器单元传导至具有较低电荷的超级电容器单元来使超级电容器单元中的一个或多个超级电容器的电荷平衡，每个平衡电路至少包括第一开关和第二开关，每个开关由时钟信号控制。

相关申请

本申请通过引用整体并入B/E Aerospace公司的以下涉及用于对蓄电池单元进行充电和平衡的设备和方法的现有专利申请：于2011年11月15日发布的题为“Low PowerBattery System”的美国专利No.8,058,844。

背景技术

许多电子系统需要受到保护以防止意外的电力中断。超级电容器已被广泛地用于需要进行能量储存的应用。与常规电容器相比，超级电容器具有更高的能量密度。与蓄电池单元(battery cell)相比，超级电容器通常可以提供更大的峰值放电电流，并且可以完全放电而不会造成损坏。超级电容器的限制之一是其最大额定电压，该最大额定电压通常为2.7V。许多应用要求的电压比2.7V高，例如，12V至24V。为了满足这一要求，可以通过串联连接多个超级电容器来形成一组超级电容器。如果N个超级电容器被串联连接，那么该组超级电容器的额定电压为N x 2.7V。例如，如果N＝5，那么一组五个超级电容器的额定电压为13.5V。如对于任何电子部件的参数那样，超级电容器的实际电容具有制造公差。对于超级电容器，电容的公差通常为±10％或±20％。因此，对于标称指定为100F，±20％的超级电容器，实际电容可以是80F至120F之间的任何值。对于串联连接的一组超级电容器的充电和/或放电，该公差非常显著。在通常的实践中，使用单个充电电路向超级电容器组中的顶部(最正)超级电容器提供电流。因为超级电容器是串联的，因此相同的电流流入到所有超级电容器中，从而使它们充电。理想情况下，充电过程由以下方程描述：

V＝It/C (1)

其中V是每个超级电容器上的电压，I是充电电流，并且假定为恒定，t是经过的时间，C是电容。

因此，在串联串中，如果所有电容相等，那么所有电容器电压同样相等。但是，实际上，由于制造公差而导致的电容值的不匹配排除了这种幸运的情况。例如，如果一个超级电容器具有高20％的值，而另一个超级电容器具有低20％的值，那么充电周期期间任何时候的电压差为40％。如果通过测量串联组两端的总电压来控制充电过程，当达到预定极限时终止充电，那么可能会出现问题。例如，考虑将一组五个电容器充电至13.5V。如果仅通过检查总电压来控制充电，并在该电压达到13.5V时终止充电，那么很有可能虽然电容器的平均电压可能等于2.7V，但其中一些串联电容器的电压可能小于2.7V，而其它电容器的电压可能大于2.7V。这是非常严重的问题，因为在超级电容器可能被超过2.7V的电压不可挽回地损坏的意义上，各个超级电容器被说成是“不可原谅的”。该问题是已知的，并且通常使用若干个预防措施来解决该问题。例如，充电过程可能在较低的电压时被终止。在上述示例中，该电压可能是12V，而不是13.5V。虽然这种技术可以防止损坏各个超级电容器，但其缺点是无法实现最大可能的能量储存量。存储的能量由以下方程给出：

W＝1/2CV2 (2)

其中W是以焦耳为单位的能量，C是以法拉为单位的电容，V是以伏特为单位的电容器电压。

当使用单个充电器向串联串提供充电电流时，可以添加平衡电路以迫使所有超级电容器上的电压相等。该技术被广泛使用，并且许多电路可用于提供该能力。典型地，这些电路测量各个超级电容器电压，并打开外部并联电阻器以对具有最高电压的超级电容器进行放电，最终迫使所有电压等于最低电压。

代替整个组的单个充电器，可以将各个隔离的或浮动的充电器用于每个超级电容器。每个充电器将一个超级电容器充电至其全电压，即2.7V。