如何解決超級(jí)電容組電壓均衡問題
發(fā)布時(shí)間:2014-06-12 責(zé)任編輯:johnmu
[導(dǎo)語]理想狀態(tài)下,超級(jí)電容組中每個(gè)超級(jí)電容單體性能應(yīng)該是一致的,即每個(gè)超級(jí)電容單體的電壓是一樣的,但受諸多因素的影響,電容單體間的電壓是有差異的,需要通過好的均衡電路來解決這個(gè)問題。
超級(jí)電容組的電壓由串聯(lián)的電容器數(shù)量決定,而功率則是由并聯(lián)的電容器數(shù)量決定。超級(jí)電容和電動(dòng)汽車動(dòng)力電池類似,每個(gè)超級(jí)電容單體的電壓范圍為1~3.0V(和電容器類型有關(guān)),所以需要將超級(jí)電容串聯(lián)使用才能得到所需的電壓。
理想狀態(tài)時(shí),每個(gè)超級(jí)電容單體性能應(yīng)該是一致的,即每個(gè)超級(jí)電容單體的電壓是 一樣的。但是,由于制造誤差、自放電率等因素,電容器單體之間的電壓是有差異的。在制造時(shí)和整個(gè)產(chǎn)品壽命周期內(nèi),電容值的變化和泄漏電流影響電容器電壓的分布,所以,使用超級(jí)電容單體管理電路來提高串聯(lián)使用的超級(jí)電容單體的性能和壽命,是最有效的管理超級(jí)電容單體的方法(另一種管理方法是把過壓的單體放電達(dá)到保護(hù)超級(jí)電容的目的,但也產(chǎn)生了其他問題)。一個(gè)好的均衡電路可以對(duì)異常的單體迅速做出響應(yīng),超級(jí)電容單體平衡方法有兩種,即被動(dòng)均衡式(圖1)和主動(dòng)均衡式(圖2)。
被動(dòng)均衡電路
(1)電阻直接與超級(jí)電容并聯(lián)的結(jié)構(gòu)
這種方式如圖1 (a)所示,在每個(gè)超級(jí)電容單體上并聯(lián)一個(gè)電阻來抑制泄漏電流,實(shí)際上,就是使用公差很小的電阻強(qiáng)制單個(gè)模塊的電壓一致。
超級(jí)電容在充電過程中,內(nèi)阻決定充電電流的大小以及最終電壓。超級(jí)電容充電之后,自放電內(nèi)阻是一個(gè)重要參數(shù),用一個(gè)小的電阻就可以實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容單體之間的電壓平衡。電阻阻值應(yīng)比超級(jí)電容的內(nèi)阻大許多,但比自放電電阻小。不同的電阻值,電壓的平衡過程可能花幾分鐘到幾小時(shí)。
這種方法最適合低負(fù)荷運(yùn)行工況,如UPS電源,充電電流不大,充電時(shí)間長,可以延長超級(jí)電容的使用壽命。該方法具有結(jié)構(gòu)簡單和低成本的優(yōu)點(diǎn),最大的確點(diǎn)是在外電阻上產(chǎn)生很大的功率損失,這個(gè)損失與電阻值和電流大小有關(guān)。如果充電時(shí)間足夠長可以完成均衡過程,在電動(dòng)汽車上也可應(yīng)用,但是用峰值功率進(jìn)行充電時(shí)可能會(huì)引起過壓,這個(gè)電路對(duì)防止過壓無能為力。
(2)開關(guān)控制的電阻并聯(lián)的結(jié)構(gòu)
這種方式如圖1 (b)所示,在上一種結(jié)構(gòu)的電阻上串聯(lián)一個(gè)開關(guān),當(dāng)單體電壓高于預(yù)先設(shè)定的電壓值時(shí),開關(guān)接通;當(dāng)單體電壓低于預(yù)先設(shè)定的電壓值時(shí),開關(guān)關(guān)閉。這種結(jié)構(gòu)需要測(cè)量單體電壓,會(huì)增加成本。
(3)采用DC/DC變換器的結(jié)構(gòu)
這種方式如圖1 (c)所示,在相鄰的單體之間接人DC/DC變換器,平衡具體的電壓。除變換器的損失外,沒有其他損失,效率高于上述兩種平衡方式。但由于硬件實(shí)現(xiàn)和控制成本高的原因,這種結(jié)構(gòu)沒有引起人們太多的興趣。
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(4)采用齊納(Zener)二極管的結(jié)構(gòu)
這種方式如圖5-15 1(d)所示,在單體上并聯(lián)一個(gè)齊納二極管,只要達(dá)到齊納二極管的工作電壓,單體電壓就保持不變。這種結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是二極管的功率損失很大,而且二極管本身的電壓與溫度有很大關(guān)系,所以無法大量
圖1:超級(jí)電容被動(dòng)均衡電路
主動(dòng)均衡電路
如圖2(a)主動(dòng)均衡電路所示,主動(dòng)均衡需要的時(shí)間比被動(dòng)均衡需要的時(shí)間短,電壓分配精確相等,而且寄生損失小。如果達(dá)到極限電壓,電路通過一個(gè)并聯(lián)在超級(jí)電容上的小功率電阻的旁路作用進(jìn)行均衡。這個(gè)電阻的作用與被動(dòng)均衡式相同,但是,由于均衡電流大,均衡的過程很短。在低于極限電壓時(shí),電阻不起作用,充電電流可以很大。在旁路部分起作用時(shí),電流可以較高,但是這要受并聯(lián)電阻的限制(一般上限電流達(dá)1A)。因此,這個(gè)電路不能在車輛上應(yīng)用,因?yàn)檐囕v制動(dòng)時(shí),制動(dòng)回饋產(chǎn)生的充電電流遠(yuǎn)大于1A,這會(huì)損壞整個(gè)電路。
圖2(b)是使用輔助電流源的結(jié)構(gòu),即用兩個(gè)輔助電流源調(diào)節(jié)超級(jí)電容的充放電電流,根據(jù)充放電時(shí)超級(jí)電容的電壓,確定均衡電流。
圖2:超級(jí)電容主動(dòng)均衡電路
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