專利名稱：一種超級電容器串聯模塊電壓均衡裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電源與控制技術領域，尤其涉及一種超級電容器串聯模塊電壓均
衡裝置。
背景技術：
超級電容器是一種新型能源器件，它有超高的電容量，一般在O. IF 10000 F，具
有功率密度高、充放電速度快、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬、環(huán)境友好等優(yōu)點。由于超級電容器的出色性能使其得到廣泛的應用。超級電容器作為電動汽車的動力源，與蓄電池混合使用，驅動電動汽車或混合動力汽車。超級電容器在其他領域，如備用電源、電力儲能裝置、電網或配電網的動態(tài)電壓補償(DVR)系統(tǒng)等，也具有廣闊的應用前
旦
-5^ O超級電容單體的電壓值比較低，一般為1-3V，不能滿足應用系統(tǒng)功率、放電時間及電壓的要求。為滿足實際應用工況的電壓需求，需將多個單體串聯以提高儲能模塊的工作電壓，然而，超級電容器在制造過程中工藝和材質不均造成了電容量、等效串聯內阻、漏電流等參數差別很大，其中電容量分散度范圍為[-10%，+20%]，因此，串聯超級電容器組在充電過程中電容量小的電容上會出現過電壓。超級電容器的工作電壓超過其工作電壓時候，不僅會縮短其壽命，而且按照實際電壓的不同，電容器的內部因化學反應而產生的氣體可能會導致泄露和開裂。對于超級電容器串聯模塊，電壓均衡系統(tǒng)是十分重要的。超級電容器串聯模塊的電壓均衡技術，對其儲能效率、可靠性和成本有很大影響。目前在超級電容器應用系統(tǒng)中，主要采用以下幾種電壓均衡方法一是開關電阻法，每一個超級電容器與一個由電阻和開關串聯組成的支路并聯，當電容器的工作電壓達到額定值時，開關閉合，充電電流就會從電阻和開關上旁路，不再給電容器充電。這種方法控制靈活，它可以根據充電電流的大小設定旁路的電阻，同時還具有電壓監(jiān)控精度高，均衡效果好、可靠性高的優(yōu)點。其缺點是耗費能量，電阻發(fā)熱量大。這種方法也適用于充電功率小的場合。二是穩(wěn)壓管電壓均衡法，每一個超級電容器都并聯一個穩(wěn)壓管，當電容器的工作電壓超過穩(wěn)壓管的擊穿電壓時，充電電流就會從穩(wěn)壓管上流過，電容器的電壓不再上升。這是一種破壞性的均壓方法。這種方法的優(yōu)點是電路結構簡單，成本低。其缺點是充電能量完全消耗在穩(wěn)壓管上，穩(wěn)壓管會嚴重發(fā)熱，能量浪費嚴重；穩(wěn)壓管的擊穿電壓精度低，分散性差，使電壓均衡電路的工作可靠性降低。這種方法適用于充電功率非常小的場合。超級電容器的串聯均壓保護裝置(專利申請?zhí)?00820080259)介紹了一種采用電阻和穩(wěn)壓管組合法進行串聯均壓的保護裝置，兼具開關電阻法和穩(wěn)壓管電壓均衡法的優(yōu)點，但還是存在耗能嚴重，電阻發(fā)熱量大的缺陷。為了解決以上兩種方法的缺陷，歐洲專利EP1081824提出了 DC/DC雙向變換器法，每兩個相鄰電容器之間通過一個BUCK/BOOST變換器進行能量交換，將電壓高的電容器的能量通過DC/DC變換器轉移到電壓低的電容器中去。日本專利JP11-098698中提出一種飛渡電容器均壓法，即通過測量所有超級電容器上的端電壓，找出電壓最大和最小的超級電容器，然后采用一個飛渡電容器與這兩個超級電容器進行并聯。依次循環(huán)下去，直到各個電容器的電壓均衡。中國科學院電工研究所針對飛渡電容器在高壓、大電流下使用時均壓速度慢、效率降低的問題，提出了模塊分組均壓的方法(專利申請?zhí)?00510086793)。該方法一定程度上提高了均壓速度，但仍采用充放電一對一的方式，在電壓差別不大時均壓速度仍然較慢。為此，本實用新型基于 飛渡電容器均壓法設計了一種超級電容器串聯模塊電壓均衡裝置，實時有效的對各串聯超級電容器進行均壓，提高均衡速度。該裝置適用于充放電過程，效果顯著。
發(fā)明內容本實用新型的目的在于提供一種超級電容器串聯模塊電壓均衡裝置，克服超級電容器串聯模塊電壓均衡速度慢的問題，有效提高超級電容器可靠性和循環(huán)壽命。本實用新型所采用的技術方案是一種超級電容器串聯模塊電壓均衡裝置，由多個超級電容器單體串聯而成的模塊、多個MOSFET開關、多個電容式電壓互感器、飛渡電容器和帶多路A/D的處理器組成，其特征在于所述多個超級電容器單體串聯而成的模塊中的每個超級電容器對應并聯一個電容式電壓互感器，且每個超級電容器通過兩個MOSFET開關與飛渡電容器并聯，每個電容式電壓互感器與處理器的A/D通道連接，處理器控制每個MOSFET開關的開通與關斷，處理器實時采集由各個電容式電壓互感器測量到的各個超級電容器的電壓，根據預設程序進行判斷，并控制MOSFET開關的動作，完成均壓過程。如上所述的超級電容器串聯模塊電壓均衡裝置，其特征在于當檢測到某個超級電容器的端壓大于標準值VN時，由處理器控制接通對應的MOSFET開關向飛渡電容器放電，端壓下降到VN時斷開MOSFET開關；當檢測到某個超級電容器端壓小于VN時，由處理器控制接通MOSFET開關，由飛渡電容器放電，端壓上升到VN時斷開MOSFET開關。本實用新型的有益效果是1)基于電容式電壓互感器進行超級電容器電壓測量，體積小，重量輕，經濟性顯著；2)使用飛渡電容器作為各超級電容器之間的能量傳輸途徑，避免了能量損失和發(fā)熱，且安裝簡單；3)飛渡電容器通過MOSFET開關的接通與關斷實現與超級電容器的并聯，開關速度快，關斷阻抗高；4)每次充放電不需要從頭檢測電壓一次，充放電不是一對一的進行，而是采用“隨時監(jiān)測，隨時充放電”的模式，均壓速度快。本實用新型將“隨時監(jiān)測，隨時充放電”的模式應用于飛渡電容器均壓法中，不僅可以具有飛渡電容器均壓法的能量消耗小、無電壓差積累的優(yōu)點，還可有效改善傳統(tǒng)飛渡電容器均壓法均衡速度慢的缺陷；本實用新型以飛渡電容器均壓法為基礎，實時將每個超級電容器的電壓與標準值進行比較，由MOSFET開關快速進行切換，可以提高均壓速度，有效的延長超級電容器使用壽命。

圖I是本實用新型實施例的超級電容器串聯模塊電壓均衡裝置的結構示意圖。圖2是本實用新型實施例的超級電容器串聯模塊電壓均衡裝置的工作原理圖。[0020]圖3是本實用新型實施例的超級電容器串聯模塊電壓均衡裝置的工作原理圖。
具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型作進一步的詳細闡述。附圖中的符號說明1_超級電容器、2-M0SFET開關、3-電容式電壓互感器、4-飛渡電容器、5-處理器。參見圖1，本實用新型的超級電容器串聯模塊電壓均衡裝置由多個超級電容器I單體串聯而成的模塊、多個MOSFET開關2、多個電容式電壓互感器3、飛渡電容器4和帶多路A/D的處理器5組成。每個電容式電壓互感器3與超級電容器I并聯，輸出信號接入處理器5的A/D接口。處理器5接收電容式電壓互感器3的模擬信號，轉換為數字信號后，進行判斷和動作，過程如下 只要檢測到多個超級電容器I單體串聯而成的模塊中某個超級電容器的端壓大于標準值VN，即接通對應的MOSFET開關2向飛渡電容器4放電，端壓下降到VN時斷開MOSFET開關2，直到所有超級電容器的端壓都不大于標準值VN ;只要檢測到某個超級電容器端壓小于VN即接通MOSFET開關2，由飛渡電容器4放電，端壓上升到VN時斷開MOSFET開關2，直到所有端壓小的超級電容器都補到標準電壓。參見圖2，當檢測到超級電容器端壓低于VN并接通MOSFET開關2時，由飛渡電容器4向超級電容器進行充電；參見圖3，當檢測到超級電容器端壓高于VN并接通MOSFET開關2時，由超級電容器向飛渡電容器4進行充電。以上僅為本實用新型的實施例而已，并不用于限制本實用新型，因此，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的權利要求范圍之內。
權利要求1.一種超級電容器串聯模塊電壓均衡裝置，由多個超級電容器單體串聯而成的模塊、多個MOSFET開關、多個電容式電壓互感器、飛渡電容器和帶多路A/D的處理器組成，其特征在于 所述多個超級電容器單體串聯而成的模塊中的每個超級電容器對應并聯一個電容式電壓互感器，且每個超級電容器通過兩個MOSFET開關與飛渡電容器并聯，每個電容式電壓互感器與處理器的A/D通道連接，處理器控制每個MOSFET開關的開通與關斷，處理器實時采集由各個電容式電壓互感器測量到的各個超級電容器的電壓，根據預設程序進行判斷，并控制MOSFET開關的動作，完成均壓過程。
2.根據權利要求I所述的超級電容器串聯模塊電壓均衡裝置，其特征在于當檢測到某個超級電容器的端壓大于標準值VN時，由處理器控制接通對應的MOSFET開關向飛渡電容器放電，端壓下降到VN時斷開MOSFET開關；當檢測到某個超級電容器端壓小于VN時，由處理器控制接通MOSFET開關，由飛渡電容器放電，端壓上升到VN時斷開MOSFET開關。
專利摘要本實用新型提供一種超級電容器串聯模塊電壓均衡裝置，由多個超級電容器單體串聯而成的模塊、多個MOSFET開關、多個電容式電壓互感器、飛渡電容器和帶多路A/D的處理器組成，每個超級電容器對應并聯一個電容式電壓互感器，且每個超級電容器通過兩個MOSFET開關與飛渡電容器并聯，每個電容式電壓互感器與處理器的A/D通道連接，處理器控制每個MOSFET開關的開通與關斷，處理器實時采集由各個電容式電壓互感器測量到的各個超級電容器的電壓，根據預設程序進行判斷，并控制MOSFET開關的動作，完成均壓過程。本電壓均衡裝置，能夠克服超級電容器串聯模塊電壓均衡速度慢的問題，有效提高超級電容器可靠性和循環(huán)壽命。
文檔編號H02J15/00GK202679029SQ20122035880
公開日2013年1月16日 申請日期2012年7月24日 優(yōu)先權日2012年7月24日
發(fā)明者彭亞凱, 李文嵐 申請人:國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司