本發(fā)明涉及一種超級電容器的均壓控制方法，尤其模塊化串聯(lián)型超級電容器的均壓控制方法。

背景技術(shù)：

由于超級電容器單體端電壓一般較低，在大多數(shù)應(yīng)用中，需要將它們串聯(lián)連接以達(dá)到使用要求。在對這樣一個串聯(lián)連接的串聯(lián)電池模組進(jìn)行充電時，應(yīng)該保證每個單體的電壓相對均衡，即所謂的均壓充電。但是，若電池模組中存在一個質(zhì)量差的單體，該模組將會被過充電，使得模組電壓高于正常情況或電池溫度升高，進(jìn)而影響其他單體，最終可能導(dǎo)致電池模組使用壽命的減少，其穩(wěn)定性與效率降低，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。因此必須采取相應(yīng)的措施來防止這種電壓不均衡情況的發(fā)生。目前超級電容器的均壓(電壓均衡)方法主要包括能耗型與能量轉(zhuǎn)移型，其中能耗型結(jié)構(gòu)簡單但效率低，能量轉(zhuǎn)移型效率高但控制相對復(fù)雜、成本高。同時，這兩種方法基本未考慮在充電過程中電池單體損壞時電池如何繼續(xù)進(jìn)行充放電均壓控制。此外，目前的電壓均衡方法主要應(yīng)用于蓄電池，而針對超級電容器的均壓方法研究成果不多。因此，研究超級電容器在充放電過程中某個單體損壞時繼續(xù)進(jìn)行充放電均壓控制，具有重要的實際與理論價值。

如公開文獻(xiàn)(CN104485703A)公開的一種鋰離子儲能電池電壓均衡方法及其電路，其電路包括至少一有2個電池單體串聯(lián)的電池組、電壓采樣電路、可控制電壓采樣電路及接收其反饋數(shù)據(jù)的DSP電路和DSP電路控制的雙向DC/DC變流電路，針對N個電池單體，雙向DC/DC變流電路包括至少N-1個均衡單元，均衡單元包括2個電池單體(BT1、BT2)，2個N-MOS型場效應(yīng)管(g1、g2)，2個二極管，2個電感(L1，L2)和電容(C1)。該電路通過電壓采樣電路監(jiān)測電池組的各電池單體信息，再將電壓采樣電路的信息反饋給DSP電路，由DSP電路來確定需要均衡的電池單體，并控制均衡單元進(jìn)行均衡控制，從而實現(xiàn)電池充放電均衡控制。但其結(jié)構(gòu)、控制復(fù)雜，且還需電感(L1，L2)和電容(C1)等器件，造成電路成本較高，同時，因未考慮某一個電池單體在充放電過程中損壞時提供一個充放電電流通路來實現(xiàn)均衡控制，易造成充放電過程因某一個電池單體損壞而導(dǎo)致充放電中斷的后果，因而不利于實現(xiàn)推廣應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)中均衡控制電路的缺點，提出一種結(jié)構(gòu)與控制簡單、所需開關(guān)器件較少的模塊化電容器均壓控制電路，其損耗小、能量轉(zhuǎn)換效率高，并基于該均壓控制電路提出一種在不影響其它電容器單體充放電狀態(tài)前提下剔除損壞電池單體后實現(xiàn)串聯(lián)型超級電容器充放電均壓控制方法。

本發(fā)明的模塊化串聯(lián)型超級電容器均壓控制電路包括：N個電容器單體(SC₁～SC_n)、N個模塊化開關(guān)組(K₁～K_n)、1個充電均壓控制單元(1)、1個放電均壓控制單元(2)、1個電壓檢測電路(3)、1個直流電源、1個直流負(fù)載，其中N為自然數(shù)，每個模塊化開關(guān)組由1個充放電開關(guān)組與1個均壓開關(guān)組并聯(lián)而成，充放電開關(guān)組是由1個開關(guān)管(Q₁₁～Q_1n)與1個二極管(D₁₁～D_1n)并聯(lián)而成，均壓開關(guān)組則由1個開關(guān)管(Q₂₁～Q_2n)與1個二極管(D₂₁～D_2n)并聯(lián)，具體拓樸結(jié)構(gòu)為：直流電源(4)或直流負(fù)載(5)接第一電容器單體SC₁的輸入端，SC₁的輸出端與模塊化開關(guān)組K₁中的開關(guān)管Q₁₁及二極管D₁₁的輸入端相連，開關(guān)管Q₁₁及二極管D₁₁的輸出端與第二個電容器單體SC₂的輸入端相連，第一個電容器單體SC₁的輸入端與模塊化開關(guān)組K₁中的開關(guān)管Q₂₁及二極管D₂₁的輸入端相連，開關(guān)管Q₂₁及二極管D₂₁的輸出端與第二個電容器單體SC₂的輸入端相連；類似地，第二個電容器單體SC₂的輸出端與模塊化開關(guān)組K₂中的開關(guān)管Q₁₂及二極管D₁₂的輸入端相連，開關(guān)管Q₁₂及二極管D₁₂的輸出端與第三個電容器單體SC₃的輸入端相連，第二個電容器單體SC₂的輸入端與模塊化開關(guān)組K₂中的開關(guān)管Q₂₂及二極管D₂₂的輸入端相連，開關(guān)管Q₂₂及二極管D₂₂的輸出端與第三個電容器單體SC₃的輸入端相連；類似地，第n個電容器單體SC_n的輸出端與模塊化開關(guān)組K_n中的開關(guān)管Q_1n及二極管D_1n的輸入端相連，開關(guān)管Q_1n及二極管D_1n的輸出端與超級電容器負(fù)極相連，第n個電容器單體SC_n的輸入端與模塊化開關(guān)組K_n中的開關(guān)管Q_2n及二極管D_2n的輸入端相連，開關(guān)管Q_2n及二極管D_2n的輸出端與超級電容器負(fù)極相連。該電路由電壓檢測電路(1)檢測各電容器單體(SC₁～SC_n)端電壓，并將電壓值分別反饋給放電均壓控制單元(2)、充電均壓控制單元(3)；放電均壓控制單元(2)與充電均壓控制單元(3)根據(jù)電壓檢測電路(1)反饋的各電容器單體SC₁～SC_n)電壓值與給定值進(jìn)行比較，來判斷各電容器單體的好壞與否，并控制模塊化開關(guān)組中開關(guān)管及二極管的導(dǎo)通與關(guān)斷來剔除損壞的電池單體，在不影響其它電容器單體充放電狀態(tài)前提下實現(xiàn)串聯(lián)型超級電容器充放電均壓控制。

所述模塊化電容器充電均壓控制過程為：正常充電時，各開關(guān)管(Q₁₁～Q_1n)斷開，各二極管(D₁₁～D_1n)正向?qū)?，充電電流由直流電?4)向第一個電容器單體SC₁的輸入端流入，經(jīng)第1個二極管D₁₁，再流入第二個電容器單體SC₂的輸入端，再經(jīng)第2個經(jīng)第2個二極管D₁₂，再流入下一個電容器單體的輸入端，類似地，直止最后經(jīng)第n個二極管D_1n的輸出端接超級電容器負(fù)極；當(dāng)充電均壓控制單元檢測到某單體SC_k電壓上升異常時，并判斷其為壞狀態(tài)，則控制均壓開關(guān)組來開通對應(yīng)的開關(guān)管Q_2k，該異常單體將被剔除，充電電流不再經(jīng)過第k個模塊化開關(guān)組中對應(yīng)二極管D_1k，而經(jīng)過第k個模塊化開關(guān)組中對應(yīng)開關(guān)管Q_2k，k為自然數(shù)。

所述電容器放電均壓控制過程為：正常放電時，各開關(guān)管(Q₁₁～Q_1n)閉合，充電電流經(jīng)第n個開關(guān)管Q_1n，再從第n個電容器單體SC_n輸出，再流入下一個開關(guān)管及電容器單體，類似地，直止最后經(jīng)第1個開關(guān)管Q₁₁，從第1個電容器單體SC₁輸出接超級電容器正極向直流負(fù)載(5)供電；當(dāng)放電均壓控制單元檢測到某單體SC_k電壓上升異常時，并判斷其為壞狀態(tài)，則控制均壓開關(guān)組來關(guān)斷對應(yīng)的開關(guān)管Q_1k，該異常單體將被剔除，充電電流不再經(jīng)過第k個模塊化開關(guān)組中對應(yīng)開關(guān)管Q_1k，而經(jīng)過第k個模塊化開關(guān)組中對應(yīng)二極管D_2k。

模塊化超級電容器均壓控制電路中的開關(guān)管(Q₁₁～Q_1n)及開關(guān)管(Q₂₁～Q_2n)可為IGBT或MOSFET，二極管(D₁₁～D_1n)及二極管(D₂₁～D_2n)可為普通二極管或肖特基二極管或MOSFET型二極管，放電均壓控制單元為單片機、DSP、ARM等芯片中的一種，直流電源為蓄電池、燃料電池或光伏電池等新型儲能電源中的一種。

本發(fā)明的模塊化串聯(lián)型超級電容器均壓控制電路結(jié)構(gòu)與控制簡單、所需開關(guān)器件較少，損耗小、能量轉(zhuǎn)換效率高，能在不影響其它電容器單體充放電狀態(tài)前提下剔除損壞電池單體，實現(xiàn)串聯(lián)型超級電容器充放電均壓控制方法。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有的串聯(lián)型電池均壓控制電路結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明的模塊化串聯(lián)型超級電容器均壓控制電路結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明的充電時第2個電容器單體損壞時均壓控制電路結(jié)構(gòu)圖。

圖4為本發(fā)明的放電時第2個電容器單體損壞時均壓控制電路結(jié)構(gòu)圖；

具體實施方式

下面結(jié)合具體的實例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述為對本發(fā)明的解釋而不是限定。

由圖2可知，本發(fā)明的電容器均壓控制電路包括N個電容器單體(SC₁～SC_n)、N個模塊化開關(guān)組(K₁～K_n)、1個充電均壓控制單元(1)、1個放電均壓控制單元(2)、1個電壓檢測電路(3)、1個直流電源、1個直流負(fù)載，其中N為自然數(shù)，每個模塊化開關(guān)組由1個充放電開關(guān)組與1個均壓開關(guān)組并聯(lián)而成，充放電開關(guān)組是由1個開關(guān)管(Q₁₁～Q_1n)與1個二極管(D₁₁～D_1n)并聯(lián)而成，均壓開關(guān)組則由1個開關(guān)管(Q₂₁～Q_2n)與1個二極管(D₂₁～D_2n)并聯(lián)，具體拓樸結(jié)構(gòu)為：直流電源(4)或直流負(fù)載(5)接第一電容器單體SC₁的輸入端，SC₁的輸出端與模塊化開關(guān)組K₁中的開關(guān)管Q₁₁及二極管D₁₁的輸入端相連，開關(guān)管Q₁₁及二極管D₁₁的輸出端與第二個電容器單體SC₂的輸入端相連，第一個電容器單體SC₁的輸入端與模塊化開關(guān)組K₁中的開關(guān)管Q₂₁及二極管D₂₁的輸入端相連，開關(guān)管Q₂₁及二極管D₂₁的輸出端與第二個電容器單體SC₂的輸入端相連；類似地，第n個電容器單體SC_n的輸出端與模塊化開關(guān)組K_n中的開關(guān)管Q_1n及二極管D_1n的輸入端相連，開關(guān)管Q_1n及二極管D_1n的輸出端與超級電容器負(fù)極相連，第n個電容器單體SC_n的輸入端與模塊化開關(guān)組K_n中的開關(guān)管Q_2n及二極管D_2n的輸入端相連，開關(guān)管Q_2n及二極管D_2n的輸出端與超級電容器負(fù)極相連。該電路由電壓檢測電路(1)檢測各電容器單體(SC₁～SC_n)端電壓，并將電壓值分別反饋給放電均壓控制單元(2)、充電均壓控制單元(3)；放電均壓控制單元(2)與充電均壓控制單元(3)根據(jù)電壓檢測電路(1)反饋的各電容器單體SC₁～SC_n)電壓值與給定值進(jìn)行比較，來判斷各電容器單體的好壞與否，并控制模塊化開關(guān)組中開關(guān)管及二極管的導(dǎo)通與關(guān)斷來剔除損壞的電池單體，在不影響其它電容器單體充放電狀態(tài)前提下實現(xiàn)串聯(lián)型超級電容器充放電均壓控制。

所述模塊化電容器充電均壓控制過程為：正常充電時，各開關(guān)管(Q₁₁～Q_1n)斷開，各二極管(D₁₁～D_1n)正向?qū)?，充電電流由直流電?4)向第一個電容器單體SC₁的輸入端流入，經(jīng)第1個二極管D₁₁，再流入第二個電容器單體SC₂的輸入端，再經(jīng)第2個經(jīng)第2個二極管D₁₂，再流入下一個電容器單體的輸入端，類似地，直止最后經(jīng)第n個二極管D_1n的輸出端接超級電容器負(fù)極；當(dāng)充電均壓控制單元檢測到第2個單體SC₂電壓上升異常時，并判斷其為壞狀態(tài)，則控制均壓開關(guān)組來開通對應(yīng)的開關(guān)管Q₂₂，該異常單體將被剔除，充電電流不再經(jīng)過第2個模塊化開關(guān)組中對應(yīng)二極管D₁₂，而經(jīng)過第2個模塊化開關(guān)組中對應(yīng)開關(guān)管Q₂₂，圖3為充電時第2個電容器單體損壞時均壓控制電路結(jié)構(gòu)圖。

所述電容器放電均壓控制過程為：正常放電時，各開關(guān)管(Q₁₁～Q_1n)閉合，充電電流經(jīng)第n個開關(guān)管Q_1n，再從第n個電容器單體SC_n輸出，再流入下一個開關(guān)管及電容器單體，類似地，直止最后經(jīng)第1個開關(guān)管Q₁₁，從第1個電容器單體SC₁輸出接超級電容器正極向直流負(fù)載(5)供電；當(dāng)放電均壓控制單元檢測到第2個單體SC₂電壓上升異常時，并判斷其為壞狀態(tài)，則控制均壓開關(guān)組來關(guān)斷對應(yīng)的開關(guān)管Q₁₂，該異常單體將被剔除，充電電流不再經(jīng)過第2個模塊化開關(guān)組中對應(yīng)開關(guān)管Q₁₂，而經(jīng)過第2個模塊化開關(guān)組中對應(yīng)二極管D₂₂，圖4為充電時第2個電容器單體損壞時均壓控制電路結(jié)構(gòu)圖。

模塊化超級電容器均壓控制電路中的開關(guān)管(Q₁₁～Q_1n)及開關(guān)管(Q₂₁～Q_2n)可為IGBT或MOSFET，二極管(D₁₁～D_1n)及二極管(D₂₁～D_2n)可為普通二極管或肖特基二極管或MOSFET型二極管，放電均壓控制單元為單片機、DSP、ARM等芯片中的一種，直流電源為蓄電池、燃料電池或光伏電池等新型儲能電源中的一種。