超級(jí)電容器串聯(lián)應(yīng)用中的均壓?jiǎn)栴}及解決方案.doc

1.問題的提出超級(jí)電容器的額定電壓很低（不到3V），在應(yīng)用中需要大量的串聯(lián)。由于應(yīng)用中常需要大電流充放電，因此串聯(lián)中的各個(gè)單體電容器上電壓是否一致是至關(guān)重要的。如果不采取必要的均壓措施，會(huì)引起各個(gè)單體電容器上電壓較大，采取更多的串聯(lián)數(shù)來解決問題是不可取的。影響均壓的因素主要有：1.1 容量的偏差對(duì)電容器組的影響通常超級(jí)電容器容量偏差為-10%-+30%，上下偏差1.44。當(dāng)電容器組中出現(xiàn)容量偏差較大時(shí)，在充電時(shí)容量最小的電容器首先到達(dá)額定電壓而電容量偏差最大的僅充到69%的額定電壓，其儲(chǔ)能為最小容量電容器的0.69%。如式（1）（1）其中Cmin為最大負(fù)偏差電容量。電容器組的平均儲(chǔ)能為：（2）比全部由下偏容量超級(jí)電容器構(gòu)成的電容器組還小，為標(biāo)稱值電容器的76%，即，其中Ccom為標(biāo)稱電容量。由（1），（2）可得 （3）在批量生產(chǎn)電容器組時(shí)精選電容量在很小的偏差內(nèi)對(duì)提高電容器組的儲(chǔ)能是有意義的，但將提高生產(chǎn)成本。1.2 漏電流對(duì)超級(jí)電容器組的影響超級(jí)電容器多為儲(chǔ)能用。充有電荷后靜置狀態(tài)下的電荷（或電壓）保持能力取決于漏電流，經(jīng)過相對(duì)長(zhǎng)的靜置時(shí)間后，漏電流大的超級(jí)電容器保持的電荷（或電壓）明顯低于漏電流小的。因此放電時(shí)，漏電流大的首先達(dá)到放電終了，而漏電流小的仍保持較多的電荷，充電時(shí)漏電流小的首先達(dá)到充電終了。因此，這時(shí)超級(jí)電容器組的各單體的充放電能量為：（4）其中U為充放電前漏電流最小和漏電流最大的超級(jí)電容器電壓差值。1.3 ESR的影響由于超級(jí)電容器的ESR相對(duì)較大，而且反復(fù)充電后ESR逐漸變大，ESR大的將越來越大，在充放電時(shí)ESR大的將先于ESR小的先到達(dá)充放電終了電壓，使其他ESR相對(duì)小的充放電不充分。綜上所述，超級(jí)電容器串聯(lián)應(yīng)用中必須考慮并解決均壓?jiǎn)栴}。2. 解決方案2.1 無(wú)源元件解決方案圖1 超級(jí)電容器的阻容均壓通常兩個(gè)以上電容器串聯(lián)可以采用并聯(lián)電阻均壓方式，通常應(yīng)用于較高電壓的整流濾波，電路如圖1，圖中C1=C2、R1=R2由于電容器工作時(shí)有電源供電，電容的作用為濾波，故均壓電阻的電流與功耗可以接受，不會(huì)影響濾波作用，如果用于儲(chǔ)能的超級(jí)電容器，如果僅漏電流的差異，此法還可以，但與均衡高幅值充放電電流，則需非常小的阻值的均壓電阻，這個(gè)分壓電流將由超級(jí)電容器提供，使超級(jí)電容器儲(chǔ)能變低，在多只大容量超級(jí)電容器串聯(lián)時(shí)是不實(shí)用的方法。圖2 超級(jí)電容器的二極管均壓用穩(wěn)壓二極管箝位或適當(dāng)數(shù)量普通整流二極管串聯(lián)后并于超級(jí)電容，如圖2，在理論上行得通，但在實(shí)際上會(huì)因穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值及二級(jí)管導(dǎo)通電壓隨溫度變化，而且其伏安特性相對(duì)較軟，因而不符合超級(jí)電容器的均壓要求，不能使用。2.2 實(shí)用的超級(jí)電容器電壓均衡電路由于超級(jí)電容器電壓均衡電路僅限制超級(jí)電容器端電壓在額定電壓值或以下，而且，通常不希望在額定電壓值以下有較大的漏電流，因此：實(shí)現(xiàn)可使用的超級(jí)電容器電壓均衡電路的基本要求為：端電壓達(dá)到設(shè)定值（穩(wěn)壓值）后，端電壓的微小變化將導(dǎo)致很大的端電流變化，即穩(wěn)壓二極管的反向擊穿特性，如圖3，能承受較大的電流，穩(wěn)壓值應(yīng)是穩(wěn)定的，不隨時(shí)間溫度及其他因素變化。圖3 超級(jí)電容器均壓電路的伏安特性按照上述基本要求，簡(jiǎn)要原理如圖4圖4 實(shí)用的超級(jí)電容器均壓電路基本原理為：超級(jí)電容器電壓經(jīng)R5、R6分壓送到U1的R端，這個(gè)分壓值在2.5V以下時(shí)，U1的K端相當(dāng)于開路（有約400uA的漏電流）在R1上基本不產(chǎn)生附加壓降，這樣，由R1、R2、R3在Q1基極上的分壓不是以使Q1導(dǎo)通，因此Q2不導(dǎo)通，電路處于靜止（高阻）狀態(tài)；當(dāng)R5，R6分壓點(diǎn)等于2.5V時(shí)由于Q1內(nèi)部較放大器的作用。使Q1的K端電壓下降（可拉電流100mA以上）將在R1上產(chǎn)生最大值為Uc-2V的壓差，通常這時(shí)對(duì)應(yīng)的Uc為2.7V，使Q1導(dǎo)通進(jìn)入放大狀態(tài)。并驅(qū)動(dòng)Q2導(dǎo)通進(jìn)入放大狀態(tài)；即，由于該電路的UR端電壓Q2集電極電流的跨導(dǎo)非常大，當(dāng)U1的R端的所接的分壓網(wǎng)絡(luò)與Q2集電極所接的電阻R9連于同一點(diǎn)時(shí)，電路的特性類似穩(wěn)壓二極管特性，在一定程度上將端電壓限制在“穩(wěn)壓值”以下，保證了超級(jí)電容器在充電時(shí)不會(huì)過電壓，隨著Q2集電極電流的上升，使R9電壓達(dá)到后在Q2能維持在飽和狀態(tài)下，該段的外特性是R9的電阻特性，并加一飽和壓降，不再是穩(wěn)壓二極管特性，如圖5，超級(jí)電容器正常工作時(shí)不應(yīng)進(jìn)入這種狀態(tài)。圖5 超級(jí)電容器大電流均壓電路圖4電路元件參數(shù)如表1。表1 超級(jí)電容器均壓電路元件明細(xì)一般大容量超級(jí)電容器的均壓幾乎全采用這種方式1，國(guó)外產(chǎn)品通常按表1的數(shù)據(jù)的參數(shù)，出現(xiàn)電阻性特性的電流（轉(zhuǎn)折電流）在800mA左右，而將R9改為2.2/3W，則轉(zhuǎn)折電流可以提高到1.2A1.3A，事實(shí)上Q1的驅(qū)動(dòng)能力遠(yuǎn)不止僅驅(qū)動(dòng)一個(gè)Q2，可以驅(qū)動(dòng)多組R8、Q2、R9這樣的單元電路。作者將圖4加以改進(jìn)如圖5。圖中的Q2、Q3、Q4、Q5可以選擇價(jià)格低廉的S8050（40V/2A）。通過采用多輸出級(jí)的方式增加轉(zhuǎn)折電流值，在所有參數(shù)與表1中的參數(shù)完全性同時(shí)，可以做到接近4A，如圖6，采用上述改進(jìn)措施后，均壓效果優(yōu)于國(guó)外產(chǎn)品。圖6超級(jí)電容器大電流均壓電路的伏安特性2.3 均壓的效果本文對(duì)項(xiàng)目完成的680F/2.7V超級(jí)電容器的3并48串構(gòu)成的40F/130V超級(jí)電容器組在20A的充電電流狀態(tài)下充到130V維持2分鐘后測(cè)量超級(jí)電容器單體電壓。在未接入電壓均衡電路前，超級(jí)電容器單體電壓最高2.9V，最低2.5V，其中最高電壓已超過額定電