如何解決超級電容模組電壓均衡問題

超級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。超級電容和電動(dòng)汽車動(dòng)力電池類似，每個(gè)超級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)超級電容單體性能應(yīng)該是一致的，即每個(gè)超級電容單體的電壓是 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，使用超級電容單體管理電路來提高串聯(lián)使用的超級電容單體的性能和壽命，是最有效的管理超級電容單體的方法（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異常的單體迅速做出響應(yīng)，超級電容單體平衡方法有兩種，即被動(dòng)均衡式和主動(dòng)均衡式。

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被動(dòng)均衡電路

(1)電阻直接與超級電容并聯(lián)的結(jié)構(gòu)

在每個(gè)超級電容單體上并聯(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)超級電容單體之間的電壓平衡。電阻阻值應(yīng)比超級電容的內(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)，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)

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)需要測量單體電壓，會(huì)增加成本。

(3)采用DC／DC變換器的結(jié)構(gòu)

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。

(4)采用齊納二極管的結(jié)構(gòu)

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

主動(dòng)均衡電路

主動(dòng)均衡需要的時(shí)間比被動(dòng)均衡需要的時(shí)間短，電壓分配精準(zhǔn)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。

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)超級電容的充放電電流，根據(jù)充放電時(shí)超級電容的電壓，確定均衡電流。