电压均衡电路设计方案及实现

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：图9-8 电压均衡电路在这种均压电路中，双向buck-boost变换器分别与相邻的两个超级电容器相连。在第一个充放电循环中，一部分器件可能会超过最大允许电压，但经过几十个充放电循环之后，这组超级电容器至少在满充状态时所有单体的电压可以达到均衡，此后，均压电阻就不再需要了。

上一节给出的超级电容器组容量设计实例表明，所采用的单体器件数量是个非常重要的参数。由于超级电容器单体电压非常低，因而不得不将大量的单体串联起来以达到所需的工作电压。在给定功率条件下，这种串联结构可以减小充放电电流，保证超级电容器组后端的功率变换器具有较高的性能和效率。

但是，电容值不完全相同（±20%）的单体器件串联成组会带来电压不均衡的问题。在一组串联的超级电容器充电结束时，电容值最小的单体电压可能会超过其允许的最大电压。而如果设定为只要有一个单体达到最大电压就停止充电，那么电容值大的单体只能充电至相对较低的电压值，因而储存的能量就无法达到最大水平，也就不能有效利用整个超级电容器组的储能容量。

因此，串联的超级电容器组中每一个单体的电压都应该得到均衡，以避免超过其最大允许电压和减少寿命。同时，也要尽可能地保证所有单体的能量得到最大化利用。

图9-8给出早期均压电路的一个实例，该串联超级电容器组由8个单体构成^{[BAR 00，BAR 02]}。

图9-8 电压均衡电路

在这种均压电路中，双向buck-boost变换器分别与相邻的两个超级电容器相连。当检测到这两个超级电容器的电压有明显差异时，与之连接的变换器被激活，工作于某一单向变换模式。当这两个电容器的电压达到均衡时，变换器停止工作。为了保证效率最高，变换器应使用低导通阻抗R_ds（on）的MOSFET器件和快恢复二极管，并工作于断续运行模式。

尽管这种均压电路在效率和均压效果上都很不错，但是它的实现方式复杂，均压电路的数量随着串联超级电容器单体数量的增加而增加。不过，如果这8个超级电容器单体采用两个并联再4个串联的结构，均压电路的数量就可以减少。这种接法还有一个额外的好处在于，器件并联可以减少串联支路之间的容值差异，也就降低了电压的不均衡程度，并缓解了均压电路的应力。

然而，目前使用的还有一些更简单的方法，每个超级电容器两端都并联一个电阻，只有当电压超过设定值时该电阻才与电容器发生电气连接。在这种情况下，相当于人为地制造了一个漏电流，把超级电容器的端电压控制在最大允许值之内，只是动态过程比较缓慢（漏电流一般为几百毫安）。在第一个充放电循环中，一部分器件可能会超过最大允许电压，但经过几十个充放电循环之后，这组超级电容器至少在满充状态时所有单体的电压可以达到均衡，此后，均压电阻就不再需要了。当所连接的电容器电容值发生改变，尤其是当电容器达到寿命期限或者因外部原因而造成损坏时，均压电阻需要再次发挥作用。此外，这种均压电路还可以帮助我们辨识出失效的需要更换的电容器。

电压均衡电路设计方案及实现

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