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超级电容器串联运用中的均压问题以及处理途径

导言

在超级电容器的运用中,因为其额外电压很低 (不到3V),常需求很多的超级电容器串联,又因为经常需求大电流充放电,因而串联中的各个单体电容器上电压是否共同是至关重要的。如果不采纳必要的均压办法,会引起各个单体电容器上电压不同较大,严重影响超级电容器的功能和寿数。本文对影响均压的各种要素进行了分析并提出了卓有成效的处理方案。

1影响均压的要素

1.1 容童的误差对电容器组的影响

一般超级电容器容量误差为-10%一+30%,当电容器组中出现容量误差较大时,在充电时容量最小的单体电容器首要到达额外电压而单体电容器容量最大的仅充到69%的额外电压,其储能为最小容量电容器的69%其关系为


在批量生产电容器组时精选电容量在很小的误差内进步电容器组的储能是有意义的,但将进步生产成本。

1.2 漏电流对超级电容器组的影响

超级电容器多用于储能。充有电荷后静置状态下的电荷(或电压)坚持能力取决于漏电流。通过相对上的静置时刻后,漏电流大的超级电容器坚持的电荷(或电压)明显低于漏电流小的。因而放电时,漏电流大的首要到达放电完毕。而漏电流小的仍坚持较多的电荷。充电时漏电流小的首要到达充电完毕。因而,这时超级电容器组的各单体的电容器充放电能量为


式中△U为充放电前漏电流最小和漏电流最大的超级电容器电压之差值。

1.3 ESR的影响

因为超级电容器的ESR相对较大,并且重复充电后ESR逐步变大,ESR大的将越来越大,在充放电时,ESR大的将先于ESR小的到达充放电完毕,使其他ESR相对小的充放电不充分,因而在超级电容器串联运用中必须考虑并处理均压问题。

2 无源元件处理方案

一般两个以上电容器串联能够选用并联电阻的均压办法。一般运用于较高电压的整流滤波,电路如图1所示。图中C1=C2,R1= R2、因为电容器工作时,有电源供电,电容的作用为滤波。故均压电阻的电流与功耗能够接受,不会影响滤波作用。关于用于储能的超级电容器,如果仅漏电流的差异,此法还能够,但对均衡高幅值充放电电流,则需求阻值十分小的均压电阻,这个分压电流将由超级电容器供给,使超级电容器的储能变低,在多只大容量电容器串联时是不实用的办法。用稳压二极管籍位或恰当数量一般整流二极管串联后用于超级电容器。电路如图2。此法在理论上可行,但在实践运用上会因稳压二极管的稳压值及二极管导通电压随温度改变,并且其伏安特性相对较软,而不符合超级电容器的均压要求,不能运用。

超级电容器串联运用中的均压问题以及处理途径

3 有源电压均衡的处理方案

因为超级电容器电压均衡电路仅约束超级电容器端电压在额外电压值或许以上,并且一般不期望在额外电压值以下有较大的漏电流。因而,完成超级电容器电压均衡电路的基本要求为,端电压到达设定值(稳压值)后,端电压的细小改变将导致很大的端电流改变,即稳压二极管的反向击穿特性。如图3.能接受较大的电流稳压值应是稳定的,不随时刻温度及其他要素的改变。

按照上述基本要求,所规划的均压电路的扼要原理如图4.电路由R1, R2分电路,2.5V电压基准DZ、微功耗放大器A1和晶体管Q扩流电路构成。电路的伏安特性如图5.

基本原理为:当超级电容器C上的电压经R1,R2分压送到放大器A1的同相端、分压值在2.5V以下时,放大器A1输出低电位,扩流晶体管Q不导通、均压电路特性如图5的A段。跟着超级电容器C上的电压高于2.5V放大器的输出电压开端上升(其上升速率取决于放大器A1的增益),扩流晶体管Q的集电极电流随微功耗放大器A1的输出电压上升而增大、均压电路的特性如图5的B段。当Q的集电极电流在R5上发生的压降等于VC-VCEZ(sat)时,均压电路的特性为电阻R5的特性,如图5的C段,在实践运用中、因为超级电容器的耐压有限而不充许均压电路工作在这一区段。

4 动态特性分析

本文提出的电路是专用于超级电容器的均压,超级电容器的充电进程(特别是容量大的电容器)至少要30S以上,关于电子线路而言则是很缓慢的进程。因而,关于超级电容器的电压均衡电路的动态特性要求不是很严厉。在实践测验

中,本文提出的电路在端电压为2.7V一2.75V范围内带宽不低于100KHz,其单位阶跃呼应的上升时刻小于1US,与一般的模仿电子线路的呼应特性基本相同。

5 均压作用

在试验中,用680F/2.7V 超级电容器的3并48串构成的40F/ 130V超级电容器组在20A的充电电流状态下充到130V,保持2min后丈量超级电容器单体电压。在未接人电压均衡电路前,超级电容器单体电压最高2.9V,最低2.5V。其中最高电压已超越额外电压。接人电压均衡电路后,从头测验各超级电容器单体电压均为2.7V。

6 定论

从试验结果能够得出,本文提出的超级电容器电压均衡电路是在超级电容器串联运用时均衡超级电容器单体电压的有用办法。

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