一种能量转移型超级电容器电压均衡电路制造技术

本发明专利技术提供一种能量转移型超级电容器电压均衡电路，每两个相邻超级电容器单体之间连接有一个电力电子变换电路，通过采集各超级电容器单体电压并比较相邻超级电容器单体之间的电压从而控制与各超级电容器单体并联的开关管导通和关断，使能量通过电感在相邻的两个电容器间传递，最终将电压高的超级电容器单体中的能量通过电力电子变换电路转移到电压低的超级电容器单体中；该电路均压效率高、基本无损耗、均衡速度快，并且在充电和放电过程中都可以进行电压均衡。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电气领域，涉及一种能量转移型超级电容器电压均衡电路。
技术介绍
超级电容器作为一种新型绿色储能器件，具有功率密度高、充电速度快、充放电电流大、循环使用寿命长、对环境无污染、能量转化效率高等优点，在新能源汽车、分布式电网、电能质量调节、工业节能、军工、后备电源等领域具有广阔的应用前景。但由于超级电容器单体储存能量有限且工作电压不高，一般不超过3V，故在实际应用中常需要将多个超级电容器串并联使用。超级电容器串联成组后，在充(放)电过程中，由于各单体电容器参数(如电容值、内阻、漏电流等)存在差异，大电流充放电过程中会造成各单体电容两端电压不均衡，各电容电压上升(下降)速度不同，进而导致某些单体电容过充(过放)，影响超级电容器的效率、使用寿命以及系统的安全性和稳定性。因此，对串联超级电容器单体进行电压均衡管理具有十分重要的意义。电压均衡在超级电容器的实际应用中起着至关重要的作用，同样电压均衡方案的选取也直接关系到超级电容器组能否正常高效的工作，在特定的场合下选择合适的均衡方案才能最大限度的发挥超级电容器的储能优势。目前常用的电压均衡方法有以下两种：(1)并联稳压管法，电路原理如图1所示。并联稳压管法均压的工作原理是，将稳压管击穿电压设置为超级电容器单体额定电压，对串联超级电容器组进行恒流充电，各单体两端电压将逐渐增大，当某一单体电容首先达到额定电压时，其并联的稳压管将被击穿分流，r>充电电流将从稳压管流过，对应的电容器不再充电，电压将稳定在额定电压不变，其他单体电容依次类推，最终达到各电容电压均衡。该方案虽然电路结构简单，成本很低，无需任何控制手段，操作方便；但由于其在电压达到额定电压后，充电电流全部流经稳压管，能量完全消耗在稳压管上，导致稳压管发热和能量损失严重，并且均压过程较长。(2)开关电阻法开关电阻法是一种通过接入开关管以及并联电阻，在电容器端电压高于额定电压时导通开关管对充电电流进行分流，从而使各电容器端电压逐渐趋于均衡的方法。其电路原理如图2所示。均衡模块主要由电压采集器B、电压比较器COMP、开关管IGBT和电阻R串联而成，然后并联在单体电容C两端。电路工作过程如下：各单体电容C在恒流源I作用下充电，当某一单体电容电压达到基准电压E(略小于额定电压的某一电压值)时，开关管IGBT导通，电容C通过回路向电阻R放电，致使其电压上升速率减慢，其他电容电压在达到基准电压时操作相同，充电速率减慢，最终在电阻的分流作用下各单体电容电压达到均衡。该方法电路简单、成本较低、控制方便、可靠性高，而且可以根据充电电流大小来设定旁路电阻，控制明显较并联稳压管法灵活，但是仍存在能量损耗，电阻发热量较大，均压时间较长的弊病。综上所述，现有的电压均衡方案虽然具有电路简单、控制方便、成本较低等特点，但是其采用电阻消耗多余能量的方式进行均压，而超级电容器在实际使用过程中常处于频繁快速大电流充、放电的状态，这将会产生较大的损耗和热量；并且现有的方法均衡速度较慢，不利于超级电容器的大规模集成和大功率应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种能量转移型超级电容器电压均衡电路，均压过程无损耗、均衡速度快，提高超级电容器储能装置的整体效率。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种能量转移型超级电容器电压均衡电路，每两个相邻超级电容器单体之间连接有一个电力电子变换电路，通过采集各超级电容器单体电压并比较相邻超级电容器单体之间的电压从而控制与各超级电容器单体并联的开关管导通和关断，使能量通过电感在相邻的两个电容器间传递，最终将电压高的超级电容器单体中的能量通过电力电子变换电路转移到电压低的超级电容器单体中。所述电力电子变换电路包括电压采集器、比较器、与门电路、非门电路、电感、电力电子开关和脉冲发生器；每只超级电容器单体两端并联电压采集器，分别与相邻的两只超级电容器单体-第一超级电容器单体和第二超级电容器单体并联的第一电压采集器和第二电压采集器连接至比较器；比较器的输出端分为两路，比较器输出端一路连接第一与门电路，第一与门电路输出驱动与第一超级电容器单体并联的第一电力电子开关；比较器输出端另外一路通过非门电路后连接至第二与门电路，第二与门电路输出驱动与第二超级电容器单体并联的第二电力电子开关；第一与门电路和第二与门电路的另一输入端均连接至脉冲发生器，每两个相邻的超级电容器单体与电力电子开关回路之间共用一个电感。所述电力电子开关采用IGBT。N只电容量不同的超级电容器单体组成串联模块,连接N-1个电力电子变换电路。本专利技术的能量转移型电压均衡电路，通过电力电子变换电路将电压较高的电容器中的能量转移至相邻的电压较低的电容器中去，通过实时转换，使各超级电容器的电压处于均衡状态，当忽略转换效率时，基本不消耗能量，并且均衡速度快、可实现动态均衡，提高了超级电容器均压的效率、消除能量损耗、缩短均压时间。附图说明图1为现有的并联稳压管法均压原理图；图2为现有的开关电阻法均压原理图；图3本专利技术的电路结构图；图4本专利技术实施例充电电路结构图；图5本专利技术实施例放电电路结构图；图6具体实施例一的波形图；图7具体实施例二的波形图；图8具体实施例三的波形图。具体实施方式以下结合附图及具体实施例对本专利技术进行详细描述：本专利技术的电路结构如图3所示，在两个相邻超级电容器之间连接一个电力电子变换电路，通过比较相邻电容器之间的电压从而控制开关管的导通和关断，使能量通过电感在相邻的两个电容器间传递，最终将电压高的超级电容器中能量通过电力电子变换电路转移到电压低的超级电容器中。本专利技术的方案就是通过对相邻单体电容两端电压进行比较(C1和C2，C2和C3，……，Cn-1和Cn)，运用电力电子变换器将电压较高的电容能量转移到电压较低的电容上，最终实现电压均衡，由于电路中没有耗能型器件，基本上实现了零损耗，且均压速度快，并且在充电和放电过程中都能保证单体电压的均衡。参考图3，电力电子变换电路由电压采集器、比较器、与门电路、非门电路、电感、电力电子开关、脉冲发生器组成。每只超级电容器两端并联电压采集器，采集各单体电压，每只超级电容器单体两端并联电压采集器，分别与相邻的两只超级电容器单体-第一超级电容器单体Ca和第二超级电容器单体Cb并联的第一电压采集器Ba和第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能量转移型超级电容器电压均衡电路，其特征在于：每两个相邻超级电容器单体之间连接有一个电力电子变换电路，通过采集各超级电容器单体电压并比较相邻超级电容器单体之间的电压从而控制与各超级电容器单体并联的开关管导通和关断，使能量通过电感在相邻的两个电容器间传递，最终将电压高的超级电容器单体中的能量通过电力电子变换电路转移到电压低的超级电容器单体中。

【技术特征摘要】
1.一种能量转移型超级电容器电压均衡电路，其特征在于：每两个相邻超
级电容器单体之间连接有一个电力电子变换电路，通过采集各超级电容器单体
电压并比较相邻超级电容器单体之间的电压从而控制与各超级电容器单体并联
的开关管导通和关断，使能量通过电感在相邻的两个电容器间传递，最终将电
压高的超级电容器单体中的能量通过电力电子变换电路转移到电压低的超级电
容器单体中。
2.根据权利要求1所述的能量转移型超级电容器电压均衡电路，其特征在
于：所述电力电子变换电路包括电压采集器、比较器、与门电路、非门电路、
电感、电力电子开关和脉冲发生器；每只超级电容器单体两端并联电压采集器，
分别与相邻的两只超级电容器单体-第一超级电容器单体(Ca)和第二超级电容
器单体(Cb)并联的第一电压采集器(Ba)和第二电压采集器(Bb)连接至比
较器(COMP)；比较器(COMP)的输出端分为两路，比较...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫新育，刘水平，董海健，
申请(专利权)人：中国西电电气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61