一种用于超级电容器组的快速电压均衡电路的制作方法

本发明主要涉及电力电子变换技术领域，特别涉及一种用于超级电容器组的快速电压均衡电路。

背景技术：

超级电容器是一种新颖的储能元件，具有循环使用次数多、能量利用率较高、反应迅速等特点。超级电容器常与蓄电池结合构成混合储能系统，用于新能源发电及需要瞬时功率较大的场合。但是由于其单体电压过低，为了满足大功率储能系统他容量及电压的要求，通常是将多个超级电容器进行串并联组合，形成一个超级电容器组以供使用。但是由于单体超级电容器参数的分散性以及单体漏电流、等效串联电阻等因素的影响，使得超级电容器组件的使用寿命和可靠性都大大折扣。

常用超级电容(sc)电压均衡方法有开关电容法、电感法、稳压管法、开关电阻法、升压/降压变换器法等。但是开关电容法和电感法因存在无效能量流动会降低电压均衡速度。稳压管法和开关电阻法的原理是使用耗能型元器件来消耗过多的能量，系统存在效率较低和可靠性较差等问题。升压/降压变换器法的控制方法较复杂，成本高且不易安装。

因此，为了更好的利用超级电容器，延长其使用寿命，减低使用成本，对超级电容器组件进行均压控制具有十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明提供一种用于超级电容器组的快速电压均衡电路，用以解决上述背景技术中提出的电压均衡速度慢、能量消耗多、控制方法较复杂的技术问题。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：利用超级电容器电压均衡电路将超级电容器端电压限制在额定电压值或以下，进而避免超级电容器在额定电压值以下有较大的漏电流，最后实现超级电容器的电压均衡。

一种用于超级电容器组的快速电压均衡电路，包括多个均压电路单元，多个所述均压电路单元互相串联，且所述均压电路单元包括电解电容c1、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r9、晶体管q1、晶体管q2和稳压电源u1；

在所述均压电路单元中，所述晶体管q1和q2互相并联，控制电路对采集到的稳压芯片的基准电压u1和超级电容器均压电路单元的电压uc进行比较，通过电阻r1、r2、r3、r4和r5的分压作用，来控制晶体管q1、q2的开通及断开，将超级电容器端电压限制在额定电压值及以下，进而避免超级电容器在额定电压值及以下有较大的漏电流，最终实现均压效果。

进一步的，所述电阻r1的一端与所述晶体管q1的发射极、所述电阻r5以及直流母线正极相连，所述电阻r1的另一端与所述电阻r2、所述稳压电源u1的k端以及所述电容c1相连；

所述电阻r2的一端与所述电阻r1、所述稳压电源u1的k端以及所述电容c1相连，所述电阻r2的另一端与所述电阻r3和所述晶体管q1的基极相连；

所述电阻r3的一端与所述电阻r2以及所述晶体管的q1的基极相连，所述电阻r3的另一端与所述电阻r6、所述电阻r7、所述晶体管q2的发射极、所述稳压电源u1的a端以及直流母线负极相连；

所述电阻r4一端与所述电阻r5、所述电阻r6、所述电容c1以及所述稳压电源u1的r端相连，所述电阻r4的另一端与所述电阻r7、所述电阻r8以及所述晶体管q1的集电极相连；

所述电阻r5一端与所述电容器c1、所述电阻r4、所述电阻r6以及所述稳压电源u1的r端相连，所述电阻r5的另一端与所述电阻r1、所述电阻r9、所述电极管q1的发射极以及直流母线正极相连；

所述电阻r6的一端与所述电阻r4、r5以及所述稳压电源u1的r端相连，所述电阻r6的另一端与所述电阻r3、所述电阻r7、所述稳压电源u1的a端以及直流母线负极相连；

所述电阻r7的一端与所述电阻r4、r8以及所述晶体管q1的集电极相连，所述电阻r7另一端与所述电阻r3、所述电阻r6、所述晶体管q2的发射极、所述稳压电源u1的a端以及所述直流电源负极相连；

所述电阻r8一端与所述电阻r4、所述电阻r7以及所述晶体管q1的集电极相连，所述电阻r8的另一端与所述晶体管q2的基极相连；

所述电阻r9一端与所述电阻r1、所述电阻r5、所述晶体管q1的发射极以及直流电源正极相连，所述电阻r9另一端与所述晶体管q2的集电极相连。

进一步的，所述稳压电源u1型号为tl431,其k端（阴极）连接所述电阻r1、所述电阻r2和所述电容c1，其a端（阳极）连接所述电阻r3、电阻r7、电阻r6以及所述直流电源负极，其r端（参考极）连接在所述电阻r4和所述电阻r6的连接点与所述电阻r5和所述电容c1的连接点之间。

进一步的，所述电阻r1、所述电阻r8均为101ω；所述电阻r2为4.7kω；所述电阻r3为22kω；所述电阻r4为2.2mω；所述电阻r5为11kω；所述电阻r6为220kω；所述电阻r7为2.2kω；所述电阻r9为2.7ω。

进一步的，所述电容器c1为0.1μ。

进一步的，所述晶体管q1为npn型三极管,在此采用s9015系列晶体管；所述晶体管q2为pnp型三极管，在此采用2sd1642系列晶体管。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

（1）通过并联三极管实现多电容的动态均压功能，提高电路结构可靠性；

（2）利用电压控制电路对采集到的基准电压和均压电路单元的电压进行比较，从而控制晶体管的开通或者断开，调整均压电路单元的电压值，最终实现均压效果，具有电路结构简单、成本低，特别适用于科学研究和工业生产。

应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。

附图说明

下面的附图是本发明的说明书的一部分，其绘示了本发明的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本发明的原理。

图1为本发明的均压电路单元示意图；

图2为本发明实施例中多个均压电路单元串联电路示意图。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

实施例1，请着重参照附图1，一种用于超级电容器组的快速电压均衡电路，包括多个均压电路单元，多个所述均压电路单元互相串联，且所述均压电路单元包括电解电容c1、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r9、晶体管q1、晶体管q2和稳压电源u1；

在所述均压电路单元中，所述晶体管q1和q2互相并联，控制电路对采集到的稳压芯片的基准电压u1和超级电容器均压电路单元的电压uc进行比较，通过电阻r1、r2、r3、r4和r5的分压作用，来控制晶体管q1、q2的开通及断开，将超级电容器端电压限制在额定电压值及以下，进而避免超级电容器在额定电压值及以下有较大的漏电流，最终实现均压效果。

进一步的，所述电阻r1的一端与所述晶体管q1的发射极、所述电阻r5以及直流母线正极相连，所述电阻r1的另一端与所述电阻r2、所述稳压电源u1的k端以及所述电容c1相连；

所述电阻r2的一端与所述电阻r1、所述稳压电源u1的k端以及所述电容c1相连，所述电阻r2的另一端与所述电阻r3和所述晶体管q1的基极相连；

所述电阻r3的一端与所述电阻r2以及所述晶体管的q1的基极相连，所述电阻r3的另一端与所述电阻r6、所述电阻r7、所述晶体管q2的发射极、所述稳压电源u1的a端以及直流母线负极相连；

所述电阻r4一端与所述电阻r5、所述电阻r6、所述电容c1以及所述稳压电源u1的r端相连，所述电阻r4的另一端与所述电阻r7、所述电阻r8以及所述晶体管q1的集电极相连；

所述电阻r5一端与所述电容器c1、所述电阻r4、所述电阻r6以及所述稳压电源u1的r端相连，所述电阻r5的另一端与所述电阻r1、所述电阻r9、所述电极管q1的发射极以及直流母线正极相连；

所述电阻r6的一端与所述电阻r4、r5以及所述稳压电源u1的r端相连，所述电阻r6的另一端与所述电阻r3、所述电阻r7、所述稳压电源u1的a端以及直流母线负极相连；

所述电阻r7的一端与所述电阻r4、r8以及所述晶体管q1的集电极相连，所述电阻r7另一端与所述电阻r3、所述电阻r6、所述晶体管q2的发射极、所述稳压电源u1的a端以及所述直流电源负极相连；

所述电阻r8一端与所述电阻r4、所述电阻r7以及所述晶体管q1的集电极相连，所述电阻r8的另一端与所述晶体管q2的基极相连；

所述电阻r9一端与所述电阻r1、所述电阻r5、所述晶体管q1的发射极以及所述直流电源正极相连，所述电阻r9另一端与所述晶体管q2的集电极相连。

所述稳压电源u1型号为tl431,其k端（阴极）连接所述电阻r1、所述电阻r2和所述电容c1，其a端（阳极）连接所述电阻r3、电阻r7、电阻r6以及所述直流电源负极，其r端（参考极）连接在所述电阻r4和所述电阻r6的连接点与所述电阻r5和所述电容c1的连接点之间。

所述电阻r1、所述电阻r8均为101ω；所述电阻r2为4.7kω；所述电阻r3为22kω；所述电阻r4为2.2mω；所述电阻r5为11kω；所述电阻r6为220kω；所述电阻r7为2.2kω；所述电阻r9为2.7ω。

所述电容器c1为0.1μ。

所述晶体管q1为npn型三极管,在此采用s9015系列晶体管；所述晶体管q2为pnp型三极管，在此采用2sd1642系列晶体管。

实施例2，请着重参照附图2，多个均压电路可以串联起来，构成超级电容器串联的均压电路。当多个所述均压电路单元串联时，

第一个所述均压电路单元所述均压电路单元包括电解电容c1、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r9、晶体管q1、晶体管q2和稳压电源u1；

第二个所述均压电路单元包括电解电容c12、电阻r12、电阻r22、电阻r32、电阻r42、电阻r52、电阻r62、电阻r72、电阻r82、电阻r92、晶体管q12、晶体管q22和稳压电源u12；

第n个所述均压电路单元包括电解电容c1n、电阻r1n、电阻r2n、电阻r3n、电阻r4n、电阻r5n、电阻r6n、电阻r7n、电阻r8n、电阻r9n、晶体管q1n、晶体管q2n和稳压电源u1n；

多个均压电路共同工作，实现多个超级电容器串联时的电压均衡，电路结构简单、成本低。

本发明的工作原理：

(1)在均压电路单元中，tl431稳压芯片的内部含有一个2.5v的基准电压，所以当在超级电容两端电压超过额定标称电压时，通过电阻r1对超级电容单体放电，使超级电容单体间电压均衡；

(2)超级电容器电压经电阻r5、r6分压送到u1的r端，当这个分压的电压值在2.5v以下时，稳压电源u1的k端相当于开路，此时大约有400ua的漏电流，且在电阻r1上基本不产生附加压降，因此，电阻r1、r2、r3在晶体管q1基极上的分压使得晶体管q1不导通，从而使晶体管q2不导通，该电路处于静止（高阻）状态；

(3)当电阻r5、r6分压点的电压值等于2.5v时，由于晶体管q1内部放大作用，使稳压电源u1的k端电压下降，此时可拉电流在100ma以上，同时使电阻r1上产生最大值为uc-2v的压差，通常这时对应的uc为2.7v，使晶体管q1导通进入放大状态，并驱动晶体管q2导通进入放大状态；即由于该电路的ur端电压与晶体管q2集电极电流的跨导非常大，当稳压电源u1的r端所接的分压网络与晶体管q2集电极所接的电阻r9连于同一点时，该电路的特性与稳压二极管特性类似，在一定程度上将端电压限制在“稳压值”以下，保证了超级电容器在充电时不会过电压。

综上所述，本发明设计合理，使用方便，通过并联三极管实现多电容的动态均压功能，提高电路结构可靠性；

利用电压控制电路对采集到的基准电压和均压电路单元的电压进行比较，从而控制晶体管的开通或者断开，调整均压电路单元的电压值，最终实现均压效果，具有电路结构简单、成本低，特别适用于科学研究和工业生产。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，在不脱离本发明的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。