一种串联超级电容组充电均衡电路及其均衡方法与流程

本发明涉及电池电源管理领域，具体涉及一种串联超级电容组充电均衡电路及其均衡方法。

背景技术：

超级电容器是一种利用双电层原理直接储存电能的新型储能原件，其容量范围一般从几法拉到数万法拉，具有非常高的功率密度，并且还具有体积小、充放电速度快、使用寿命长、工作温度范围宽、低温性能好和可靠性高等优点，已被广泛应用于电动汽车、机车制动能量回收系统、坦克低温启动、大功率激光武器电力系统等领域。但是由于超级电容器单体电容工作电压较低(一般约为2.7V)，在实际应用中通常需要将多个单体串联使用，以满足电压电流要求。然而由于制造工艺的差别，单体电容的电容量、等效串联阻抗、漏电流等参数存在一定差异，使得串联超级电容器组在充电过程中，各单体电容电压变化速度不同，即在充电过程中，同一串联组中有的单体电压上升快，有的单体电压上升慢，从而导致有的单体先充满，如继续充电就会产生过充现象，使能量不能完全利用而且严重损害了超级电容的使用寿命。因此，在实际应用中需要在串联超级电容组添加均衡电路进行电压均衡。

现有的超级电容组均衡电路主要有两类：一类是能量消耗型，常见的是稳压管型和开关电阻型；这两种电路的结构简单，成本低，但却存在能量以热能的形式浪费的缺陷，不适合中大功率的应用。另一类是能量转移型，主要包括开关电容法、带隔离变压器的DC-DC变换器、Buck/Boost变换器法、单飞渡电容法等。其中，开关电容的均衡速度取决于所有串联超级电容的均衡速度，且在能量的传递过程中要经过其他超级电容单体；Buck/Boost变换器中开关管和电感较多，当串联单体较多或相邻单体电压差不大时，由于能量不是从最高直接流到最低，而是逐级流动，会导致均衡速度下降，并增加能量损耗；带隔离变压器的DC-DC变换存在磁路复杂、体积较大、绕组不易扩充的问题；单飞渡电容法可以直接将能量从最高单体转移到最低单体，但中间飞渡电容与储能单体相比容量有限，导致均衡时间较长，且能量经过中间飞渡电容也会有一定的损耗。

技术实现要素：

本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种串联超级电容组充电均衡电路及其均衡方法。本发明均衡电路属于能量转移型，当检测到串联超级电容组中的最低和最高单体电压时，主控器控制开关网络中开关的关断或导通，使能量直接从高电压单体向低电压单体转移而不经过中间的暂存器件；相比现有的均衡电路，有效减小了能量损失和器件数量，结构更简单，易于实现模块化。

本发明的技术方案如下：

一种串联超级电容组充电均衡电路，包括含主控单元、电压比较单元、AD控制单元和开关控制单元的主控器FPGA，AD转换模块，超级电容组及其开关网络；所述超级电容组包括n个串联的超级电容单体(n≥3)，所述开关网络包括位于相邻超级电容单体之间的串联开关、与超级电容单体正极相连的正极开关和与超级电容单体负极相连的负极开关，所有正极开关的一端连接各超级电容单体的正极，另一端连接在一起，所有负极开关的一端连接各超级电容单体的负极，另一端连接在一起；

主控器FPGA通过AD控制单元向AD转换模块发出驱动信号，AD转换模块采集超级电容单体的电压，传输到主控器FPGA的AD控制单元，AD控制单元将采集的数据传递到电压比较单元，电压比较单元对各个单体的电压大小进行排序，得到电压最大的单体电容和电压最小的单体电容；主控器FPGA中的开关控制单元控制开关网络，断开电压最大的单体电容和电压最小的单体电容之间的任一串联开关，同时闭合电压最大的单体电容对应的正极开关和负极开关，闭合电压最小的单体电容对应的正极开关和负极开关，此时电压最大的单体电容和电压最小的单体电容串联，即可实现能量从最高电压单体向最低电压单体的转移，实现电压均衡的目的。

进一步地，所述串联开关为n-MOSFET开关，每个串联开关由一对带续流二极管的n-MOSFET串联得到，一对带续流二极管的n-MOSFET中第一个n-MOSFET开关的源极与第二个n-MOSFET开关的漏极相连，两者的栅极连接在一起。

进一步地，所述正极开关为n-MOSFET开关，每个正极开关由一对带续流二极管的n-MOSFET串联得到，一对带续流二极管的n-MOSFET中第一个n-MOSFET开关的源极与第二个n-MOSFET开关的漏极相连，两者的栅极连接在一起。

进一步地，所述负极开关为n-MOSFET开关，每个负极开关由一对带续流二极管的n-MOSFET串联得到，一对带续流二极管的n-MOSFET中第一个n-MOSFET开关的源极与第二个n-MOSFET开关的漏极相连，两者的栅极连接在一起。

进一步地，所述串联开关、正极开关和负极开关均由方波信号控制。

进一步地，同一个超级电容单体两端的正极开关和负极开关由相同的时序控制；即第一个超级电容单体对应的第一正极开关和第一负极开关由相同的时序控制，第二个超级电容单体对应的第二正极开关和第二负极开关由相同的时序控制，…，第n个超级电容单体对应的第n正极开关和第n负极开关由相同的时序控制。

进一步地，所述串联开关常态时都是导通的，即第一串联开关、第二串联开关…第(n-1)串联开关在均衡电路未开启时都处于导通状态，只有在进行均衡时，由FPGA主控器输出控制信号断开电压最大的单体电容和电压最小的单体电容之间的任意一个串联开关，以防止产生额外相反电流流通路径，使中间单体电压下降。

进一步地，所述正极开关和负极开关常态时都是断开的，只有在进行均衡时，由FPGA主控器输出控制信号闭合电压最大的单体电容对应的正极开关和负极开关，闭合电压最小的单体电容对应的正极开关和负极开关，使电压最大的单体电容和电压最小的单体电容串联，即可实现能量从最高电压单体向最低电压单体的转移。

基于上述串联超级电容组充电均衡电路，本发明还提供了一种串联超级电容组充电均衡方法，具体包括以下步骤：

步骤1、主控器FPGA通过AD控制单元向AD转换模块发出驱动信号，AD转换模块采集超级电容单体的电压，传输到主控器FPGA的AD控制单元，AD控制单元将采集的数据传递到电压比较单元，电压比较单元对各个单体的电压大小进行排序，得到电压最大的单体电容和电压最小的单体电容；

步骤2、主控器FPGA中的开关控制单元控制开关网络，断开电压最大的单体电容和电压最小的单体电容之间的任一串联开关，同时闭合电压最大的单体电容对应的正极开关和负极开关，闭合电压最小的单体电容对应的正极开关和负极开关，此时电压最大的单体电容和电压最小的单体电容串联，即可实现能量从最高电压单体向最低电压单体的转移，实现电压均衡的目的。

本发明的有益效果为：

本发明提供的串联超级电容组充电均衡电路在均衡过程中，能量不经过其他中间器件而是直接从电压最大的单体电容转移到电压最小的单体电容，减小了能量损失和器件数量；同时均衡电路中仅采用开关器件，电路结构简单，更易实现模块化。

附图说明

图1为本发明提供的串联超级电容组充电均衡电路的示意图；

图2为本发明提供的串联超级电容组充电均衡电路中超级电容组及其开关网络的工作原理图；

图3为由一对漏源相接的带续流二极管的n-MOSFET构成的正极/负极开关(a)和由一对漏源相接的带续流二极管的n-MOSFET构成的串联开关(b)；

图4为本发明实施例的串联超级电容组充电均衡电路中超级电容组及其开关网络的工作原理图；

图5为本发明实施例的串联超级电容组充电均衡电路的仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

如图1所示，为本发明提供的一种串联超级电容组充电均衡电路，包括含主控单元、电压比较单元、AD控制单元和开关控制单元的主控器FPGA，AD转换模块，超级电容组及其开关网络。所述超级电容组包括n个串联的超级电容单体(n≥3)；所述开关网络包括位于相邻超级电容单体之间的串联开关、与超级电容单体正极相连的正极开关和与超级电容单体负极相连的负极开关；其中，第一个超级电容单体负极与第二个超级电容单体正极之间为第一串联开关，第二个超级电容单体负极与第三个超级电容单体正极之间为第二串联开关，…，第(n-1)个超级电容单体负极与第n个超级电容单体正极之间为第(n-1)串联开关；第一个超级电容单体正极连接第一正极开关，负极连接第一负极开关，…，第n个超级电容单体正极连接第n正极开关，负极连接第n负极开关；所有正极开关的一端连接对应的超级电容单体的正极，另一端连接在一起，所有负极开关的一端连接对应的超级电容单体的负极，另一端连接在一起。

主控器FPGA通过AD控制单元向AD转换模块发出驱动信号，AD转换模块采集超级电容单体的电压，传输到主控器FPGA的AD控制单元，AD控制单元将采集的数据传递到电压比较单元，电压比较单元对各个单体的电压大小进行排序，得到电压最大的单体电容和电压最小的单体电容；主控器FPGA中的开关控制单元控制开关网络，断开电压最大的单体电容和电压最小的单体电容之间的任一串联开关，同时闭合电压最大的单体电容对应的正极开关和负极开关，闭合电压最小的单体电容对应的正极开关和负极开关，此时电压最大的单体电容和电压最小的单体电容串联，即可实现能量从最高电压单体向最低电压单体的转移，实现电压均衡的目的。主控器FPGA实时检测各个超级电容单体的电压，选出某一时刻新的电压最大单体和电压最小单体，重复上述步骤，最终实现串联超级电容各个单体电压的均衡。

进一步地，均衡电路未启动时，所有串联开关，包括第一串联开关、第二串联开关、…、第(n-1)串联开关都保持导通状态，使所有储能单体以串联的形式进行充放电，只有检测到单体电压差异而启动均衡电路时主控器才会相应断开电压最大的单体电容和电压最小的单体电容之间的任意一个串联开关，以防止产生额外相反电流流通路径，使中间单体电压下降。

进一步地，均衡电路未启动时，所有超级电容单体两端连接的正极开关和负极开关都处于关断状态，只有检测到单体电压差异而启动均衡电路时，主控器才会闭合电压最大的单体电容对应的正极开关和负极开关，闭合电压最小的单体电容对应的正极开关和负极开关，使电压最大的单体电容和电压最小的单体电容串联，即可实现能量从最高电压单体向最低电压单体的转移。

实施例

下面以3个超级电容单体串联的超级电容组的均衡为例，详细阐述本发明的均衡过程，图4为3个超级电容单体串联的超级电容组及其开关网络的工作原理图。其中，三个超级电容单体SC1、SC2、SC3中SC1电压最大，SC2次之，SC3电压最小。

主控器FPGA通过AD控制单元向AD转换模块发出驱动信号，AD转换模块采集超级电容单体的电压，传输到主控器FPGA的AD控制单元，AD控制单元将采集的数据传递到电压比较单元，电压比较单元对各个单体的电压大小进行排序，得到电压最大的单体电容SC1和电压最小的单体电容SC3；然后主控器FPGA中的开关控制单元控制开关网络，使第一正极开关、第一负极开关、第三正极开关、第三负极开关导通，同时断开第一串联开关或第二串联开关，此时，超级电容单体SC1与SC3串联导通(电路导通路径如图4所示)，电流由电压高的单体SC1流向电压低的单体SC3，一段时间后，超级电容单体SC1、SC3两者电压逐渐趋于一致。主控器FPGA实时检测超级电容单体的电压，不断选出新的电压最大和电压最小的单体电容，通过对开关网络的控制，使电压最大的单体和电压最小的单体始终串联相接，能量从电压最大的单体流向电压最小的单体，最终达到电压均衡的目的。

本实施例中，开关网络中的各串联开关、正极开关和负极开关均由一对带续流二极管的n-MOSFET串联得到，其工作频率是10KHz，且是占空比为0.5的方波。

图5为本发明实施例的串联超级电容组充电均衡电路的仿真结果；3个串联的超级电容单体分别为SC1、SC2、SC3，其容量依次为300f、310f、320f，初始电压依次为1.6V、1.2V、0.8V，假设各超级电容单体上限电压为3.0V，可看到经过大约35s，充电结束，结束时各单体间最大电压差仅为0.14V，电压差值很小，且经过一段时间各单体间的电压差还会进一步降低，有效减少均衡过程中的能量损失。

本发明串联超级电容组充电均衡电路在均衡过程中，能量直接从电压最大的单体电容转移到电压最小的单体电容，不经过中间飞渡电容等其他中间器件进行能量暂存，有效减小了能量损失，同时电路结构简单，更易模块化。