CN103001297A - 一种串联电容器组谐振式电压均衡充电方法及其*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种串联电容器组谐振式电压均衡充电方法及其***，所述方法包括使用直流充电电源给串联电容器组充电；串联电容器组中的每个电容器单体并联的电压均衡单元包括共用LC串联结构的降压缓冲和电能释放模块，互补导通的缓冲开关G1和释放开关G2的源极和漏极之间分别并联电容。将端电压增长最慢的电容器单体连接在直流充电电源的负极。所述***包括串联电容器组和直流充电电源；每个电容器单体的两端并联电压均衡单元；电压均衡单元包括电压检测单元、脉冲调制单元、互补驱动单元、缓冲开关、释放开关、LC串联储能单元。本发明可防止电容器串联充电过程中的电容器单体端电压不均衡现象，且具有能耗低、结构可扩展性强的特点。

Description

一种串联电容器组谐振式电压均衡充电方法及其***
技术领域
本发明涉及一种串联电容器组谐振式电压均衡充电方法及其***。
背景技术
超级电容是一种利用双电层原理实现的新型储能元件，单体容量不仅可达数万法拉，同时具有循环寿命长、温度范围宽、充放电速度快、绿色环保等优点，由于超级电容单体的额定电压较低，因此在实际应用过程需要将多个单体串联，以满足容量及工作电压等级的现场需要。然而由于生产材料及制造工艺等的限制，即使标称参数完全一致的单体，其实际的等效串联内阻、容量、充放电速率等参数一般会存在显著的差异，因此在多超级电容串联使用过程中，个体的端电压会呈现典型的不均衡性，这种现象不仅降低了能量的存储效率，同时可能导致单体的过充发生，严重影响了超级电容的使用寿命和可靠性。 
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种保持串联电容器组中每个电容器单体的充电电压均衡的、能够延长电容器单体的使用寿命的、节能效果显著的串联电容器组谐振式电压均衡充电方法及其***。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现：
所述方法包括使用直流充电电源给串联电容器组充电；串联电容器组中的每个电容器单体并联电压均衡单元；在电压均衡单元中：
（1）具有RLC串联电路的降压缓冲模块：由缓冲开关G1和LC串联储能单元中的电感器L、电容器C构成，该RLC串联电路工作于欠阻尼状态，其中R为G1、L和C的等效电阻总和；
（2）具有RLC串联电路的电能释放模块：由释放开关G2和LC串联储能单元中的电感器L、电容器C构成，RLC串联电路工作于欠阻尼状态，其中R为G2、L和C的等效电阻总和，G2的电气特性与G1相同，等效内阻也相等；
（3）缓冲开关G1和释放开关G2工作在互补导通状态，开关周期及占空比与RLC串联电路的谐振频率一致；
（4）缓冲开关G1和释放开关G2的源极和漏极之间分别并联电容，结合各自所在RLC串联电路的谐振特性，使缓冲开关G1和释放开关G2工作在软开关状态，降低开关能量损耗；
（5）当电容器单体的端电压超过给定阀值时，电压均衡单元中的电压检测单元输出高电平，电压均衡单元中的脉冲调制单元输出具有一定周期和占空比的方波，通过互补驱动单元驱动缓冲开关G1和释放开关G2互补导通或者截止；当电容器单体的端电压低于给定阀值时，电压检测单元输出低电平，脉冲调制单元一直输出低电平信号，此时缓冲开关G1处于截止状态，释放开关G2处于导通状态。
将端电压增长最慢的电容器单体连接在直流充电电源的负极，该级电容器单体并联的电压均衡单元的电压检测单元一直输出低电平，脉冲调制单元一直输出低电平信号，此时G1一直截止，G2一直导通，能够进一步降低整个电压均衡充电***的能耗。
所述***包括串联电容器组和直流充电电源；串联电容器组中的每个电容器单体的两端并联电压均衡单元；所述电压均衡单元包括电压检测单元、脉冲调制单元、互补驱动单元、缓冲开关、释放开关、LC串联储能单元；电压检测单元的输入端连接在电容器单体的两端，电压检测单元的输出端连接脉冲调制单元，脉冲调制单元连接互补驱动单元，互补驱动单元的两个输出端分别连接缓冲开关和释放开关，LC串联储能单元与释放开关和缓冲开关连接，分别构成RLC降压释放电路和RLC电能储存电路。
所述电压检测单元采用BL8506集成芯片；互补驱动单元采用TPS28225集成芯片；缓冲开关G1和释放开关G2均采用Mosfet开关管。
根据对应的RLC串联电路所决定的共振周期、电流及电压过零特性和电气特性，每个Mosfet开关管的源极和漏极间并联一个电容，确保Mosfet开关管工作在软开关状态，降低Mosfet开关管的开关损耗。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：能够保持串联电容器组中每个电容器单体的充电电压均衡，能够有效地延长电容器单体的使用寿命，能量损耗低，节能效果显著，结构可扩展性强。
附图说明
图1为本发明***一实施例电气原理框图；
图2为1的电压均衡单元一实施例的主电路图；
图中：1-电容器单体，2-电压均衡单元。.
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
所述方法包括使用直流充电电源给串联电容器组充电；串联电容器组中的每个电容器单体1并联电压均衡单元；在电压均衡单元中：
（1）具有RLC串联电路的降压缓冲模块：由缓冲开关G1和LC串联储能单元中的电感器L、电容器C构成，该RLC串联电路工作于欠阻尼状态，其中R为G1、L和C的等效电阻总和；
（2）具有RLC串联电路的电能释放模块：由释放开关G2和LC串联储能单元中的电感器L、电容器C构成，RLC串联电路工作于欠阻尼状态，其中R为G2、L和C的等效电阻总和，G2的电气特性与G1相同，等效内阻也相等；
（3）缓冲开关G1和释放开关G2工作在互补导通状态，开关周期及占空比与RLC串联电路的谐振频率一致；
（4）缓冲开关G1和释放开关G2的源极和漏极之间分别并联电容，结合各自所在RLC串联电路的谐振特性，使缓冲开关G1和释放开关G2工作在软开关状态，降低开关能量损耗；
（5）当电容器单体1的端电压超过给定阀值时，电压均衡单元中的电压检测单元输出高电平，电压均衡单元中的脉冲调制单元输出具有一定周期和占空比的方波，通过互补驱动单元驱动缓冲开关G1和释放开关G2互补导通或者截止；当电容器单体（1）的端电压低于给定阀值时，电压检测单元输出低电平，脉冲调制单元一直输出低电平信号，此时缓冲开关G1处于截止状态，释放开关G2处于导通状态。
将端电压增长最慢的电容器单体1连接在直流充电电源的负极，该级电容器单体1并联的电压均衡单元的电压检测单元一直输出低电平，脉冲调制单元一直输出低电平信号，此时G1一直截止，G2一直导通，能够进一步降低整个电压均衡充电***的能耗。
所述***包括串联电容器组和直流充电电源；串联电容器组中的每个电容器单体1的两端并联电压均衡单元2；所述电压均衡单元2包括电压检测单元、脉冲调制单元、互补驱动单元、缓冲开关、释放开关、LC串联储能单元；电压检测单元的输入端连接在电容器单体1的两端，电压检测单元的输出端连接脉冲调制单元，脉冲调制单元连接互补驱动单元，互补驱动单元的两个输出端分别连接缓冲开关和释放开关，LC串联储能单元与释放开关和缓冲开关连接，分别构成RLC降压释放电路和RLC电能储存电路。
所述电压检测单元采用BL8506集成芯片；互补驱动单元采用TPS28225集成芯片；缓冲开关G1和释放开关G2均采用Mosfet开关管。
根据对应的RLC串联电路所决定的共振周期、电流及电压过零特性和电气特性，每个Mosfet开关管的源极和漏极间并联一个电容，确保Mosfet开关管工作在软开关状态，降低Mosfet开关管的开关损耗。
***的实施例：
参见附图3，所述***主要由串联电容器组、直流充电电源和电压均衡单元2组成；串联电容器组中的每个电容器单体1的两端并联电压均衡单元2；所述电压均衡单元2包括BL8506集成芯片的电压检测单元、TPS28225集成芯片的互补驱动单元、Mosfet开关管G1的缓冲开关、Mosfet开关管G2的释放开关、LC电路的LC串联储能模块；电压检测单元的输入端连接在电容器单体1的两端，电压检测单元的输出端顺序连接555集成芯片的脉冲调制单元和TPS28225集成芯片的互补驱动单元，互补驱动单元的两个输出端分别连接G1和G2，G1和G2的源极和漏极间分别并联电容C1和C2；LC串联储能单元与G2组成对LC串联储能单元的C进行放电的RLC释放电路；LC串联储能单元与G1组成对LC串联储能单元的C进行充电的RLC缓冲电路。
***实施例的工作原理：
在直流充电电源DC给串联电容器组充电的过程中，流经每个电容器单体1的电流是相同的，由于电容器单体1的个体内阻值的存在差异，每个电容器单体1分配的电压不是相同的。当某级电容器单体1的电压均衡单元2的BL8506集成芯片的电压检测模块检测到其端电压超出设定的阀值时，BL8506集成芯片的输出端输出高电平，驱使555集成芯片的振荡模块，555集成芯片输出具有特定频率及占空比的控制信号，经TPS28225集成芯片的互补驱动产生开关驱动信号并控制G1、G2互补导通。当G1导通G2截止时，电容器单体1通过G1、L向LC串联储能单元中的电容器C充电并使得本级电容器单体1的端电压下降；G1截止时G2导通，LC串联储能单元中的电容器C通过L、G2向下一串联电容器单体放电，放电的结果是提高了本级电容器单体1的B端的电位，即提高了下级电容器单体1的A端的电位。电压均衡单元2充分利用了RLC回路的谐振特性，当谐振电流或电压过零时开关管才完成导通或截止动作。同时Mosfet开关管G1、G2分别并联的电容C1、C2可有效确保零电压截至，而串联的小电感L可有效确保Mosfet开关管零电流导通，以上措施实现了软开关功能，可有效降低Mosfet开关管的开关损耗，提高旁路分流降压的***效率。
另外，电压均衡策略在本质上是过压保护策略，即在串联电容器组的充电过程中，只有在充电过程即将结束或者由于串联电容器单体1的实际参数偏差过大的原因导致某个体的端电压超过给定阀值的情况下，对应的电压均衡单元2才会工作，同时结合软开关技术，可实现串联电容器组的低能耗过压降压保护策略。
本发明不仅通过两个关联的欠阻尼RLC串联电路实现了串联电容器的充电电压均衡,同时配合驱动信号时序等使开关管工作在软开关状态,有效降低了开关损耗并具有良好的结构可扩展性。

Claims (5)

1.一种串联电容器组谐振式电压均衡充电方法，所述方法包括使用直流充电电源给串联电容器组充电；串联电容器组中的每个电容器单体（1）并联电压均衡单元；其特征在于：在电压均衡单元中：
（1）具有RLC串联电路的降压缓冲模块：由缓冲开关G1和LC串联储能单元中的电感器L、电容器C构成，该RLC串联电路工作于欠阻尼状态，其中R为G1、L和C的等效电阻总和；
（2）具有RLC串联电路的电能释放模块：由释放开关G2和LC串联储能单元中的电感器L、电容器C构成，RLC串联电路工作于欠阻尼状态，其中R为G2、L和C的等效电阻总和，G2的电气特性与G1相同，等效内阻也相等；
（3）缓冲开关G1和释放开关G2工作在互补导通状态，开关周期及占空比与RLC串联电路的谐振频率一致；
（4）缓冲开关G1和释放开关G2的源极和漏极之间分别并联电容，结合各自所在RLC串联电路的谐振特性，使缓冲开关G1和释放开关G2工作在软开关状态，降低开关能量损耗；
（5）当电容器单体（1）的端电压超过给定阀值时，电压均衡单元中的电压检测单元输出高电平，电压均衡单元中的脉冲调制单元输出具有一定周期和占空比的方波，通过互补驱动单元驱动缓冲开关G1和释放开关G2互补导通或者截止；当电容器单体（1）的端电压低于给定阀值时，电压检测单元输出低电平，脉冲调制单元一直输出低电平信号，此时缓冲开关G1处于截止状态，释放开关G2处于导通状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：将端电压增长最慢的电容器单体（1）连接在直流充电电源的负极，该级电容器单体（1）并联的电压均衡单元的电压检测单元一直输出低电平，脉冲调制单元一直输出低电平信号，此时G1一直截止，G2一直导通，能够进一步降低整个电压均衡充电***的能耗。
3.一种适用于权利要求1或2所述方法的串联电容器组谐振式电压均衡充电***，所述***包括串联电容器组和直流充电电源；串联电容器组中的每个电容器单体（1）的两端并联电压均衡单元（2）；其特征在于：所述电压均衡单元（2）包括电压检测单元、脉冲调制单元、互补驱动单元、缓冲开关、释放开关、LC串联储能单元；电压检测单元的输入端连接在电容器单体（1）的两端，电压检测单元的输出端连接脉冲调制单元，脉冲调制单元连接互补驱动单元，互补驱动单元的两个输出端分别连接缓冲开关和释放开关，LC串联储能单元与释放开关和缓冲开关连接，分别构成RLC降压释放电路和RLC电能储存电路。
4.根据权利要求3所述的***，其特征在于：所述电压检测单元采用BL8506集成芯片；互补驱动单元采用TPS28225集成芯片；缓冲开关G1和释放开关G2均采用Mosfet开关管。
5.根据权利要求4所述的***，其特征在于：根据对应的RLC串联电路所决定的共振周期、电流及电压过零特性和电气特性，每个Mosfet开关管的源极和漏极间并联一个电容，确保Mosfet开关管工作在软开关状态，降低Mosfet开关管的开关损耗。
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