CN205489590U - 一种防电流反灌的超级电容均衡电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开并提供了一种防电流反灌的超级电容均衡电路，它包括充电器、若干个超级电容和与之数量对应的DC/DC变换器、取样电路、控制器、防电流反灌装置，DC/DC变换器可实现单、双向变换，实现电容组内能量转移，把能量富余电容的能量转移到能量欠缺电容中，极大改善电容组的性能；防电流反灌装置包括变压器（T1）、晶体管Ⅰ（Q1）、晶体管Ⅱ（Q2）、晶体管Ⅲ（Q3）、电阻Ⅰ（R1）、电阻Ⅱ（R2）、阻Ⅲ（R3）、二极管（D1）、电容Ⅰ（C1）、电容Ⅱ（C2）、电感（L1）、集成电路（U1A）、同步整流控制电路、控制电路，本实用新型克服了超级电容充电充满后电压值高过充电电压时发生电流反灌的缺陷。

Description

一种防电流反灌的超级电容均衡电路

技术领域

本实用新型涉及超级电容均衡控制技术，尤其涉及一种防电流反灌的超级电容均衡电路。

背景技术

超级电容作为能量存储的一种方式，有其优越性，如：可大电流充、放电，能提供超大功率输出等。在使用中，由于单节电容电压较低，一般是多节电容串联成电容组使用。但由于生产工艺的限制，每节电容的容量很难做到完全一致，即使在出厂时进行严格配对，在使用过程中亦会造成容量的改变，如果不进行均衡保护，个别电容的性能劣化会造成整组电容性能下降，甚至于无法使用，因此在电容组的应用中需优先考虑均衡保护。现有的技术是采用电阻放电方式进行均衡，但在功率较大时此种方式不宜采用：一是电阻发热量大，会造成设备整体温升偏高，严重降低可靠性；二是能量损耗，减少了电容组的实际使用容量，且不节能不环保。

因此，我公司开发了一种新的技术，能够采用电容组内能量转移方式，把能量富余电容的能量近乎无损地转移到能量欠缺电容中，极大改善电容组的性能，有效解决超级电容组的均衡应用难题。但是该技术方案存在着电容充电充满后电压值高过充电电压时发生电流反灌的缺陷。

实用新型内容

本实用新型所要解决的问提是克服现有技术的不足，提供一种防电流反灌的超级电容均衡电路。

本实用新型的技术方案是：一种超级电容均衡电路，它包括充电器、若干个超级电容和与之数量对应的DC/DC变换器、取样电路、控制器，所述若干个超级电容依次串联后连接所述充电器的直流输出端，所述充电器的直流输出端还连接所述取样电路，所述取样电路连接各个超级电容的两端，所述DC/DC变换器的各输出端依次对应连接所述各超级电容的两端，所述DC/DC变换器的各输入端并联后与所述充电器的直流输出端连接，所述控制器的输入端连接所述取样电路，所述控制器的输出端连接所述DC/DC变换器的各控制输入端，它还包括防电流反灌装置，所述防电流反灌装置与所述控制器电连接。

所述防电流反灌装置包括变压器、晶体管Ⅰ、晶体管Ⅱ、晶体管Ⅲ、电阻Ⅰ、电阻Ⅱ、电阻Ⅲ、二极管、电容Ⅰ、电容Ⅱ、电感、集成电路、同步整流控制电路、控制电路，所述变压器的一次侧与所述控制器连接，所述变压器二次侧的一端与电路共地端连接，所述变压器二次侧的另一端连接所述晶体管Ⅰ的漏极，所述晶体管Ⅰ的源极与所述晶体管Ⅱ的源极、所述电感的一端连接，所述晶体管Ⅱ的漏极连接电路共地端，所述晶体管Ⅰ、晶体管Ⅱ的栅极连接所述同步整流控制电路，所述电感的另一端连接所述电容Ⅰ的一端、所述晶体管Ⅲ的漏极，所述电容Ⅰ的另一端连接电路共地端，所述晶体管Ⅲ的源极连接所述电容Ⅱ的一端，所述电容Ⅱ的另一端连接电路共地端，所述电阻Ⅰ并联在所述晶体管Ⅲ的源极与漏极间，所述控制电路分别连接所述晶体管Ⅲ的源极、漏极、栅极，所述集成电路的第1脚连接所述二极管的正极为控制器使能连接点，所述二极管的负极连接所述电阻Ⅲ的一端，所述电阻Ⅲ的另一端连接所述所述集成电路的第3脚、所述电阻Ⅱ的一端，所述电阻Ⅱ的另一端连接所述晶体管Ⅲ的源极，所述集成电路的第2脚为VREF接点，所述晶体管Ⅲ的源极为VO接点。

所述DC/DC变换器经所述控制器控制可以是单向变换，亦可以是双向变换，当所述各超级电容中的某个或某几个电压低于下限定值时，所述DC/DC变换器以单向变换形式向这些超级电容充电，当所述各超级电容中的某个或某几个电压高于上限定值时，所述DC/DC变换器以双向变换形式对这些超级电容放电，在双向变换形式下，所述DC/DC变换器对上述充电和放电作业可同时进行。

所述DC/DC变换器开关机控制可以是模拟方式，亦可以是数字总线方式。

所述若干个超级电容中的各超级电容可以是单个超级电容，也可以是多个超级电容组合成的超级电容组。

本实用新型的有益效果是：由于本实用新型它包括充电器、若干个超级电容和与之数量对应的DC/DC变换器、取样电路、控制器，所述若干个超级电容依次串联后连接所述充电器的直流输出端，所述充电器的直流输出端还连接所述取样电路，所述取样电路连接各个超级电容的两端，所述DC/DC变换器的各输出端依次对应连接所述各超级电容的两端，所述DC/DC变换器的各输入端并联后与所述充电器的直流输出端连接，所述控制器的输入端连接所述取样电路，所述控制器的输出端连接所述DC/DC变换器的各控制输入端。所述DC/DC变换器经所述控制器控制可以是单向变换，亦可以是双向变换，当所述各超级电容中的某个或某几个电压低于下限定值时，所述DC/DC变换器以单向变换形式向这些超级电容充电，当所述各超级电容中的某个或某几个电压高于上限定值时，所述DC/DC变换器以双向变换形式对这些超级电容放电，在双向变换形式下，所述DC/DC变换器对上述充电和放电作业可同时进行，实现电容中任何能量富余电容的能量向能量欠缺电容的近乎无损转移。而且本实用新型中增加了与所述控制器相连接的所述防电流反灌装置，极大地稳定了该设备的性能，是一种有效解决超级电容组的均衡应用难题并能防止电流反灌的超级电容均衡控制电路。

附图说明

图1是本实用新型电路结构方框示意图；

图2是本实用新型防电流反灌装置电路原理示意图；

图3是本实用新型充电曲线图；

图4是本实用新型另一充电曲线图。

具体实施方式

如图1至图4所示，本实用新型它包括充电器、若干个超级电容C1、C2、C3、……、Cn和与之数量对应的DC/DC变换器D1、D2、D3、……、Dn、取样电路、控制器，所述若干个超级电容C1、C2、C3、……、Cn依次串联后连接所述充电器的直流输出端，所述充电器的直流输出端还连接所述取样电路，所述取样电路连接各个超级电容C1、C2、C3、……、Cn的两端，所述DC/DC变换器D1、D2、D3、……、Dn的各输出端依次对应连接所述各超级电容C1、C2、C3、……、Cn的两端，所述DC/DC变换器D1、D2、D3、……、Dn的各输入端并联后与所述充电器的直流输出端连接，所述控制器的输入端连接所述取样电路，所述控制器的输出端连接所述DC/DC变换器D1、D2、D3、……、Dn的各控制输入端。所述DC/DC变换器经所述控制器控制可以是单向变换，也可以是双向变换，当所述各超级电容C1、C2、C3、……、Cn中的某个或某几个电压低于下限定值时，所述DC/DC变换器以单向变换形式向这些超级电容充电，当所述各超级电容C1、C2、C3、……、Cn中的某个或某几个电压高于上限定值时，所述DC/DC变换器以双向变换形式对这些超级电容放电，在双向变换形式下，所述DC/DC变换器对上述充电和放电作业可同时进行，实现实现电容中任何能量富余电容的能量向能量欠缺电容的近乎无损转移，它还包括防电流反灌装置，所述防电流反灌装置与所述控制器电连接。

所述防电流反灌装置包括变压器T1、晶体管ⅠQ1、晶体管ⅡQ2、晶体管ⅢQ3、电阻ⅠR1、电阻ⅡR2、电阻ⅢR3、二极管D1、电容ⅠC1a、电容ⅡC2a、电感L1、集成电路U1A、同步整流控制电路、控制电路，所述变压器T1的一次侧与所述控制器连接，所述变压器T1二次侧的一端与电路共地端连接，所述变压器T1二次侧的另一端连接所述晶体管ⅠQ1的漏极，所述晶体管ⅠQ1的源极与所述晶体管ⅡQ2的源极、所述电感L1的一端连接，所述晶体管ⅡQ2的漏极连接电路共地端，所述晶体管ⅠQ1、晶体管ⅡQ2的栅极连接所述同步整流控制电路，所述电感L1的另一端连接所述电容ⅠC1a的一端、所述晶体管ⅢQ3的漏极，所述电容ⅠC1a的另一端连接电路共地端，所述晶体管ⅢQ3的源极连接所述电容ⅡC2a的一端，所述电容ⅡC2a的另一端连接电路共地端，所述电阻ⅠR1并联在所述晶体管ⅢQ3的源极与漏极间，所述控制电路分别连接所述晶体管ⅢQ3的源极、漏极、栅极，所述集成电路U1A的第1脚连接所述二极管的正极为控制器使能连接点，所述二极管的负极连接所述电阻ⅢR3的一端，所述电阻ⅢR3的另一端连接所述所述集成电路U1A的第3脚、所述电阻ⅡR2的一端，所述电阻ⅡR2的另一端连接所述晶体管ⅢQ3的源极，所述集成电路U1A的第2脚为VREF接点，所述晶体管ⅢQ3的源极为VO接点。

所述DC/DC变换器开关机控制可以是模拟方式，亦可以是数字总线方式。所述若干个超级电容C1、C2、C3、……、Cn中的C1、C2、C3、……、Cn可以是单个超级电容，也可以是多个超级电容组合成的超级电容组。

本实施例中，DC/DC变换器根据控制方式的不同可采用单向或双向变换。取样电路对所述若干个超级电容C1、C2、C3、……、Cn中的各电容进行取样、计算、比较，指令控制器对DC/DC变换器进行控制，当所述各超级电容C1、C2、C3、……、Cn中的某个或某几个电压低于下限定值时，DC/DC变换器单向变换，向低压电容充电，所述下限定值为：各超级电容平均电压值减去设置合理值（0.05v---0.5v），当所述各超级电容C1、C2、C3、……、Cn中的某个或某几个电压高于上限定值时，所述DC/DC变换器以双向变换形式对这些超级电容放电，所述上限定值为：各超级电容平均电压值加上设置合理值（0.05v---0.5v），在双向变换形式下，所述DC/DC变换器对上述充电和放电作业可同时进行，实现电容中任何能量富余电容的能量向能量欠缺电容的近乎无损转移。采用双向变换时，控制高压电容放电，低压电容充电。取样电路和控制器中根据超级电容的特性选取合理系数为设置点，经取样电路、差分电路、控制器运算后进行精确的控制。

本实施例中采用模块化结构，可靠性高，利于标准化，能实现电容中任何能量富余电容的能量向能量欠缺电容的近乎无损转移，环保节能；又由于直接对电容容量进行均衡，效率较高，极大改善电容组的性能。本发明能有效解决超级电容组的均衡应用难题，可极大地促进其发展，同时本发明亦可用于电池组的均衡。重点是增加了防电流反灌装置后克服了电容充电充满后电压值高过充电电压时发生电流反灌的缺陷。关于防电流反灌装置的工作原理介绍如下：

正常工况下，超级电容电压（即VO点电压）低于DC/DC内部输出电压（即VA点电压），此时Q3导通，DC/DC输出功率。当VO电压逐渐升高，DC/DC输出电流会逐渐减小，到VO电压高于VA时，电流开始反向，同步整流MOSFET形成能量倒灌回路，即能量从副边反向倒灌回原边。为避免倒灌电流的产生，Q3在控制电路的作用下会关断，阻断反向放电回路。该控制电路的控制策略为VO-VA＞0.1~0.2V，考虑到可能的干扰，设计DC/DC时一般不会把该差值做得很小。但是实际运用中，VO经常高出设定电压约0.1V左右，也就是说超级电容电压高于DC/DC设置值，但差值却小于设定值，这时如果开启均衡，Q3就不会切断回路从而导致放电倒灌，当该状态持续较长时间时，引起Q2发热严重，进而导致损坏，使DC/DC无法正常工作。

现有的充电模式为恒流恒压方式，先恒流充电，输出电压慢慢上升，当到达设定电压时，进入恒压充电，充电电流慢慢减小。

本实施例的充电模式为恒流保护方式，先恒流充电，输出电压慢慢上升，当到达设定电压时，比较器集成电路U1A检测到该电压，其输出状态翻转，关闭模块输出，进入保护阶段，充电电流减为0，输出电压基本维持不变。只有输出电压降至设定的电压值时，比较器输出状态再次翻转，模块重新工作，如此反复循环。此模式可防止电流反灌，极大提高可靠性。

Claims (5)

1.一种防电流反灌的超级电容均衡电路，它包括充电器、若干个超级电容（C1、C2、C3、……、Cn）和与之数量对应的DC/DC变换器（D1、D2、D3、……、Dn）、取样电路、控制器，所述若干个超级电容（C1、C2、C3、……、Cn）依次串联后连接所述充电器的直流输出端，所述充电器的直流输出端还连接所述取样电路，所述取样电路连接各个超级电容（C1、C2、C3、……、Cn）的两端，所述DC/DC变换器（D1、D2、D3、……、Dn）的各输出端依次对应连接所述各超级电容（C1、C2、C3、……、Cn）的两端，所述DC/DC变换器（D1、D2、D3、……、Dn）的各输入端并联后与所述充电器的直流输出端连接，所述控制器的输入端连接所述取样电路，所述控制器的输出端连接所述DC/DC变换器（D1、D2、D3、……、Dn）的各控制输入端，其特征在于：它还包括防电流反灌装置，所述防电流反灌装置与所述控制器电连接。

2.根据权利要求1所述的一种防电流反灌的超级电容均衡电路，其特征在于：所述防电流反灌装置包括变压器（T1）、晶体管Ⅰ（Q1）、晶体管Ⅱ（Q2）、晶体管Ⅲ（Q3）、电阻Ⅰ（R1）、电阻Ⅱ（R2）、电阻Ⅲ（R3）、二极管（D1）、电容Ⅰ（C1a）、电容Ⅱ（C2a）、电感（L1）、集成电路（U1A）、同步整流控制电路、控制电路，所述变压器（T1）的一次侧与所述控制器连接，所述变压器（T1）二次侧的一端与电路共地端连接，所述变压器（T1）二次侧的另一端连接所述晶体管Ⅰ（Q1）的漏极，所述晶体管Ⅰ（Q1）的源极与所述晶体管Ⅱ（Q2）的源极、所述电感（L1）的一端连接，所述晶体管Ⅱ（Q2）的漏极连接电路共地端，所述晶体管Ⅰ（Q1）、晶体管Ⅱ（Q2）的栅极连接所述同步整流控制电路，所述电感（L1）的另一端连接所述电容Ⅰ（C1a）的一端、所述晶体管Ⅲ（Q3）的漏极，所述电容Ⅰ（C1a）的另一端连接电路共地端，所述晶体管Ⅲ（Q3）的源极连接所述电容Ⅱ（C2a）的一端，所述电容Ⅱ（C2a）的另一端连接电路共地端，所述电阻Ⅰ（R1）并联在所述晶体管Ⅲ（Q3）的源极与漏极间，所述控制电路分别连接所述晶体管Ⅲ（Q3）的源极、漏极、栅极，所述集成电路（U1A）的第1脚连接所述二极管的正极为控制器使能连接点，所述二极管的负极连接所述电阻Ⅲ（R3）的一端，所述电阻Ⅲ（R3）的另一端连接所述集成电路（U1A）的第3脚、所述电阻Ⅱ（R2）的一端，所述电阻Ⅱ（R2）的另一端连接所述晶体管Ⅲ（Q3）的源极，所述集成电路（U1A）的第2脚为VREF接点，所述晶体管Ⅲ（Q3）的源极为VO接点。

3.根据权利要求1所述的一种防电流反灌的超级电容均衡电路，其特征在于：所述DC/DC变换器经所述控制器控制可以是单向变换，亦可以是双向变换，当所述各超级电容（C1、C2、C3、……、Cn）中的某个或某几个电压低于下限定值时，所述DC/DC变换器以单向变换形式向这些超级电容充电，当所述各超级电容（C1、C2、C3、……、Cn）中的某个或某几个电压高于上限定值时，所述DC/DC变换器以双向变换形式对这些超级电容放电，在双向变换形式下，所述DC/DC变换器对上述充电和放电作业可同时进行。

4.根据权利要求1所述的一种防电流反灌的超级电容均衡电路，其特征在于：所述DC/DC变换器开关机控制可以是模拟方式，亦可以是数字总线方式。

5.根据权利要求1所述的一种防电流反灌的超级电容均衡电路，其特征在于：所述若干个超级电容（C1、C2、C3、……、Cn）中的超级电容（C1）至超级电容（Cn）可以是单个超级电容，也可以是多个超级电容组合成的超级电容组。