超级电容器串联应用中的均压问题及解决方案
串联超级电容模组电压差超级电容漏电流和自放电
串联超级电容模组是一种应用在电力存储和释放的装置，它由多个超级电容单体串联组成。
这种模组的应用广泛，例如在混合动力车辆、能源回收系统、电力储备等领域。
然而，对于这种模组，电压差、超级电容漏电流和自放电是三个重要的性能参数，它们可能会影响设备的效率和安全性。
电压差是指串联超级电容模组中各个单体之间的电压不均衡现象。
由于每个超级电容单体的特性不完全相同，因此在充放电过程中，它们之间的电压会发生变化。
如果电压差过大，可能会导致一些单体过充电或过放电，从而影响整个模组的性能和寿命。
因此，对于串联超级电容模组，控制电压差在一定范围内是非常重要的。
超级电容漏电流是指超级电容单体在储存电荷时，由于其物理特性，会存在一定的漏电现象。
这种漏电流可能会造成电荷损失，使得超级电容单体的电压下降。
如果漏电流过大，不仅会影响超级电容的储能效率，还可能引发安全问题。
因此，在设计和应用超级电容模组时，需要对其漏电流进行测试和评估。
自放电是指超级电容单体在未进行充放电操作时，其内部储存的电荷会逐渐损失的现象。
自放电率是衡量超级电容自放电快慢的重要参数。
自放电过快会导致超级电容储能效率降低，同时也可能引发安全问题。
因此，在选择和应用超级电容模组时，需要考虑其自放电性能。
为了优化串联超级电容模组的性能并提高其安全性，可以采取以下措施：1. 在设计和制造过程中，尽量减小超级电容单体之间的差异，以降低电压差。
2. 在使用过程中，定期检查和平衡超级电容单体之间的电压，防止出现过充电或过放电现象。
3. 选择具有低漏电流特性的超级电容单体，以减少电荷损失和安全问题。
4. 在使用过程中，定期测试和评估超级电容模组的漏电流和自放电性能，以便及时采取措施防止出现安全问题。
总之，对于串联超级电容模组，了解并控制其电压差、漏电流和自放电性能是非常重要的。
通过优化设计和使用条件，可以有效地提高其性能和安全性，从而更好地满足各种应用需求。
超级电容器储能系统电压均衡的研究
ｓｔｒａｔｅｇｙ ｔｏ ｄｒｉｖｅ ｔｈｅ
刚ｔｃｈ
ｎｅｔ，Ａｓ
ｒｅｓｕｌｔ，ｅｎｅｒｇｙ ｗｉｌｌ ｂｅ ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ
ｂｅｔｗｅｅｎ
ａｎｄ
ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｃｅｌｌｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ ｗｉｌｌ ｂｅ ｒｅｄｕｃｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ．ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｄａｔａ．
和应急电源等领域具有广泛的应用前景。对于大功率储能系统来说，为了满足容量和电
压等级的需要，一般是由多个超级电容器串联和并联的组合方式构成。然而超级电容器 在串并联使用时，单体电容器参数的分散性是制约其寿命和可靠性的主要因素。因此， 为了提高储能效率，对超级电容器组合进行电压均衡管理具有十分重要的意义。 本文针对超级电容器串联使用时充电电压的均衡问题，对超级电容器组充放电均衡
和高比功率输出的贮能系统。
超级电容器储能系统电压均衡的研究
（６）高可靠性。超级电容器工作过程中没有运动部件，维护工作极少，因而超级电
容器的可靠性是非常高的。
（７）对环境无污染。产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程中均没有环
境污染，是理想的绿色环保电源。
超级电容器的一个很大缺点是其参数的不一致【５．６】。同一型号规格的超级电容器在电 压、内阻、容量等参数上存在着不一致性，这主要是由制造过程中工艺和材质不均造成 的，而在超级电容器使用过程中，工作环境不同以及电压不均匀的积累又加剧了超级电
ａ
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ｂｅｔｔｅｒ
ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｂａｌａｎｃｅ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ
ｗｉｔｈ ｏｔｈｅｒ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｉｔ ｈａｓ
ｈｉｇｈｅｒ
串联超级电容器的均压控制
串联超级电容器的均压控制摘要：电压不均衡是制约超级电容串联应用的重要因素。
文章对现有的超级电容电压均衡方法进行了简要讨论，提出了一种带隔离变压器的Cuk变换器动态均衡方法，并给出了相应的控制策略。
利用PSIM软件对其均压性能和效果进行了仿真分析。
仿真结果表明该动态均压电路均衡速度快、均衡性能好，对由于不同因素造成的电压不均衡都具有良好的均压效果。
关键词：超级电容器；电压均衡；隔离变压器；Cuk变换器；控制策略引言超级电容器是一种介于传统电容器和充电电池之间的新型储能元件，其具有功率密度高、充电速度快、循环寿命长、免维护等优点，被广泛应用于汽车工程、不间断电源、电力系统等领域中。
超级电容单体额定电压较低，一般小于3V，需要通过多个超级电容串并联使用，来满足外部设备对电压等级的需要。
由于超级电容单体内部参数的不一致性，造成各电容单体充放电速度不同从而导致电压不均衡，降低了电容组的储存能力和使用寿命。
因此，采取合适的电压均衡措施使超级电容单体电压保持一致具有重要意义。
目前在串联超级电容器储能系统中采用的电压均衡方法，主要分为能耗型和能量转移型两大类。
能耗型均压电路结构一般比较简单，易于实现，常见的有开关电阻法和稳压管法，此类均衡方法具有均压效果好、可靠性高等优点，缺点是能量浪费严重。
能量转移型均压电路是利用DC/DC变换器或者储能元件作为能量传递器件，将高电压电容单体中的能量转移到低电压电容单体，实现动态平衡。
如DC/DC变换器法和飞渡电容法，此类方法优点是能量损耗低、电压均衡速度快、充放电状态下均可进行电压均衡。
缺点是控制复杂、成本高。
针对上述各种方法存在的问题，本文提出了带隔离变压器的Cuk变换器的均衡电路。
此均衡电路与传统的基于双向DC/DC变换器电压均衡电路相比，功率开关管的数目减少了一半，简化了控制的复杂度，并且节约了成本。
仿真结果表明均压效果良好，从而验证了该均压方法的有效性和可行性。
1、Cuk 变换器均衡电路简介Cuk 斩波电路也称Cuk 变换器， 美国加州理工学院Slobodan Cuk 提出的对Buck/Boost 改进的单管不隔离直流变换器， 在输入输出段均有电感， 可以显著减小输入和输出电流的脉动， 输出电压的极性和输入电压相反， 输出电压既可以低于也可以高于输入电压。
串联电容的均压电阻原理
串联电容的均压电阻原理串联电容的均压电阻原理是指在电路中串联连接多个电容时，通过合理选择电容的数值和使用特定电阻器来实现电容器电压均分的一种技术。
它的目的是将串联电容的电压分配均匀，使各个电容器所接受的电压相等，防止某一电容器承受过大的电压而破坏。
为了理解串联电容的均压电阻原理，首先需要了解电容器和电流的基本原理。
电容器是电子元件中的一种被动元件，能够储存电荷。
当两个电容器串联时，它们共享相同的电流，但是电压并不总是相等的。
如果电压分配不均，较小的电容器会承受较大的电压，容易被击穿，从而导致损坏。
因此，需要采取相应的措施来实现电压的均分。
串联电容的均压电阻原理的关键是使用一个均压电阻器连接在每个电容器之间。
均压电阻器的电阻值要选择得当，以确保每个电容器所接受的电压相等。
当电流通过串联电容时，均压电阻器产生电阻，将电压分配到各个电容器之间。
根据欧姆定律，电压分配到每个电容器的比例与其阻抗（电容值）的比例成正比。
因此，通过合理选择均压电阻器的阻值，可以使每个电容器承受相同的电压。
实际上，在串联电容器电路中，每个电容器之间的电压分布并不是完全相等的。
这是因为每个电容器都有其自身的电荷储存特性。
然而，通过调整均压电阻器的阻值，可以将电容器之间的电压差保持在一个相对较小的范围内，以避免某个电容器承受过高的电压。
此外，与串联电容器连接的电路中的其它元件也会对电压的分配产生影响。
例如，电阻器和电感在串联电容器电路中也起到调节电压的作用。
选择合适的电阻器和电感元件能够进一步保证电压的均分。
这些元件的选择和电路的设计需要充分考虑电压均压的要求。
总之，串联电容的均压电阻原理是通过合理调节均压电阻器的阻值，使电压分配到多个串联电容器之间，以实现各个电容器电压的均匀分布。
这样可以避免某个电容器承受过高的电压而引发损坏。
此原理在实际电路设计中非常重要，特别是对于需要使用多个电容器的应用，如滤波电路、稳压电路等。
只有合理使用均压电阻器，才能保证电压的均分，提高电路的稳定性和可靠性。
均压问题措施
均压问题措施引言在工程领域中，均压问题是指在管道、容器、设备等系统中，由于流体运动的不均匀引起的压力差异现象。
均压问题的存在可能会导致系统的不稳定性、设备损坏，甚至影响工艺流程的顺利进行。
为了解决均压问题，工程师们需要采取相应的措施来调整流体运动，使其在系统中均匀分布压力，保证设备和系统的正常运行。
本文将介绍常见的均压问题及其措施。
均压问题及原因分析均压问题大多数均压问题可以归纳为以下几种情况：1.管道系统中出现局部瓶颈或堵塞情况，造成流体流动不畅，引起压力异常分布。
2.设备本身设计不合理或操作不当，导致流体在设备内部流动不均匀，产生压力差。
3.流体的物性参数不同，如密度、粘度等，造成流体在管道内的压力分布不均。
原因分析针对上述情况，造成均压问题的主要原因可以分析如下：1.管道问题：管道系统中存在着一些突然变化的构造或尺寸变化，如弯头、管径突变等，这些都会导致流体的压力分布不均。
2.设备设计问题：设备的内部结构设计不合理，如冷凝器内部的管道布置不合理，容器内的搅拌方式不当等，都会引起压力分布的不均。
3.流体参数问题：流体的物性参数不同，如流体的密度分布不均匀、粘度分布不均匀等，都会导致流体在管道内的压力分布不均。
均压问题的常见措施针对均压问题，工程师们可以采取以下措施来解决：设备修改和优化针对设备本身设计不合理或操作不当的问题，可以通过以下方式来进行修改和优化：1.设备内部结构优化：对设备内部存在的流体流动不均匀的部分，可以进行结构优化，包括管道的布置、搅拌装置的合理使用等。
2.设备操作规范：为了确保设备的正常运行，操作人员应按照操作规范进行操作，避免设备的不均匀运行导致的均压问题。
管道改造针对管道系统中出现的局部瓶颈或堵塞情况，可以考虑进行管道的改造，包括以下几点：1.管道的直径选择：合理选择管道的直径，避免在流体流动过程中出现局部瓶颈。
2.管道的斜率调整：对于可能出现堵塞的区域，可以适当调整管道的斜率，以保证流体的畅通。
大电容电压不平衡
大电容电压不平衡
大电容电压不平衡通常指的是在电力系统中，由于电容器组或其他电容性负载的接入，引起的电压不平衡问题。
这种不平衡可能会导致电力设备性能下降，甚至损坏设备，影响电力系统的稳定性和可靠性。
电压不平衡的原因可能包括：
1. 电容器组的设计和安装问题：如果电容器组没有按照正确的相序安装，或者各个电容器的容量不一致，可能会导致电压不平衡。
2. 电网条件变化：电网的运行状态变化，如负载的变化、线路的切换等，都可能影响电容器的电压分布。
3. 电容器老化或故障：随着时间的推移，电容器可能会老化或出现故障，这可能会导致电压不平衡。
4. 不平衡的电源：如果电源本身存在电压不平衡，那么接入电容器后可能会加剧这种不平衡。
为了应对大电容电压不平衡问题，可以采取以下措施：
正确设计和安装电容器组：确保电容器组按照正确的相序安装，并且每个电容器的容量应该相等。
使用电压调节器：在电容器组前后安装电压调节器，以平衡电压。
定期维护和检测：定期检查电容器组的运行状态，及时发现和更换老化或故障的电容器。
电网改造：如果电网本身存在问题，可能需要进行改造，以减少电压不平衡。
处理大电容电压不平衡问题对于保障电力系统的稳定运行和设备的安全运行至关重要。
如果有疑问或问题，应该咨询专业的电力工程师或技术人员。
串联可控硅的均压问题及触发电路
串联可控硅的均压问题及触发电路
串联可控硅（SCR）的均压问题通常涉及到对电源电压的稳定控制，以确保SCR正常工作。
同时，触发电路的设计也是确保SCR准确导通的关键因素。
1. 串联可控硅的均压问题：
•电源电压波动：电源电压的波动可能导致串联可控硅的工作不稳定，甚至触发失效。
这时，你可能需要考虑使用稳压电源或
者在电源输入端设计稳压电路，以确保电压的稳定性。
•电流限制：确保在正常工作范围内控制电流。
可能需要设计电流限制电路或者使用电流传感器，以监测和调整电流。
2. 触发电路设计：
•触发脉冲控制：通过适当设计触发脉冲，确保可控硅能够准确地导通。
通常，采用零点触发（Zero Crossing Trigger）可以减
小电流冲击和噪声。
•触发脉冲宽度控制：控制触发脉冲的宽度，以控制可控硅的导通时间。
这有助于控制输出电压。
•保护电路设计：考虑加入保护电路，以防止过电流、过压等异常情况，确保SCR的安全工作。
•触发脉冲同步：如果有多个SCR串联，确保它们的触发脉冲同步，以避免不同SCR之间的不同步问题。
3. 其他注意事项：
•散热设计：确保SCR的散热良好，以避免过热问题。
•选型：根据具体应用需求，选择适当的SCR型号，考虑电流容量、耐压等因素。
具体的设计需要根据具体的应用和电路要求来调整。
在设计和调试时，建议仔细查阅SCR的数据手册和应用说明，以确保正确、稳定地控制和使用这些元件。
此外，如果涉及到高电压和高功率的应用，最好由专业电气工程师进行设计和审查。
电容器串联应用中的均压问题及解决方案
超级电容器串联应用中的均压问题及解决方案1. 问题的提出超级电容器的额定电压很低（不到3V），在应用中需要大量的串联。
由于应用中常需要大电流充放电，因此串联中的各个单体电容器上电压是否一致是至关重要的。
如果不采取必要的均压措施，会引起各个单体电容器上电压较大，采取更多的串联数来解决问题是不可取的。
影响均压的因素主要有：1.1 容量的偏差对电容器组的影响通常超级电容器容量偏差为-10%--+30%，上下偏差1.44。
当电容器组中出现容量偏差较大时，在充电时容量最小的电容器首先到达额定电压而电容量偏差最大的仅充到69%的额定电压，其储能为最小容量电容器的0.69%。
如式（1）（1）其中C min为最大负偏差电容量。
电容器组的平均储能为：（2）比全部由下偏容量超级电容器构成的电容器组还小，为标称值电容器的76%，即，其中C com为标称电容量。
由（1），（2）可得（3）在批量生产电容器组时精选电容量在很小的偏差内对提高电容器组的储能是有意义的，但将提高生产成本。
1.2 漏电流对超级电容器组的影响超级电容器多为储能用。
充有电荷后静置状态下的电荷（或电压）保持能力取决于漏电流，经过相对长的静置时间后，漏电流大的超级电容器保持的电荷（或电压）明显低于漏电流小的。
因此放电时，漏电流大的首先达到放电终了，而漏电流小的仍保持较多的电荷，充电时漏电流小的首先达到充电终了。
因此，这时超级电容器组的各单体的充放电能量为：（4）其中ΔU为充放电前漏电流最小和漏电流最大的超级电容器电压差值。
1.3 ESR的影响由于超级电容器的ESR相对较大，而且反复充电后ESR逐渐变大，ESR大的将越来越大，在充放电时ESR 大的将先于ESR小的先到达充放电终了电压，使其他ESR相对小的充放电不充分。
综上所述，超级电容器串联应用中必须考虑并解决均压问题。
2. 解决方案2.1 无源元件解决方案图1 超级电容器的阻容均压通常两个以上电容器串联可以采用并联电阻均压方式，通常应用于较高电压的整流滤波，电路如图1，图中C1=C2、R1=R2由于电容器工作时有电源供电，电容的作用为滤波，故均压电阻的电流与功耗可以接受，不会影响滤波作用，如果用于储能的超级电容器，如果仅漏电流的差异，此法还可以，但与均衡高幅值充放电电流，则需非常小的阻值的均压电阻，这个分压电流将由超级电容器提供，使超级电容器储能变低，在多只大容量超级电容器串联时是不实用的方法。
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超级电容器串联应用中的均压问题及解决方案
摘要：本文详尽的分析了超级电容器串联应用中影响各单体电容器上电压的一致性的原因，对不同的电压均衡的方法及存在的问题，提出使用的电压均衡电路单元，最后给出了实验结果。
关键词：超级电容器电压均衡温度系数
Abstract: In this papper the reason has been analysed that si the ultra capacitor in series infkuence the consistency of the voltage of each unit capacitor in detailed .For different methods of the voltage balance and the questions existing,the voltage balance citcuit unit and the test result has been provided .
Keywords: Ultra Capacitor Voltage Balance Temperature Coeffcient
1. 问题的提出
超级电容器的额定电压很低（不到3V），在应用中需要大量的串联。
由于应用中常需要大电流充放电，因此串联中的各个单体电容器上电压是否一致是至关重要的。
如果不采取必要的均压措施，会引起各个单体电容器上电压较大，采取更多的串联数来解决问题是不可取的。
影响均压的因素主要有：
1.1 容量的偏差对电容器组的影响
通常超级电容器容量偏差为-10%--+30%，上下偏差1.44。
当电容器组中出现容量偏差较大时，在充电时容量最小的电容器首先到达额定电压而电容量偏差最大的仅充到69%的额定电压，其储能为最小容量电容器的0.69%。
如式（1）
（1）
其中C min为最大负偏差电容量。
电容器组的平均储能为：
（2）
比全部由下偏容量超级电容器构成的电容器组还小，为标称值电容器的76%，即
，其中C com为标称电容量。
由（1），（2）可得
（3）
在批量生产电容器组时精选电容量在很小的偏差内对提高电容器组的储能是有意义的，但将提高生产成本。
1.2 漏电流对超级电容器组的影响
超级电容器多为储能用。
充有电荷后静置状态下的电荷（或电压）保持能力取决于漏电流，经过相对长的静置时间后，漏电流大的超级电容器保持的电荷（或电压）明显低于漏电流小的。
因此放电时，漏电流大的首先达到放电终了，而漏电流小的仍保持较多的电荷，充电时漏电流小的首先达到充电终了。
因此，这时超级电容器组的各单体的充放电能量为：
（4）
其中ΔU为充放电前漏电流最小和漏电流最大的超级电容器电压差值。
1.3 ESR的影响
由于超级电容器的ESR相对较大，而且反复充电后ESR逐渐变大，ESR大的将越来越大，在充放电时ESR大的将先于ESR小的先到达充放电终了电压，使其他ESR相对小的充放电不充分。
综上所述，超级电容器串联应用中必须考虑并解决均压问题。
2. 解决方案
2.1 无源元件解决方案
图1 超级电容器的阻容均压
通常两个以上电容器串联可以采用并联电阻均压方式，通常应用于较高电压的整流滤波，电路如图1，图中C1=C2、R1=R2由于电容器工作时有电源供电，电容的作用为滤波，故均压电阻的电流与功耗可以接受，不会影响滤波作用，如果用于储能的超级电容器，如果仅漏电流的差异，此法还可以，但与均衡高幅值充放电电流，则需非常小的阻值的均压电阻，这个分压电流将由超级电容器提供，使超级电容器储能变低，在多只大容量超级电容器串联时是不实用的方法。
图2 超级电容器的二极管均压
用稳压二极管箝位或适当数量普通整流二极管串联后并于超级电容，如图2，在理论上行得通，但在实际上会因稳压二极管的稳压值及二级管导通电压随温度变化，而且其伏安特性相对较软，因而不符合超级电容器的均压要求，不能使用。
2.2 实用的超级电容器电压均衡电路
由于超级电容器电压均衡电路仅限制超级电容器端电压在额定电压值或以下，而且，通常不希望在额定电压值以下有较大的漏电流，因此：实现可使用的超级电容器电压均衡电路的基本要求为：端电压达到设定值（稳压值）后，端电压的微小变化将导致很大的端电流变化，即稳压二极管的反向击穿特性，如图3，能承受较大的电流，稳压值应是稳定的，不随时间温度及其他因素变化。
图3 超级电容器均压电路的伏安特性
按照上述基本要求，简要原理如图4
图4 实用的超级电容器均压电路
基本原理为：超级电容器电压经R5、R6分压送到U1的R端，这个分压值在2.5V以下时，U1的K端相当于开路（有约400uA的漏电流）在R1上基本不产生附加压降，这样，由R1、R2、R3在Q1基极上的分压不是以使Q1导通，因此Q2不导通，电路处于静止（高阻）状态；当R5，R6分压点等于2.5V时由于Q1内部较放大器的作用。
使Q1的K端电压下降（可拉电流100mA以上）将在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Q1导通进入放大状态。
并驱动Q2导通进入放大状态；即，由于该电路的U R端电压Q2集电极电流的跨导非常大，当U1的R端的所接的分压网络与Q2集电极所接的电阻R9连于同一点时，电路的特性类似稳压二极管特性，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，随着Q2集电极电流的上升，使R9电压
达到后在Q2能维持在饱和状态下，该段的外特性是R9的电阻特性，并加一饱和压降，不再是稳压二极管特性，如图5，超级电容器正常工作时不应进入这种状态。
图5 超级电容器大电流均压电路
图4电路元件参数如表1。
表1 超级电容器均压电路元件明细
一般大容量超级电容器的均压几乎全采用这种方式[1]，国外产品通常按表1的数据的参数，出现电阻性特性的电流（转折电流）在800mA左右，而将R9改为2.2Ω/3W，则转折电流可以提高到1.2A～1.3A，事实上Q1的驱动能力远不止仅驱动一个Q2，可以驱动多组R8、Q2、R9这样的单元电路。
作者将图4加以改进如图5。
图中的Q2、Q3、Q4、Q5可以选择价格低廉的S8050（40V/2A）。
通过采用多输出级的方式增加转折电流值，在所有参数与表1中的参数完全性同时，可以做到接近4A，如图6，采用上述改进措施后，均压效果优于国外产品。
图6 超级电容器大电流均压电路的伏安特性
2.3 均压的效果
本文对项目完成的680F/2.7V超级电容器的3并48串构成的40F/130V超级电容器组在20A的充电电流状态下充到130V维持2分钟后测量超级电容器单体电压。
在未接入电压均衡电路前，超级电容器单体电压最高2.9V，最低2.5V，其中最高电压已超过额定电压；接入本文图4所示的电压均衡电路后，重新测试，各超级电容器单体电压均为2.7V。
从实验结果可以得出本文提出的超级电容器电压均衡电路是在超级电容器串联使用时均衡超级电容器单体电压的有效方法。
代用本文图5所示电路电路可以得到更好的均压效果。
参考文献
[1] 陈永真李锦，电容器手册，科学出版社，北京，2008，656～660
本文得到“863”计划（编号2003AA501234）资助。