超级电容均衡方式
基于TLVH431的超级电容组均压电路研究
Science &Technology Vision科技视界0引言超级电容因其具有功率密度高、循环寿命长、大电流放电能力强、能量转换效率高、环保无污染等优点,已经在电力机车、电力系统功率补偿设备等短时、大功率的应用场合得到了广泛应用。
超级电容的单体电压较低,一般只有2.7V,因此在实际应用中,需要将多个超级电容串联起来提供高工作电压。
由于材料和制作工艺的不同,超级电容在串联过程中单体间容量、等效串联电阻、漏电流等差异将导致串联系统中单体电压的不均衡,从而使超级电容出现过充或过放现象,降低能量的利用率。
为了更加高效的利用超级电容,需要采用电压均衡策略以减小或者消除单体间的不均衡。
本文详细分析了TLVH431的工作特性,设计基于其特性的超级电容电压均衡电路,通过分析芯片的工作原理,解析了均衡电路各部分参数。
该均压电路结构简单,不需要闭环控制,充电过程中,单体出现电压失衡时均压自动完成,该电路可以长时间工作,并且可以在多种场合中应用。
1TLVH431简介TLVH431是德州仪器公司生产的一个有良好热稳定性能的精密三端并联稳压二极管并联稳压器。
如图1所示,TLVH431由一个V ref =1.24V 的精密基准电压源、一个电压比较器和一个输出开关管等组成。
参考端R 2的输出电压与1.24V 的精密基准电压源比较,调节R 1、R 2的阻值,当R 2端电压V r 达到或超过1.24V 时,TLVH431阴极向阳极方向立即导通,即V o =V ref ,精确控制R 2端电压,就可以精确控制其阴极向阳极方向的开关状态。
其中R 1、R 2设定参考如下:V ref =R 2R 1+R 2V i(1)该器件的典型动态阻抗为0.25Ω,在很多应用中可以用它代替齐纳二极管,例如数字电压表、运放电、可调压电源开关电源等。
图1TLVH431参考图2均压电路分析本文针对串联超级电容组设计的均衡电路框图如图2所示,其基本原理为在基础的充电电路中加入超级电容并联电路,当电容单体电压达到设定值时,与电容并联的电路导通,继续为其他电容充电,直到所有电容电压达到设定值,充电工作结束。
力神超级电容器力神超级电容器
超级电容器介绍力神超级电容器超级电容器(Supercapacitor)是由两个浸在电解液的电极和阻止电荷在两极移动的隔膜组成。
超级电容器(Supercapacitor)储存能量是基于相对的两个双电层电极表面的静电荷，电荷形成于电极和电解液之间。
当充电时，在电场作用下电解液中随机分布的离子向相对极性的电极表面移动这是个纯粹的物理现象而不是通过个化的离子向相对极性的电极表面移动。
这是一个纯粹的物理现象而不是通过一个化学反应，并且也是高可逆的过程，从而获得高功率，高循环寿命，长的搁置寿命以及免维护的特性。
特点力神超级电容器额定电压：至2.8 V高输出（与电池比）高效率（与电容器比）环保型无维修费用宽温度范围(-40 °C ~ 60 °C)低内阻各元件的均衡及过电压保护装置容易构建高电压用模式有效率的散热设计力神超级电容器超级电容器的优势力神超级电容器产品比较与可充电电池相比，超级电容器作为能量储存器件具有不同的充放电特性。
在与充电电池相比超级电容作为能量储存件具有不的充放电特性充放电时，电池具有电压平台，而超级电容器只显示电压的线性关系。
电压的线性关系可以通过DC/DC转换而变成恒电压平台。
通过测量的电压很容易计算超级电容器的存储能量超级电容器的存储能量。
超级电容器的法拉单位与电池的安时单位经常会让使用者困惑。
使用下列公式很容易计算存贮在超级电容器中的总能量。
使用下列公式很容易计算存贮在超级电容器中的总能量能量（焦耳）= 1/2 X 容量（法拉第）X 电压（伏）这个公式可以将法拉第转化成电池常用的瓦时单位。
能量（瓦时）=能量（焦耳）/3600（秒）力神超级电容器主要作用如下：辅助峰值功率向应用产品提供峰值备用电源超级电容器的长期高功率，其它电源供给正常功率。
可减少发动机或电池电容器等其它能量来可靠性提供有关短期备用电源的完美解决方案源储存再生能量能量再生条件通常为高能量短替代电池常为高能量、短频率时间、500K寿命周期及适于再生能量储存的高电力特性在超级电容器UPS 或有关短期能量供给的远程控制装置等部分应用产品内，作为主能量储存装置使用力神超级电容器潜在市场：产业力神超级电容器潜在市场：消费品力神超级电容器潜在市场：运输力神超级电容器潜在市场：其他。
超级电容器串联技术的研究
Study on the Technique of Super -capacitor s Connected in Ser ies
Zhang Bin Liu J un Mu Shixia （School of Electrical & Electronic Engineering of NCEPU, Beijing 102206）
2 超级电容器的串联电压均衡方法的研究
2.1 稳 压管 法[2] 如图 1 所示，当超级电容器的工作电压超过稳
压管 的击穿 电压 时，充 电电流 就会 从稳压 管上 流过，
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2009 年第 9 期
研究与开发
电容 器的电 压不 再上 升， 防止 了超级 电容 器过 压。 这种 方法的 优点 是电 路结 构简 单，成 本低 。缺 点是 充电能 量完 全消耗 在稳 压管 上，稳压 管会 严重 发热， 能量 浪费严 重； 而且 稳压 管的 击穿电 压精 度低 ，分 散性差 ，电 压均衡 电路 的工作 可靠性 不高 。
三种储能元件性能参数的对比如表 1 所示。 由于超级电容器的额定电压很低，一般为 1~3V， 而实 际应用 中的 电压 等级 往往 很高， 所以 在实 际应 用中需 要将 大量的 超级 电容器 进行串 联组 合。 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，由 U=Q/C 可知，在串 联充电时，每个超级电容器单体上 Q 是相同的，U 和 C 是成反比的。而电压不一致对超级电容器模块
表 1 三 种储 能元件 的对比
普通电 容器 超级电 容器 二次 电池
功 率密 度 / (W·h/ kg)
104 ~ 106
串联超级电容模组电压差
串联超级电容模组电压差是指在多个超级电容器单体串联使用时，由于生产工艺、自放电率等因素导致电容器单体之间存在一定的电压差异。
这种电压差可能会影响到超级电容模组的工作性能和寿命。
以下是关于串联超级电容模组电压差的详细介绍：
1. 产生原因：电压差的主要原因是超级电容器单体的生产工艺和质量控制。
由于制造误差、材料不均匀等因素，导致电容器单体之间的电容值和泄漏电流存在差异。
此外，自放电率也会影响电容器单体的电压分布。
2. 影响因素：电压差的大小受到多个因素的影响，如电容器的类型、容量、额定电压等。
不同类型的超级电容器其电压差特性可能会有所不同。
此外，环境温度和工作条件也会对电压差产生影响。
3. 解决方法：为了减小串联超级电容模组电压差，可以采用以下几种方法：
a. 选用高品质的超级电容器：选择具有良好生产工艺和质量控制的高品质电容器，可以降低电容器单体之间的电压差。
b. 优化电容器单体串联结构：通过调整电容器单体的串联数量和组合方式，使得电压差在各个单体之间分布更均匀。
c. 采用电压均衡电路：电压均衡电路可以对异常的单体迅速做出响应，降低电压差对整体性能的影响。
被动均衡电路通过在每个超级电容单体上并联一个电阻来抑制泄漏电流；主动均衡式则采用更复杂的电路结构，实现对电压的实时监控和调整。
d. 加强监测和维护：定期对超级电容模组进行检测和维护，及时发现并解决电压差问题，以延长其使用寿命。
超级电容技术原理及使用方法
超级电容技术原理及使用方法早晨起床，给手机充电只要一分钟，便可将电充满。
这不是做梦!以电双层为代表的大容量电容器，以超级电容的名字已经有了20年以上的商品化历程，近年来，更是在大容量、高耐压方面有了惊人的进步，成为蓄电池辅助蓄电装置，甚至取代蓄电池。
大容量电容器中，除电双层型以外，尚有混合型(锂系电容器)和氧化还原型两种。
电双层型的耐压为2～3.3V，而混合型(锂系)耐压为3.6～4.2V。
由于大容量电容器的蓄电能力是以耐压值的平方数增加(U=CV~(2)／2)，所以提高耐压值可使蓄电能力快速提高。
电双层型大容量电容器(以下称超级电容)的容量可做到100F(法拉)以上，内阻仅1mΩ，而锂系已经有单体达10000F的大容量电容器，将成为下一代蓄电装置。
因在充电时电解液中的正离子被电子吸引、而负离子被空穴吸引，于是分别在正、负电极和电解液的接触面形成两个绝缘层并产生了电位差。
充电完成后，其形态犹如两个串联的电容器，被称为电双层电容器。
在放电时，电子和空穴并不结合，而是释放正、负离子到电解液中。
显然，电极和电解液接触面积大的，其容量也大。
与充电电池相比，超级电容没有化学反应，具有不发热、无劣化、高效率、长寿命的优点。
在将多个超级电容串联起来组成更大容量组件的场合，各个超级电容的容量、初始电压、内阻都不会相同，因而即使用相同的电流充电，充满电的时间也是不同的。
因此有必要设置防止过充电的监控电路，即并联监控电路。
监控电路，每个电容并联一个稳压二极管，起分流作用。
由于稳压二极管不能细调稳压值，并联监控电路采用电子电路较好，每个电容需并联一个此电路。
当电容两端电压高于设定的分流电压时，并联监控电路的晶体管就流过多余的电流，通过保护电阻R4转化为热量散出；相反则流过的电流减少。
多个电容组成的组件，制成之后只要存放一个月以上，由于各电容的容量和泄漏电流的误差，就会形成不同的端电压，充电时就不能同时达到满充电。
而如果在并联监控电路的限制电流以上充电，就可能超过某些电容的耐压。
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超级电容器串联应用中的均压问题及解决方案
2009年09月14日作者：陈永真来源：《中国电源博览》编辑：樊晓琳
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。