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在超級(jí)電容器的應(yīng)用中，由于它們的額定電壓很低(小于3V)，所以大量的超級(jí)電容器往往是串聯(lián)的，而且由于它們往往需要大電流的充放電，所以串聯(lián)的各個(gè)電容器的電壓保持一致是非常重要的。如果不采取必要的均壓措施，單個(gè)電容器之間的電壓差會(huì)很大，嚴(yán)重影響超級(jí)電容器的性能和壽命。本文分析了影響均壓的各種因素，并提出了有效的解決辦法。

1影響均壓的因素

1.1容差對(duì)電容器組的影響

通常超級(jí)電容器的容量偏差為-10%-+30%。當(dāng)電容器組容量偏差較大時(shí)，容量最小的單個(gè)電容器首先達(dá)到額定電壓，而容量最大的單個(gè)電容器只充電到額定電壓的69%，其儲(chǔ)能是最小容量電容器的69%。關(guān)系如下

其中△U為充放電前，具有最小漏電流的超級(jí)電容器的電壓與最大漏電流之差。

1.3等效串聯(lián)電阻的影響

超級(jí)電容器的ESR比較大，反復(fù)充電后，ESR越來(lái)越大。充放電時(shí)，較大的ESR會(huì)先于較小的ESR到達(dá)充放電終點(diǎn)，使得其他較小的ESR充放電相對(duì)不足。因此，有必要考慮和解決超級(jí)電容器串聯(lián)應(yīng)用中的均壓?jiǎn)栴}。

2無(wú)源元件解決方案

一般兩個(gè)以上的電容串聯(lián)可以采用并聯(lián)電阻的均壓方式。它通常用于較高電壓的整流和濾波，電路如圖1所示。在圖中，C1=C2，R1= R2。電容器工作時(shí)有電源，所以電容器的作用是濾波。因此，均壓電阻的電流和功耗是可以接受的，不會(huì)影響濾波效果。對(duì)于用于儲(chǔ)能的超級(jí)電容器，如果只有漏電流的差異，這種方法是可以的。然而，為了均衡高幅充放電電流，需要一個(gè)電阻值非常小的均壓電阻。這個(gè)均壓電流會(huì)由超級(jí)電容提供，會(huì)降低超級(jí)電容的儲(chǔ)能。當(dāng)多個(gè)大容量電容器串聯(lián)時(shí)不實(shí)用。與齊納二極管或適當(dāng)數(shù)量的普通整流二極管串聯(lián)后用于超級(jí)電容器。電路如圖2所示。這種方法在理論上是可行的，但由于齊納二極管的穩(wěn)壓值和二極管的導(dǎo)通電壓隨溫度變化，其伏安特性相對(duì)較軟，因此在實(shí)際中無(wú)法使用。

基本原理是:當(dāng)超級(jí)電容器C上的電壓被R1和R2分壓后送到放大器A1的同相端，分壓值低于2.5V時(shí)，放大器A1輸出低電位，電流擴(kuò)展晶體管Q不導(dǎo)通，均壓電路特性如圖5 A節(jié)所示。由于超級(jí)電容器c上的電壓高于2.5V放大器的輸出電壓，所以它開(kāi)始上升(其上升速率取決于放大器A1的增益)，并且電流擴(kuò)展晶體管q的集電極電流隨著微功率放大器A1的輸出電壓的增加而增加。圖5的b部分示出了電壓均衡電路的特性。當(dāng)R5上Q的集電極電流產(chǎn)生的壓降等于VC-VCEZ(sat)時(shí)，均壓電路的特性就是電阻R5的特性，如圖5 C節(jié)所示。在實(shí)際應(yīng)用中，由于超級(jí)電容器的耐受電壓有限，均壓電路不允許在該段工作。

4動(dòng)態(tài)特性分析

本文提出的電路專(zhuān)用于超級(jí)電容器的電壓均衡。超級(jí)電容器(尤其是大容量電容器)的充電過(guò)程至少需要30S，對(duì)于電子電路來(lái)說(shuō)是一個(gè)緩慢的過(guò)程。因此，超級(jí)電容器的電壓均衡電路的動(dòng)態(tài)特性不是很?chē)?yán)格。在實(shí)際測(cè)試中，

本文提出的電路在端電壓2.7V ~ 2.75V范圍內(nèi)帶寬不小于100KHz，單位階躍響應(yīng)上升時(shí)間小于1US，與一般模擬電子電路的響應(yīng)特性基本相同。

5壓力均衡效果

實(shí)驗(yàn)中，在20A的充電電流狀態(tài)下，將由3串和48串680F/2.7V超級(jí)電容器組成的40F/ 130V超級(jí)電容器組充電至130V，維持2分鐘后測(cè)量超級(jí)電容器電池電壓。在連接電壓均衡電路之前，超級(jí)電容器的最大電壓為2.9V，最小電壓為2.5V..最高電壓已超過(guò)額定電壓。連接電壓均衡電路后，再次測(cè)試每個(gè)超級(jí)電容器的電壓為2.7V。

6結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文提出的超級(jí)電容器電壓均衡電路是超級(jí)電容器串聯(lián)使用時(shí)均衡單個(gè)電壓的有效方法。