电容串联 超级电容器串联应用中的均压问题以及解决途径

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在超级电容器的应用中，由于它们的额定电压很低(小于3V)，所以大量的超级电容器往往是串联的，而且由于它们往往需要大电流的充放电，所以串联的各个电容器的电压保持一致是非常重要的。如果不采取必要的均压措施，单个电容器之间的电压差会很大，严重影响超级电容器的性能和寿命。本文分析了影响均压的各种因素，并提出了有效的解决办法。

1影响均压的因素

1.1容差对电容器组的影响

通常超级电容器的容量偏差为-10%-+30%。当电容器组容量偏差较大时，容量最小的单个电容器首先达到额定电压，而容量最大的单个电容器只充电到额定电压的69%，其储能是最小容量电容器的69%。关系如下

其中△U为充放电前，具有最小漏电流的超级电容器的电压与最大漏电流之差。

1.3等效串联电阻的影响

超级电容器的ESR比较大，反复充电后，ESR越来越大。充放电时，较大的ESR会先于较小的ESR到达充放电终点，使得其他较小的ESR充放电相对不足。因此，有必要考虑和解决超级电容器串联应用中的均压问题。

2无源元件解决方案

一般两个以上的电容串联可以采用并联电阻的均压方式。它通常用于较高电压的整流和滤波，电路如图1所示。在图中，C1=C2，R1= R2。电容器工作时有电源，所以电容器的作用是滤波。因此，均压电阻的电流和功耗是可以接受的，不会影响滤波效果。对于用于储能的超级电容器，如果只有漏电流的差异，这种方法是可以的。然而，为了均衡高幅充放电电流，需要一个电阻值非常小的均压电阻。这个均压电流会由超级电容提供，会降低超级电容的储能。当多个大容量电容器串联时不实用。与齐纳二极管或适当数量的普通整流二极管串联后用于超级电容器。电路如图2所示。这种方法在理论上是可行的，但由于齐纳二极管的稳压值和二极管的导通电压随温度变化，其伏安特性相对较软，因此在实际中无法使用。

基本原理是:当超级电容器C上的电压被R1和R2分压后送到放大器A1的同相端，分压值低于2.5V时，放大器A1输出低电位，电流扩展晶体管Q不导通，均压电路特性如图5 A节所示。由于超级电容器c上的电压高于2.5V放大器的输出电压，所以它开始上升(其上升速率取决于放大器A1的增益)，并且电流扩展晶体管q的集电极电流随着微功率放大器A1的输出电压的增加而增加。图5的b部分示出了电压均衡电路的特性。当R5上Q的集电极电流产生的压降等于VC-VCEZ(sat)时，均压电路的特性就是电阻R5的特性，如图5 C节所示。在实际应用中，由于超级电容器的耐受电压有限，均压电路不允许在该段工作。

4动态特性分析

本文提出的电路专用于超级电容器的电压均衡。超级电容器(尤其是大容量电容器)的充电过程至少需要30S，对于电子电路来说是一个缓慢的过程。因此，超级电容器的电压均衡电路的动态特性不是很严格。在实际测试中，

本文提出的电路在端电压2.7V ~ 2.75V范围内带宽不小于100KHz，单位阶跃响应上升时间小于1US，与一般模拟电子电路的响应特性基本相同。

5压力均衡效果

实验中，在20A的充电电流状态下，将由3串和48串680F/2.7V超级电容器组成的40F/ 130V超级电容器组充电至130V，维持2分钟后测量超级电容器电池电压。在连接电压均衡电路之前，超级电容器的最大电压为2.9V，最小电压为2.5V..最高电压已超过额定电压。连接电压均衡电路后，再次测试每个超级电容器的电压为2.7V。

6结论

从实验结果可以看出，本文提出的超级电容器电压均衡电路是超级电容器串联使用时均衡单个电压的有效方法。