本發(fā)明涉及一種超級電容均壓電路，尤其指采用電感、開關(guān)元件、電容組合進行均壓的超級電容串聯(lián)模組均壓電路及均壓方法。

背景技術(shù)：

新能源發(fā)電是解決能源問題的重要技術(shù)途徑。因為可再生能源發(fā)電的隨機性，儲能技術(shù)成為制約新能源技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

在以風(fēng)能、太陽能等發(fā)電出力隨機性強的可再生能源接入電網(wǎng)的背景下，儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的使用可以提高可再生能源的利用率，提高電能質(zhì)量，起到穩(wěn)定電網(wǎng)的關(guān)鍵作用。在電動汽車領(lǐng)域，儲能單體集成技術(shù)直接決定電動汽車行駛的里程與安全性、可靠性。

儲能單體集成技術(shù)指以電池，超級電容單體為基礎(chǔ)，進行組合并控制管理的技術(shù)。在儲能單體規(guī)模使用的過程中還存在著眾多制約因素。儲能單體的均壓技術(shù)是電池、超級電容及電動汽車產(chǎn)業(yè)研究多年的儲能關(guān)鍵技術(shù)。本發(fā)明提出解決儲能單體的均壓問題的新方法。

儲能單體的技術(shù)進步中，超級電容技術(shù)是具有代表性的技術(shù)進展。超級電容又稱雙電層電容、電化學(xué)電容。具有電容量在法拉級、單體耐壓低、能量密度低，功率密度高的特點。

鑒于超級電容單體耐壓等級低、能量密度低的特點，超級電容要存儲較多的能量，必須串聯(lián)連接以模組的模式運行。由于超級電容單體容量和內(nèi)阻的差異不可避免，串聯(lián)情況下會出現(xiàn)串聯(lián)超級電容單體電壓不均衡的情況。電壓不均衡不加控制將會影響超級電容壽命，也會影響超級電容模組效能。均壓問題，已經(jīng)成為影響超級電容使用安全與運行成本的關(guān)鍵問題。

現(xiàn)有超級電容模組存在著體積大、重量重、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、均壓效率低、能量損耗高、均壓效果受能量單體串聯(lián)數(shù)量限制大的缺陷，這些缺點制約著儲能單體大規(guī)模應(yīng)用。

超級電容均壓技術(shù)已經(jīng)研究多年，目前超級電容均壓技術(shù)主要有泄放法、能量轉(zhuǎn)移法兩大類。其中能量轉(zhuǎn)移法又分為存儲釋放法和電源分配法兩大類，存儲釋放法主要有buck/boost法、飛渡電容法、電感法等。電源分配法如正激反激變換器法，多DC/DC轉(zhuǎn)換器法等。

泄放法一般通過電阻元件將不均衡電能轉(zhuǎn)換為熱能釋放，其能量損失大，發(fā)熱高。

US 6459236B2中描述了一種使用飛渡電容進行均壓的方法。飛渡電容法采用飛渡電容并聯(lián)在電容模組兩側(cè)，通過對模組的采樣判斷將飛渡電容切換到不同電容單體兩端，采用飛渡電容吸收不均衡電荷，釋放到低壓單體。這種方法的缺點在于均壓過程依賴于采樣電路，控制困難。而且當單體電壓差異縮小時，達到電壓均衡時間將會延長，采樣與控制更加困難。US7091696B2是在飛渡電容的一個端子上增加了電壓變換器，通過開關(guān)控制電壓變換器切入。但是這種方法需要增加電壓變換器單元，電壓變換器本身在大電流情況下使用也存在控制成本、系統(tǒng)復(fù)雜性方面的問題。

EP0900465B1介紹了一種多飛渡電容電池均壓技術(shù)。這種方法的缺點是多飛渡電容法總是在相鄰器件之間交換能量，一方面造成能量損失，另一方面在多超級電容連接時會造成均壓時間延長。當串聯(lián)單體數(shù)量眾多時,如果電壓最高和最低的超級電容器相隔多個單體,將會加大能量損失，降低均衡效率。因為多飛渡電容器均壓速度取決于所有飛渡電容器的均壓速度，所以當相鄰超級電容電壓差很小時，整個超級電容模塊的均壓速度下降。

EP2312724A1通過用多電容兩層分組進行均壓，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且組間沒有均壓。

多電感法指采用電感儲能進行均壓的方法，如2003年在第五次電力電子和驅(qū)動國際會議發(fā)表的會議論文“一種新的電容車電池系統(tǒng)充電均壓技術(shù)”中提到的多電感法。這種方法的缺點，是電路中的開關(guān)難以控制，串聯(lián)電容數(shù)量增多時，均壓效果差。

如歐洲編號為EP 1081824A2的專利所述BUCK-BOOST變換器法[6]，缺點在于當串聯(lián)單體數(shù)量眾多時，同樣存在不均衡能量損失大，均衡效果差的問題。

此外采用變壓器均壓的方法法包括斜坡轉(zhuǎn)換器法，多變壓器法，開關(guān)變壓器法，正激式和反激式變換器法。用變壓器的均壓方法的共同缺點是磁路復(fù)雜，體積較大，繞組不易擴充，可擴展性差，均衡誤差大。

還存在采用多DC/DC電源的方法，其基本原理一般是將模組兩端電壓進行DC/DC變換，經(jīng)過電壓變換將超級電容單體與電壓源并聯(lián)，通過控制電壓源電壓控制單體電壓。在大量超級電容串聯(lián)情況下，電路復(fù)雜程度將會增加，串聯(lián)模組可靠性降低，控制難度大，增加電路成本，高效率電路難以實現(xiàn)。

現(xiàn)有均壓電路存在以下問題1、均壓過程對采樣電路與控制電路要求高；2、動態(tài)均壓效果差；3、泄放多余電荷發(fā)熱問題難以管理；4、多組串聯(lián)能量多次存儲傳遞能量損失大，5、均壓速度較慢，達到均衡時間長。6、對于采用變壓器的均壓方法，磁路復(fù)雜，體積較大，繞組不易擴充，均衡誤差大。

超級電容均壓方法可以分為泄放法，能量轉(zhuǎn)移法兩大類，其中能量轉(zhuǎn)移法又可分為存儲釋放法和電源分配法兩大類。

泄放法均壓的超級電容存在均壓泄放電阻發(fā)熱問題，能量泄露較多，且導(dǎo)致模組溫度上升影響超級電容模組壽命。

存儲釋放法?，F(xiàn)有的存儲釋放法在相鄰電容之間用電感或電容做為儲能元件存儲不均衡電量，將不均衡電量由電壓高的單體轉(zhuǎn)移到電壓低的單體中去，其以BUCK-BOOST法，開關(guān)電容法，飛渡電容法，電感均壓法最為典型。對于BUCK-BOOST法，結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本較高，存在當不均衡電容距離遠時，均衡過程能量損耗大的問題，電感均衡法同樣只能在相鄰的兩個電容單元之間轉(zhuǎn)移能量。存在當不均衡電容距離遠時，均衡過程能量損耗大的問題

開關(guān)電容法主要包括飛渡電容法和多飛渡電容法。飛渡電容對超級電容單體依次充放電響應(yīng)速度慢的問題，這種方法還依賴于高精度的采樣電路，實現(xiàn)難度大。多飛渡電容法當串聯(lián)單體數(shù)量眾多,不均衡能量需要在不同飛渡電容之間多次傳遞，能量損失大。

采用變壓器的均壓電路體積，重量增大，磁路復(fù)雜，使用不便。

多路電源分配法。這種方法普遍存在均壓電流、均壓速度受DC/DC轉(zhuǎn)換電路制約的缺點。且DC/DC轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，控制難度大。

綜上所述，現(xiàn)有均壓電路存在的問題是：1、難以測量控制。2、難以動態(tài)均壓。均壓速度較慢，達到均衡時間長。3、均壓時間受串聯(lián)單體數(shù)量影響大；4、泄放多余電荷存在發(fā)熱現(xiàn)象；5、對于采用變壓器的均壓方法，存在磁路復(fù)雜，體積較大，繞組不易擴充，均衡誤差大的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種超級電容串聯(lián)模組均壓電路及均壓方法，本發(fā)明是基于電容、電感元件與電控開關(guān)元件的均壓電路，給出了采用新電路結(jié)構(gòu)進行實施的電路方案與控制策略，以解決超級電容單體串聯(lián)使用的動態(tài)均壓問題。具體解決現(xiàn)有均壓電路對采樣與控制電路要求高，動態(tài)均壓效果差，均壓效果受能量單體串聯(lián)數(shù)量限制，均壓效率低、速度慢，發(fā)熱多，不利于大規(guī)模使用的缺陷。

本發(fā)明具有在超級電容靜置、充電、放電過程均可以動態(tài)均壓，電壓均衡速度快，均壓過程對控制與采樣電路依賴低，均壓速度受串聯(lián)電容影響小的特點。本發(fā)明不采用泄放電阻與變壓器進行電壓均衡。

本發(fā)明的第一種技術(shù)方案是：

超級電容串聯(lián)模組均壓電路，其特殊之處是：

設(shè)n為正整數(shù)，均壓電路由以下元件構(gòu)成：

1、超級電容C1，C2，C3，……，Cn，共n個；

2、開關(guān)元件S1，S2，S3，S4，……，S2n共2n個；

3、均壓電容Cb1，Cb2，Cb3，……，Cbn共n個；

4、電感元件La1，La2，La3，……，Lan共n個；

5、電感元件Lb1，Lb2，Lb3，……，Lbn共n個；

6、均壓母線B1、B2；

以上元件以下述網(wǎng)絡(luò)關(guān)系連接：

超級電容C1，C2，C3，……，Cn，正極負極首尾相連，串聯(lián)連接；

電感元件La1，La2，La3，……，Lan一端分別與對應(yīng)的超級電容C1，C2，C3，……，Cn正極相連,電感元件La1，La2，La3，……，Lan另一端與對應(yīng)的均壓電容Cb1，Cb2，Cb3，……，Cbn正極相連；電感元件Lb1，Lb2，Lb3，…，Lbn一端與對應(yīng)的超級電容C1，C2，C3，……，Cn負極相連,電感元件Lb1，Lb2，Lb3，……，Lbn另一端與對應(yīng)的均壓電容Cb1，Cb2，Cb3，……，Cbn負極相連；

開關(guān)元件S1，S3，S5，……，S(2n-1)一端與均壓電容Cb1，Cb2，Cb3，……，Cbn正極相連,另一端與母線B1相連；開關(guān)元件S2，S4，S6，……，S2n一端與均壓電容Cb1，Cb2，Cb3，……，Cbn負極相連,另一端與母線B2相連。

本發(fā)明的第二種技術(shù)方案是：

超級電容串聯(lián)模組均壓電路，其特征在于：

設(shè)n為≥4的正整數(shù)，均壓電路由以下元件構(gòu)成：

1)超級電容C1，C2，C3，……，Cn，共n個；

2)電感元件La1,La2,La3,……，Lan共n個；

3)電感元件Lb1,Lb2,Lb3,……，Lbn,共n個；

4)均壓電容Cb1,Cb2,Cb3,……，Cbn共n個；

5)開關(guān)元件S1，S2，S3，……，S2n共2n-2個；

6)母線B1,B2共2個；

以上元件組成以下網(wǎng)絡(luò)關(guān)系連接：

設(shè)n為≥4的正整數(shù)，超級電容單體C1，C2，C3，...，Cn，正極負極首尾相連，串聯(lián)連接；

電感元件La1，La2，La3,……，Lan一端與電容C1，C2，C3，……Cn正極相連,電感元件La1，La2，La3，……，Lan另一端與均壓電容Cb1，Cb2，Cb3，……Cbn正極相連；

電感元件Lb1，Lb2，Lb3，……，Lbn一端與電容C1，C2，C3，……Cn負極相連,電感元件Lb1，Lb2，Lb3，……，Lbn另一端與均壓電容Cb1，Cb2，Cb3，……Cbn負極相連；

開關(guān)元件S1，S3，S5，……，S(2n-3)串聯(lián)接入母線B1中，開關(guān)元件S1，S3,S5，……，S(2n-3)一端分別與均壓電容Cb1，Cb2，Cb3，……，Cbn-1正極相連,開關(guān)元件S1，S3,S5，……，S(2n-3)另一端分別與均壓電容Cb2,Cb3,Cb4,……，Cbn正極相連；

開關(guān)元件S2，S4，S6，S(2n-2)串聯(lián)接入母線B2中，開關(guān)元件S2，S4，S6，S(2n-2)一端與均壓電容C1，C2，C3，……，Cbn_－1負極相連，開關(guān)元件S2，S4，S6，S(2n-2)另一端與均壓電容C2，C3，……,Cbn負極相連。

該超級電容串聯(lián)模組均壓方法，其特殊之處是：

1、采用如上所述的超級電容串聯(lián)模組均壓電路；

2、所有與均壓電容相連的開關(guān)元件同步運行，即以相同頻率、在相同時刻打開或閉合；或者所有與均壓電容相連的開關(guān)元件不同步運行，即以不相同頻率打開或閉合；或者所述開關(guān)元件同步運行與不同步運行交替進行。

進一步地，與均壓電容相連的開關(guān)元件同步運行時，步驟如下：

1、控制模塊實時采集串聯(lián)超級電容單體電壓，并計算每支超級電容單體與超級電容單體電壓平均值的差值；當差值大于閾值時，則控制模塊驅(qū)動開關(guān)元件以同一頻率不斷開關(guān)動作；

2、開關(guān)打開時，均壓電容與超級電容通過電感交換電荷；開關(guān)閉合時，均壓電容組中的均壓電容通過開關(guān)元件并聯(lián)，通過電感交換直流電流，電壓趨近于一致；

3、當每支超級電容單體與超級電容單體電壓平均值的差值小于閾值時，則控制模塊將開關(guān)元件置位于打開狀態(tài)；控制模塊循環(huán)測量超級電容單體電壓與超級電容單體電壓平均值的差值，重復(fù)步驟一；

進一步地，所述開關(guān)元件異步運行時，步驟如下：

1、控制模塊首先采集串聯(lián)連接的超級電容單體電壓，選出電壓最高和電壓最低的超級電容單體，如果極值電壓差值超過設(shè)定差值，則電壓最高的超級電容器單體與電壓最低的超級電容器單體對應(yīng)的開關(guān)連續(xù)動作，進行電壓均衡；

2、開關(guān)動作超過設(shè)定時間之后,開關(guān)停止動作，控制模塊重新采集各超級電容器單體電壓，選出電壓最高和電壓最低的超級電容單體，重復(fù)步驟一。

進一步地，所述開關(guān)元件同步運行與不同步運行交替進行時，步驟如下：

1、首先由控制模塊采集串聯(lián)連接的超級電容單體電壓，通過計算選出電壓最高和電壓最低的超級電容單體；

2、如果極值電壓差值超過超級電容器單體平均電壓值的30％，則首先在最高能量的超級電容器單體與最低能量的超級電容器單體之間進行電壓均衡，然后再進行同步運行均壓。

進一步地，同步運行時閾值為超級電容器單體平均電壓值的10％。

進一步地，同步運行時所述開關(guān)元件動作速率為10KHZ-1MHZ。

進一步地，不同步運行時，設(shè)定差值為串聯(lián)連接的超級電容平均電壓值的10％-20％。

進一步地，不同步運行時，設(shè)定工作時間為2S～20S。

均壓電容與超級電容通過電感交換電荷均壓，在開關(guān)斷開階段，均壓電容與超級電容通過電感并聯(lián)，均壓電容與超級電容交換電荷，均壓電容之間不交換電荷。在開關(guān)閉合階段，均壓電容之間并聯(lián)并且交換電荷并均衡電壓，開關(guān)交替運行則電路進行由均壓電容中轉(zhuǎn)能量的均壓過程。

本發(fā)明提出的均壓電路的有益效果是：

1、電路具有均壓特性，電路自動將電壓高的超級電容單體電荷導(dǎo)出，向電壓低的超級電容單體注入電荷，均壓過程不需要測量控制系統(tǒng)在每個開關(guān)周期進行控制，因此對測量與控制系統(tǒng)要求低，從而降低系統(tǒng)復(fù)雜度與成本。

2、與現(xiàn)有的均壓方法比較，本發(fā)明均壓速度快，在電容處于充電、放電、靜置狀態(tài)都可以進行動態(tài)均壓。在開關(guān)動作的每一個周期，開關(guān)打開期間超級電容與均壓電容交換能量，開關(guān)閉合期間，均壓電容之間交換不均衡能量。不均衡能量轉(zhuǎn)移過程并行進行，因此均壓速度與串聯(lián)電容單體數(shù)量相關(guān)性小，均壓速度快，均壓電流大。可以在電容充放電與靜置過程中實現(xiàn)實時動態(tài)均衡，適用于大容量模組均壓。

3、本發(fā)明無需泄放電阻發(fā)熱，能量損失小。本發(fā)明采用均壓電容存儲轉(zhuǎn)移超級電容之間差異電荷，均壓過程不采用泄放電阻消耗能量發(fā)熱。

4、本發(fā)明均衡過程能量轉(zhuǎn)移損失與串聯(lián)電容數(shù)量相關(guān)性小。本發(fā)明不均衡能量轉(zhuǎn)移通過均壓電容并聯(lián)實現(xiàn)，能量轉(zhuǎn)移過程并行進行，在多組超級電容串聯(lián)時，當具有電壓差距的電容相距較遠的時候，均壓過程能量損耗主要為電感直流電阻損耗，總值較小。與現(xiàn)有的均壓方法比較，轉(zhuǎn)移過程的能量損失與串聯(lián)電容數(shù)量相關(guān)性小。

除以上優(yōu)點之外，本發(fā)明還具有以下有益效果：

1、與現(xiàn)有采用變壓器的均壓方法比較，本發(fā)明系統(tǒng)重量輕。電感不做為儲能中轉(zhuǎn)器件使用，因此可以選用重量更輕的器件，而不采用變壓器器件，系統(tǒng)重量輕。

2、本發(fā)明可以采用不同控制策略。本發(fā)明控制邏輯靈活性高，既可以采用開環(huán)控制策略，也可以采用閉環(huán)控制策略。即可以對特定單體進行控制，也可以進行全部單體的同步均壓運行。可以根據(jù)實際應(yīng)用情況，提高控制系統(tǒng)性能價格比。

3、本發(fā)明可以通過高速有效的均壓達到提高電容模組可靠性，減少電容失效的效果。

4、因為本發(fā)明可以根據(jù)算法控制只在特定階段動作，開關(guān)損耗小。

5、本發(fā)明適用靈活性高。因為本發(fā)明均壓速度、均壓效果與超級電容串聯(lián)數(shù)量沒有關(guān)系。既適合于串聯(lián)超級電容較多的情況也適用于串聯(lián)超級電容較少的情況。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

圖1是本發(fā)明第一種方案電路原理圖。

圖2是本發(fā)明第二種方案電路原理圖。

圖3是第一種方案實施例對應(yīng)的電路原理圖。

圖4是本發(fā)明控制方法中開關(guān)同步動作程序流程圖。

圖5是本發(fā)明控制方法中開關(guān)異步動作程序流程圖。

圖6是本發(fā)明控制方法中開關(guān)同步異步交替動作程序流程圖。

圖7是第一種方案靜置均壓仿真電路原理圖。

圖8是第一種方案充電均壓仿真電路原理圖。

圖9是第一種方案放電均壓仿真電路原理圖。

圖10是第一種方案靜置均壓仿真結(jié)果示意圖。

圖11是第一種方案充電均壓仿真結(jié)果示意圖。

圖12是第一種方案放電均壓仿真結(jié)果示意圖。

圖13、圖14、圖15為第1種均壓電路仿真結(jié)果示意圖。

圖16是第二種方案均壓電路靜置仿真結(jié)果示意圖。

圖17是第二種方案均壓電路充電仿真結(jié)果示意圖。

圖18為第二種方案均壓電路放電仿真結(jié)果示意圖。

圖中1、超級電容C1，C2，C3，C4......C

n；2、開關(guān)元件S1,S2,S3,S4，……，S2n；3、均壓電容Cb1,Cb2,Cb3,Cb4，……，Cbn；4、電感元件La1,La2,La3,La4，……，Lan；5、電感元件Lb1,Lb2,Lb3,Lb4，……，Lbn；6、模組控制器U1；7、模擬信號線或數(shù)字總線BUS1；8.控制信號連接BUS2；9、開關(guān)驅(qū)動模塊SC1，…，SC8；10、隔離驅(qū)動模塊ISOLATOR1，…，ISOLATOR8；11、測量模塊MU1，…，MUn；12、控制總線databus。

具體實施方式

超級電容器串聯(lián)模組均壓電路包括均壓部分與控制部分。具體實施時，有多種情況，以下舉例二種實施情況。

第一種技術(shù)方案：

如圖1所示，設(shè)n為≥4的正整數(shù)，均壓電路由以下元件構(gòu)成：

1、超級電容C1，C2，C3，……，Cn，共n個；

2、開關(guān)元件S1，S2，S3，S4，……，S2n共2n個；

3、均壓電容Cb1，Cb2，Cb3，……，Cbn共n個；

4、電感元件La1，La2，La3，……，Lan共n個；

5、電感元件Lb1，Lb2，Lb3，……，Lbn共n個；

6、均壓母線B1、B2；

以上元件以下述網(wǎng)絡(luò)關(guān)系連接：

超級電容C1，C2，C3，……，Cn，正極負極首尾相連，串聯(lián)連接；

電感元件La1，La2，La3，……，Lan一端分別與對應(yīng)的超級電容C1，C2，C3，……，Cn正極相連,電感元件La1，La2，La3，……，Lan另一端與對應(yīng)的均壓電容Cb1，Cb2，Cb3，……，Cbn正極相連；電感元件Lb1，Lb2，Lb3，…，Lbn一端與對應(yīng)的超級電容C1，C2，C3，……，Cn負極相連,電感元件Lb1，Lb2，Lb3，……，Lbn另一端與對應(yīng)的均壓電容Cb1，Cb2，Cb3，……，Cbn負極相連；

開關(guān)元件S1，S3，S5，……，S(2n-1)一端與均壓電容Cb1，Cb2，Cb3，……，Cbn正極相連,另一端與母線B1相連；開關(guān)元件S2，S4，S6，……，S2n一端與均壓電容Cb1，Cb2，Cb3，……，Cbn負極相連,另一端與母線B2相連。

第二種技術(shù)方案：

如圖2所示，設(shè)n為≥4的正整數(shù)，該超級電容器串聯(lián)模組均壓電路由以下元件構(gòu)成：

設(shè)n為正整數(shù)，均壓電路由以下元件構(gòu)成：

1)超級電容C1，C2，C3，……，Cn，共n個；

2)電感元件La1,La2,La3,……，Lan共n個；

3)電感元件Lb1,Lb2,Lb3,……，Lbn,共n個；

4)均壓電容Cb1,Cb2,Cb3,……，Cbn共n個；

5)開關(guān)元件S1，S2，S3，……，S2n共2n-2個；

6)母線B1,B2共2個；

以上元件組成以下網(wǎng)絡(luò)關(guān)系連接：

設(shè)n為正整數(shù)，超級電容單體C1，C2，C3，...，Cn，正極負極首尾相連，串聯(lián)連接；

電感元件La1，La2，La3,……，Lan一端與電容C1，C2，C3，……Cn正極相連,電感元件La1，La2，La3，……，Lan另一端與均壓電容Cb1，Cb2，Cb3，……Cbn正極相連；

電感元件Lb1，Lb2，Lb3，……，Lbn一端與電容C1，C2，C3，……Cn負極相連,電感元件Lb1，Lb2，Lb3，……，Lbn另一端與均壓電容Cb1，Cb2，Cb3，……Cbn負極相連；

開關(guān)元件S1，S3，S5，……，S(2n-3)串聯(lián)接入母線B1中，開關(guān)元件S1，S3,S5，……，S(2n-3)一端分別與均壓電容Cb1，Cb2，Cb3，……，Cbn-1正極相連,開關(guān)元件S1，S3,S5，……，S(2n-3)另一端分別與均壓電容Cb2,Cb3,,……，Cbn正極相連；

開關(guān)元件S2，S4，S6，S(2n-2)串聯(lián)接入母線B2中，開關(guān)元件S2，S4，S6，S(2n-2)一端與均壓電容C1，C2，C3，……，Cbn_－1負極相連，開關(guān)元件S2，S4，S6，S(2n-2)另一端與均壓電容C2，C3，……,Cbn負極相連。

以上元件構(gòu)成以下網(wǎng)絡(luò)關(guān)系連接：

超級電容單體C1，C2，C3，...，Cn，正極負極首尾相連，串聯(lián)連接；電感元件Lan一端與電容Cn正極相連,電感元件Lan另一端與均壓電容Cbn正極相連；電感元件Lbn一端與電容Cn負極相連,電感元件Lbn另一端與均壓電容Cbn負極相連。

開關(guān)元件S(2n-3)串聯(lián)接入母線B1中，開關(guān)元件S(2n-3)一端與均壓電容Cbn正極相連,另一端與均壓電容Cbn-1正極相連。

開關(guān)元件S(2n-2)串聯(lián)接入母線B2中，開關(guān)元件S(2n-2)一端與均壓電容Cbn負極相連,另一端與均壓電容Cbn-1負極相連。

下面結(jié)合具體實例對本發(fā)明詳細說明。

實施例1

對應(yīng)第一種技術(shù)方案，如圖3所示，n＝4，所述均壓電路包括超級電容模塊C1、C2、C3、C4，開關(guān)元件S1、S2、S3、S4，均壓電容Cb1、Cb2、Cb3、Cb4，電感元件La1、La2、La3、La4，電感元件Lb1、Lb2、Lb3、Lb4。開關(guān)驅(qū)動模塊SC1、SC2、SC3、SC4、SC5、SC6、SC7、SC8，控制模塊U1，信號總線BUS1,控制信號總線databus，隔離模塊ISOLATOR1、ISOLATOR2、ISOLATOR3、ISOLATOR4、ISOLATOR5、ISOLATOR6、ISOLATOR7、ISOLATOR8，測量模塊MU1,…,MU4。

超級電容單體C1、C2、C3、C4的正極、負極首尾相連，串聯(lián)連接。電感元件La1、La2、La3、La4一端分別與電容C1、C2、C3、C4正極相連,電感元件La1、La2、La3、La4另一端分別與均壓電容Cb1、Cb2、Cb3、Cb4正極相連。

電感元件Lb1、Lb2、Lb3、Lb4一端分別與電容C1、C2、C3、C4的負極相連,電感元件Lb1、Lb2、Lb3、Lb4另一端分別與均壓電容Cb1、Cb2、Cb3、Cb4負極相連。

開關(guān)元件S1、S3、S5、S7一端分別與均壓電容Cb1、Cb2、Cb3、Cb4正極相連,開關(guān)元件S1、S3、S5、S7另一端與母線B1相連。

開關(guān)元件S2、S4、S6一端與均壓電容Cb1、Cb2、Cb3、Cb4負極相連,另一端與母線B2相連。

控制模塊U1通過信號總線BUS1與測量模塊MU1，…，MU4相連接，通過控制信號線databus分別與隔離模塊ISOLATOR1，…，ISOLATOR8連接，隔離模塊ISOLATOR1，…，ISOLATOR8分別與開關(guān)驅(qū)動模塊SC1，…，SC8連接。

開關(guān)驅(qū)動模塊SC1，…，SC8分別與開關(guān)元件S1，…，S8相連接。

控制模塊U1具有二個主要功能，一是采集或匯總超級電容單體電壓信號、電流信號及溫度信號；二是實行具體控制策略，輸出開關(guān)控制信號，控制均壓電路運行。測量模塊采集超級電容單體電壓之后，通過數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)傳送至控制模塊。控制模塊實時監(jiān)測超級電容模組兩端電壓。

隔離模塊ISOLATOR,ISOLATOR1，…，ISOLATOR8的基本功能就是將開關(guān)驅(qū)動模塊控制信號與控制模塊控制信號電氣隔離。隔離模塊一端與數(shù)據(jù)線DATABUS相連，另一端與開關(guān)驅(qū)動模塊SC1，…，SC8分別相連。

開關(guān)元件S1，…及S8為半導(dǎo)體開關(guān)器件如三極管、達林頓管、IGBT、場效應(yīng)晶體管、可關(guān)斷晶閘管，本實施例選用三極管。開關(guān)器件可以選用元件或元件的組合。不同的開關(guān)可以同步動作，也可以根據(jù)算法分別動作，以實現(xiàn)均壓效果優(yōu)化。

電感元件La1，…，La3；Lb1，…，Lb3,可以選用不同類型空芯或鐵芯電感元件，本實施例選用鐵芯電感元件。均壓電容元件Cb1，…，Cb4可以選用不同類型電容元件，本實例選用電解電容。電感元件與電容元件均可以選用元件或具有元件特性的元件的組合。

實際實施時，本電路可以進一步與計算機監(jiān)控系統(tǒng)配合使用。

以下說明均壓系統(tǒng)控制策略：

1、在圖4所示流程中，開關(guān)組同步運行。在此情況下，開關(guān)以相同頻率，在相同時刻打開或閉合。具體流程是：控制模塊實時采集串聯(lián)超級電容單體電壓，實時計算單體電壓平均值與每支超級電容單體的差值。當差值大于閾值(閾值根據(jù)實際情況設(shè)定，本實施例為超級電容器單體平均電壓值的10％)時，則控制模塊啟動方波輸出，方波驅(qū)動開關(guān)元件以同一頻率不斷開關(guān)動作。開關(guān)打開時，均壓電容與超級電容通過電感交換電荷。開關(guān)閉合時，均壓電容組中的均壓電容通過開關(guān)并聯(lián)，通過電感交換直流電流，電壓趨近于一致。當差值小于設(shè)定閾值時，則控制模塊將開關(guān)置位于打開狀態(tài)?？刂颇K循環(huán)測量超級電容單體電壓與平均值差值。

2、在圖5所示流程中，開關(guān)組異步運行。在此情況下，開關(guān)不同時打開或閉合，而由控制模塊控制打開或閉合。具體流程是首先采集串聯(lián)連接的超級電容單體電壓，選出電壓最高和電壓最低的超級電容單體，如果極值電壓差值超過設(shè)定差值(設(shè)定差值范圍可根據(jù)具體情況設(shè)置，其值為串聯(lián)連接的超級電容本平均電壓值的10％-20％，本實施例平均電壓為1V，設(shè)定差值為0.2V)，則電壓最高單體與電壓最低單體對應(yīng)的開關(guān)連續(xù)動作，進行電壓均衡。開關(guān)動作超過設(shè)定時間(設(shè)定工作時間由具體工況確定，設(shè)定時間可在2S～20S之間選擇，本實施例針對10F電容進行均壓時，設(shè)置為5S)之后,開關(guān)停止動作，重新測量各單體電壓，選出電壓最高和電壓最低的超級電容單體。

這種模式在具體實施時主要適用于個別單體性能與多數(shù)單體差異較大的情況。或者適用于靜置階段，以減少開關(guān)損耗。在這種模式下，電壓均衡過程依然由電路特性決定，因此也不要求對進行精確測量。

3、在圖6所示流程圖中，開關(guān)組同步運行與不同步運行交替。具體流程是，首先由控制模塊采集串聯(lián)連接的超級電容單體電壓，通過計算選出電壓最高和電壓最低的超級電容單體，如果極值電壓差值超過平均電壓值的30％，說明超級電容單體出現(xiàn)了個體性能差別較大的情況，則首先在最高能量單體與最低能量單體之間進行電壓均衡，然后再進行同步運行均壓。這種運行方式一方面可以加快模組均壓速度，另一方面可以減少開關(guān)損耗。

根據(jù)以上說明，均壓電路與控制模塊結(jié)合，采用以上任意一種控制策略可在超級電容模組不同狀態(tài)下進行動態(tài)均壓。

以下說明具體實施時不同運行狀態(tài)的均壓原理：

在實際使用時，超級電容存在著充電、靜置和放電三個基本狀態(tài)，超級電容模組在運行過程中，通常以這三個基本狀態(tài)為基礎(chǔ)，循環(huán)切換。這三個狀態(tài)包括：

①充電狀態(tài)。外部電源與超級電容模組兩端連接，充電過程開始后電荷從外部電源流向超級電容模組。

②放電狀態(tài)。超級電容模組兩端與負載連接，放電過程開始后電荷從超級電容模組流向外部負載電路。

③靜置狀態(tài)。超級電容電路不與外部電源或負載連接，超級電容模組中單體存在自放電。

不同狀態(tài)的詳細原理描述如下：

①充電狀態(tài)。串聯(lián)超級電容單體存在充電時電壓上升速度不一致。這一現(xiàn)象導(dǎo)致最終單體電壓不一致。充電階段，存在超級電容電壓高于均壓電壓情況與超級電容電壓低于均壓電壓情況。

超級電容電壓高于均壓電容電壓情況，電壓高的超級電容向均壓電容放電電流大，超級電容充電電流減小多，減慢超級電容電壓上升速度，電壓低的超級電容，向均壓電容放電慢，超級電容充電電流減小少，在充電過程中實現(xiàn)了對超級電容單體的均壓。

超級電容電壓低于均壓電容電壓情況，此過程均壓電容向超級電容放電。均壓電容向電壓高的超級電容充電電流小，均壓電容向電壓低的超級電容充電電流大。在此過程中，電壓高的超級電容充電速度減慢，電壓低的超級電容充電速度加快。

此過程持續(xù)，電壓差不斷減小。

②放電狀態(tài)。由于元件個體差異，超級電容存在放電速度不同，電壓不一致的情況，當超級電容電壓高于均壓電容時，電壓較高的超級電容向均壓電容充電電流大，超級電容放電速度加快，電壓下降加快。電壓低的超級電容向均壓電容充電電流小，充電速度減慢。電壓低的超級電容電壓下降速度減慢，電壓高的超級電容電壓下降速度加快，經(jīng)過時間積累，電壓趨向均衡。

對于超級電容電壓低于均壓電容的情況，電壓較高的超級電容，均壓電容向其充電電流小，超級電容放電總電流較大，電壓下降加快，電壓較低的超級電容，均壓電容向其充電電流較大，超級電容放電總電流較小，電壓下降減慢。經(jīng)過時間積累，電壓趨向均衡。

③靜置狀態(tài)。超級電容存在自放電?？刂颇K監(jiān)控超級電容單體電壓，當超級電容單體電壓與平均值之差超出允許范圍，控制模塊控制開關(guān)動作進行均壓，當超級電容單體電壓差沒有超出允許范圍，則控制模塊控制開關(guān)保持斷開。

超級電容電壓高于均壓電容電壓情況，此情況電壓較高的超級電容向均壓電容充電電流大，加快電壓較高超級電容的電壓下降速度，電壓較低的超級電容向均壓電容充電電流小，減慢電壓較低超級電容電壓下降速度。

超級電容低于均壓電容情況，此情況均壓電容向電壓較高的超級電容充電電流較小，此時超級電容電壓升高速度減慢。此情況均壓電容向電壓較低的超級電容充電電流較大，此時超級電容電壓升高速度加快。

以下通過仿真實驗驗證均壓電路效果。

圖7、圖8、圖9為實施例1均壓電路仿真原理。圖中超級電容額定值為10F，包括超級電容模塊C1、C2、C3、C4；開關(guān)S1、S2、S3、S4，S5、S6、S7、S8；均壓電容Cb1、Cb2、Cb3、Cb4；電感元件La1、La2、La3；電感元件Lb1、Lb2、Lb3、Lb4；控制模塊U1，信號總線BUS1,控制信號總線databus。超級電容電壓分別為U1、U2、U3、U4。

超級電容單體C1、C2、C3、C4，正極負極首尾相連，串聯(lián)連接。

以n(＝1、2、3、4)為元件序號，其它元件的連接方式為：

電感元件Lan一端與電容Cn正極相連,電感元件Lan另一端與均壓電容Cbn正極相連。電感元件Lbn一端與電容Cn負極相連,電感元件Lbn另一端與均壓電容Cbn負極相連。開關(guān)元件S(2n-1)一端與均壓電容Cbn正極相連,另一端與母線B1相連。開關(guān)元件S2n一端與均壓電容Cbn負極相連,另一端與母線B2相連。

超級電容C1容值為10μF、C2容值為10.3μF、C3容值為10.6μF、C4容值為11μF；均壓電容Cb1、Cb2、Cb3、Cb4值均為4000μF；均壓電感La1、La2、La3、La4與均壓電感Lb1、Lb2、Lb3、Lb4值均為1.4μH；開關(guān)S1、S2、S3、S4，S5、S6、S7、S8開關(guān)頻率為100kHz。

其中圖7為實施例1均壓電路靜置仿真原理圖。圖中串聯(lián)電容組TA、TB端開路。

圖8為實施例1均壓電路充電仿真原理圖。圖中串聯(lián)電容組TA、TB端接入5A電流源為串聯(lián)超級電容組充電。

圖9為實施例1均壓電路放電仿真原理圖。圖中串聯(lián)電容組TA、TB端接入1Ω電阻作為負載放電。

圖13、圖14、圖15為第1種均壓電路仿真結(jié)果。圖中‘*’線代表C1電壓U1,‘+’線代表C2電壓U2,‘.’線代表C3電壓U3,‘o’線代表C4電壓U4。

圖13為第1種均壓電路靜置仿真結(jié)果。結(jié)果表明，超級電容電壓U1、U2、U3、U4,分別由初值2.9V、2.6V、2.32V、2.1V在4S處均壓到2.45V。

圖14為第1種均壓電路充電仿真結(jié)果。結(jié)果表明，超級電容電壓U1、U2、U3、U4,分別由初值0V、0.2V、0.4V、0.6V在3S處電壓一致為1.7V,之后電壓一致上升。

圖15為第1種均壓電路放電仿真結(jié)果，其中超級電容電壓U1、U2、U3、U4,分別由初值3V，2.6V、2.3V、2V在3S處電壓一致為0.7V,之后電壓一致下降。

圖16顯示第2種均壓電路靜置仿真結(jié)果。結(jié)果表明，超級電容電壓U1、U2、U3、U4,分別由初值3V，2.5V，2.0V，1.5V在4S處均壓到2.45V。

實施例2

對應(yīng)第二種技術(shù)方案，圖10、圖11、圖12為第二種技術(shù)方案對應(yīng)的均壓電路仿真原理圖。圖中超級電容額定值為10F，包括超級電容模塊C1、C2、C3、C4；開關(guān)S1、S2、S3、S4，S5、S6；均壓電容Cb1、Cb2、Cb3、Cb4；電感元件La1、La2、La3；電感元件Lb1、Lb2、Lb3、Lb4；控制模塊U1，信號總線BUS1,控制信號總線databus。超級電容電壓分別為U1、U2、U3、U4。

超級電容單體C1，C2，C3，C4，正極負極首尾相連，串聯(lián)連接。

電感元件La1、La2、La3、La4一端分別與電容C1、C2、C3、C4正極相連,電感元件La1、La2、La3、La4另一端分別與均壓電容Cb1、Cb2、Cb3、Cb4正極相連。

電感元件Lb1、Lb2、Lb3、Lb4一端分別與超級電容C1，C2，C3，C4負極相連,電感元件Lb1、Lb2、Lb3、Lb4另一端分別與均壓電容Cb1、Cb2、Cb3、Cb4負極相連。

開關(guān)元件S1、S3、S5串聯(lián)接入母線B1中，開關(guān)元件S1、S3、S5一端分別與均壓電容Cb2、Cb3、Cb4正極相連,另一端分別與均壓電容Cb1、Cb2、Cb3正極相連。開關(guān)元件S2、S4、S6串聯(lián)接入母線B2中，開關(guān)元件S2、S4、S6一端與均壓電容Cb2、Cb3、Cb4負極相連,另一端與均壓電容Cb1、Cb2、Cb3負極相連。

不同狀態(tài)的詳細原理及控制策略與實施例1相同。

超級電容C1容值為10μF、C2容值為10.3μF、C3容值為10.6μF、C4容值為11μF；均壓電容Cb1、Cb2、Cb3、Cb4值均為4000μF；電感元件La1、La2、La3、La4與電感元件Lb1、Lb2、Lb3、Lb4值均為1.4μH；開關(guān)S1、S2、S3、S4，S5、S6開關(guān)頻率為100kHz。

其中圖10為本實施例的均壓電路靜置仿真原理圖。串聯(lián)電容組TA、TB端開路。

圖11為本實施例的均壓電路充電仿真原理圖。串聯(lián)電容組TA、TB端接入5A電流源為串聯(lián)超級電容組充電。

圖12為本實施例的均壓電路放電仿真原理。串聯(lián)電容組TA、TB端接入1Ω電阻作為負載放電。

圖17為本實施例均壓電路充電仿真結(jié)果。結(jié)果表明，超級電容電壓U1、U2、U3、U4,分別由初值0V，0.2V，0.4V，0.6V在3S處電壓一致為1.7V,之后電壓一致上升。

圖18為本實施例均壓電路放電仿真結(jié)果，其中超級電容電壓U1、U2、U3、U4,分別由初值3V，2.5V，2V，1.5V在10S處電壓一致為0.1V,之后電壓一致下降至放電結(jié)束。

由圖10至圖18所示結(jié)果表明，本發(fā)明提出的均壓電路在超級電容組靜置、充電和放電的狀態(tài)下均具有動態(tài)均壓效果。

以上僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。