超級電容器 (SC)通常在約 2.7 V 的低電壓下工作。為了實現(xiàn)更高的工作電壓，需要建立串聯(lián)的超級電容器單元級聯(lián)。由于生產(chǎn)或老化導致電容和絕緣電阻的變化，單個電容器上的電壓降可能會超過額定電壓限制。因此，需要一個平衡系統(tǒng)來防止電容器單元加速老化。
下面將從原理上解釋這種串聯(lián)電路中電壓不均等分壓的影響。為了更好地理解，我們將討論使用兩個電容器串聯(lián)的平衡策略。
超級電容器串聯(lián)不平衡問題
不平衡問題的原因
單體電容容量的偏差：超級電容器單體之間的容量可能存在偏差，這種偏差在串聯(lián)連接時會導致各單體充電電壓不均衡。容量小的單體可能較快地達到額定電壓，而容量大的單體則充電不足，影響整體性能。
漏電流參數(shù)的偏差：每個超級電容器單體都存在一定的漏電流，漏電流的大小因單體而異。在長時間靜置或使用過程中，漏電流大的單體電荷損失更多，導致單體電壓不均衡。
制造和組裝誤差：在超級電容器電池的制造和組裝過程中，由于生產(chǎn)工藝的差異，不同電容單元或模塊之間的性能可能存在較大差異，進而導致電壓差異。
使用不均衡：超級電容器電池在充放電過程中的使用時間、電流大小等條件不同，也可能導致電壓差異。
內(nèi)部電阻差異：由于電容單元或模塊的內(nèi)部結構或材料的差異，其內(nèi)部電阻可能存在差異，進而影響電壓的分布。
平衡策略
本文根據(jù)各種特征對平衡策略進行分類，例如：
· 能量耗散行為
· 平衡速度
· 使用的技術類型
· 方案價格
因此，在選擇正確的平衡策略時，了解具體應用的所有參數(shù)和約束條件以做出正確選擇非常重要。在這里，我們區(qū)分主動平衡和被動平衡。
主動平衡涉及使用主動控制開關或放大器系統(tǒng)。被動平衡涉及使用分流器或電壓相關電阻器來降低過壓的影響。與被動平衡相比，主動平衡速度快且通常節(jié)能，但成本也相對較高。另一方面，被動平衡相對較慢，通常會導致電荷損失增加，但成本較低。
測量
測試購買的兩個超級電容進行串聯(lián)連接：
· 電容器 1：C 1 = 10 F
· 電容器 2：C 2 = 15 F
這對應于與標稱電容 C r = 12.5 F的理論電容器的偏差。
對于充電，我們使用了充電電壓 V g = 5.4 V 和最大充電電流 I c = 2 A。
為了確保電路設計的可靠性，我們想強調(diào)的是，不建議將具有不同標稱電容的 SC 組合在一起。此組合僅用于實驗目的。
我們還研究了每個電路在 24 小時內(nèi)的自放電行為。為此，我們在電容器完全充電并平衡后將整個平衡電路與主電源斷開。
1kΩ電阻
對于被動平衡，我們使用了 1 kΩ (1%) 電阻，額定功率為 0.6 W。選擇該電阻是為了縮短平衡時間，而不是降低功耗。測量的電壓V 1和V 2以及由此產(chǎn)生的電壓差V 1 – V 2 表明大約 600 分鐘后完全平衡。V 1和V 2漸近地接近V r。
流Iloss計算)為 2.8 mA × 5.4 V ≈ 15 mW。對于低功耗應用或備用解決方案，此補償速度足夠快，功耗可以接受。對于獨立電池供電應用，應增加電阻以減少損耗。為了安全起見，還建議降低工作電壓以避免過壓。
齊納二極管 BZX79-B2V7
我們使用了 NXP Semiconductors 的穩(wěn)壓二極管 BZX79-B2V7。結果大約 80 分鐘后，均衡完成。數(shù)據(jù)表中總功耗值為 500 mW，測量值大致符合理論近似值。
12小時后的總功耗(有效漏電流，Iloss)為 5 mA × 5.4 V ≈ 27 mW。在較低電壓下，功耗甚至更低。
MOSFET ALD910022(測試板SABMB2)
基于 MOSFET 的均衡電路是使用 Advanced Linear Devices 的 ALD910022 MOSFET 的 SABMB2 測試板實現(xiàn)的。結果顯示，約 300 分鐘后均衡完成。12 小時后的總功耗為 1.5 mA × 5.4 V ≈ 8 mW，與齊納二極管一樣低。
放大器OPA2677
對于主動平衡，我們使用了 OPA2677 放大器(德州儀器)。OPA2677 的優(yōu)勢在于輸出電流相對較高，為 500 mA，可實現(xiàn)快速平衡。測量的電池電壓表明在充電時間內(nèi)立即實現(xiàn)平衡，對于本次測量，充電時間約為 3 分鐘。輸出端的阻尼電阻不應小于 0.4 Ω，以防止輸出電壓振蕩。1 Ω 的電阻可在快速均衡和阻尼之間實現(xiàn)最佳平衡。12 小時后的總功耗為 50 mA × 5.4 V ≈ 270 mW。大部分功率通過放大器電源端子耗散。這種相對較高的功耗顯示了此類策略的主要缺點。雖然它速度很快，但也有很高的持久功耗。
平衡板LTC3128
DC1887A 評估板使用 ADI 公司的 LTC3128 降壓-升壓充電和平衡電路。它使用 4.2 V 的預設電壓為 SC 充電。該板以 5.5 V 的電源電壓運行。測量結果，表明 1.5 分鐘后完全平衡。
概括
電阻平衡是最慢的平衡策略，但具有功耗低、成本低、電路設計最簡單的優(yōu)點。齊納二極管的平衡速度適中。它具有功耗相對較低、成本較低、電路設計最簡單的優(yōu)點。
MOSFET 電路的功耗也相對較低。給定示例的補償速度適中。雖然與其他策略相比，運算放大器提供了快速平衡，但它的功耗最高。平衡評估板提供了最快的平衡和適中的功耗。總的來說，這是一種方便但有點昂貴的解決方案。
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