李 偉 路廷鎮(zhèn) 薛海峰 牛余朋

（中國人們解放軍96630部隊(duì)，中國 北京 102206）

0 引言

超級電容因其具有功率密度高、循環(huán)壽命長、大電流放電能力強(qiáng)、能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)保無污染等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在電力機(jī)車、電力系統(tǒng)功率補(bǔ)償設(shè)備等短時(shí)、大功率的應(yīng)用場合得到了廣泛應(yīng)用。超級電容的單體電壓較低，一般只有2.7V，因此在實(shí)際應(yīng)用中，需要將多個(gè)超級電容串聯(lián)起來提供高工作電壓。由于材料和制作工藝的不同，超級電容在串聯(lián)過程中單體間容量、等效串聯(lián)電阻、漏電流等差異將導(dǎo)致串聯(lián)系統(tǒng)中單體電壓的不均衡，從而使超級電容出現(xiàn)過充或過放現(xiàn)象，降低能量的利用率。為了更加高效的利用超級電容，需要采用電壓均衡策略以減小或者消除單體間的不均衡。

本文詳細(xì)分析了TLVH431的工作特性，設(shè)計(jì)基于其特性的超級電容電壓均衡電路，通過分析芯片的工作原理，解析了均衡電路各部分參數(shù)。該均壓電路結(jié)構(gòu)簡單，不需要閉環(huán)控制，充電過程中，單體出現(xiàn)電壓失衡時(shí)均壓自動(dòng)完成，該電路可以長時(shí)間工作，并且可以在多種場合中應(yīng)用。

1 TLVH431簡介

TLVH431是德州儀器公司生產(chǎn)的一個(gè)有良好熱穩(wěn)定性能的精密三端并聯(lián)穩(wěn)壓二極管并聯(lián)穩(wěn)壓器。如圖1所示，TLVH431由一個(gè)Vref=1.24V的精密基準(zhǔn)電壓源、一個(gè)電壓比較器和一個(gè)輸出開關(guān)管等組成。參考端R2的輸出電壓與1.24V的精密基準(zhǔn)電壓源比較，調(diào)節(jié)R1、R2的阻值，當(dāng)R2端電壓Vr達(dá)到或超過1.24V時(shí)，TLVH431陰極向陽極方向立即導(dǎo)通，即Vo=Vref，精確控制R2端電壓，就可以精確控制其陰極向陽極方向的開關(guān)狀態(tài)。其中R1、R2設(shè)定參考如下：

該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為0.25Ω，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如數(shù)字電壓表、運(yùn)放電、可調(diào)壓電源開關(guān)電源等。

圖1 TLVH431參考圖

2 均壓電路分析

本文針對串聯(lián)超級電容組設(shè)計(jì)的均衡電路框圖如圖2所示，其基本原理為在基礎(chǔ)的充電電路中加入超級電容并聯(lián)電路，當(dāng)電容單體電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，與電容并聯(lián)的電路導(dǎo)通，繼續(xù)為其他電容充電，直到所有電容電壓達(dá)到設(shè)定值，充電工作結(jié)束。

圖2 均壓電路框圖

圖3 充電電流流向示意圖

圖3所示為假設(shè)電容C1兩端電容達(dá)到設(shè)定電壓而其他電容電壓未達(dá)到設(shè)定電壓時(shí)，電流的流經(jīng)路徑。由圖可以看出，控制電路檢測C1電壓狀態(tài)，當(dāng)電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，與C1并聯(lián)的電路導(dǎo)通，C1的充電結(jié)束，而其他電容的充電繼續(xù)。

本文設(shè)計(jì)單體電容均壓電路如圖4所示，設(shè)定當(dāng)電容兩端電壓Vc達(dá)到2.36V時(shí)，TLVH431導(dǎo)通，及參考端電壓達(dá)到1.24V，根據(jù)式（1）計(jì)算可得到R1=27KΩ，R2=30KΩ，TLVH431與光電耦合器 TLP521組成反饋隔離電路，通過ST端將均衡信號傳遞給單片機(jī)，R4為光耦的限流電阻，其計(jì)算公式為：

其中，Vc超級電容兩端電壓，Vo、Vt分別為 TLVH431和TLP521導(dǎo)通壓降。本設(shè)計(jì)中每個(gè)電容單體電壓設(shè)定為2.36V，TLVH431導(dǎo)通時(shí)的壓降為1.24V，而光耦壓降為0.7V，基極電流約為10mA，經(jīng)計(jì)算R4=51KΩ較為合適。為使LED指示燈達(dá)到預(yù)期效果，其電流應(yīng)在10mA～100mA范圍內(nèi)，運(yùn)用同樣的方法可計(jì)算出LED限流電阻 R3=150KΩ。

圖4 均壓電路圖

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

首先，對三單體串聯(lián)電路進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。圖5所示為對三個(gè)電容值相同初始電壓不同的超級電容進(jìn)行充電均壓的仿真結(jié)果。C1=C2=C3=20F，VC1（0）=1.1V，VC2（0）=1V，VC3（0）=0.9V，設(shè)定最終電壓為2.36V。通過分析電容電壓波形斜率可以看出，充電初期，由于三個(gè)超級電容單體電容值相同，流經(jīng)串聯(lián)電路的電流相同，電壓的上升基本平行，當(dāng)單體電壓達(dá)到2.36V，保持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 不同電壓電容均壓仿真圖

圖6所示為對三個(gè)電容值不同、初始電壓相同的超級電容進(jìn)行充電均衡的仿真結(jié)果。其中，三個(gè)超級電容的電容值分別為C1=22F，C2=20F，C3=18F，VC1（0）=VC2（0）=VC3（0）=1V，初始電壓為 ，由仿真波形可以看出，由于電容值不同，三個(gè)電容電壓上升斜率不同，但最終電容電壓可以達(dá)到一致狀態(tài)。

圖6 不同容值電容均壓仿真圖

圖7 均壓電路板

如圖7所示為超級電容均壓電路實(shí)驗(yàn)板，在試驗(yàn)中，將6節(jié)MAXWELL公司生產(chǎn)的3000F/2.7V超級電容串聯(lián)，設(shè)定充電電壓為14.16V，即每個(gè)超級電容單體電壓為2.36V，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得知由于DC/DC電路的限流作用，充電初始階段，為恒流充電，充電電流IC維持在8A，隨著串聯(lián)電容組電壓升高，充電電流逐漸下降，當(dāng)電容組電壓達(dá)到14V時(shí)，即每個(gè)電容單體電壓達(dá)到2.3V左右時(shí)，均衡電路開始工作，指示燈逐個(gè)亮起，當(dāng)均衡工作結(jié)束時(shí)，單片機(jī)切斷充電電源，整個(gè)充電均壓過程結(jié)束。

圖8 均壓電路實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié)論

本文介紹了基于TLVH431的超級電容組均壓電路的實(shí)驗(yàn)研究，詳細(xì)分析了TLVH431的工作原理，計(jì)算電路中各部分參數(shù)。與傳統(tǒng)的電壓均衡電路相比較，該電路結(jié)構(gòu)清晰，控制方法簡單，易于實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該電路具有良好的充電均壓特性，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

［1］劉愛國.TL431在開關(guān)電源中的應(yīng)用[J].科技信息.2012(27):124.

［2］Aiguo X,Shaojun X,Xiaobao L.Dynamic Voltage Equalization for Series-Connected Ultracapacitors in EV/HEV Applications[J].Vehicular Technology,IEEE Transactions on.2009,58(8):3981-3987.

［3］李海冬,馮之鉞,齊智平.一種超級電容器快速電壓均衡方法的研究[J].電源技術(shù),2007,31(03):186-190.

［4］孫頻東.串聯(lián)蓄電池均衡充電系統(tǒng)[J].南京師范大學(xué)學(xué)報(bào):工程技術(shù)版,2006,6(01):12-16.

［5］朱慶,房緒鵬.TL431在鎘鎳電池充電電路中的一種應(yīng)用[J].山東電子,2001(03):44.

［6］汪娟華,范偉,張建成,阮軍鵬.超級電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)統(tǒng)一模型的研究[J].電力科學(xué)與工程,2008,24(02):1-4.