文明，張立強(qiáng)，董浩

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一種用于聲吶發(fā)射機(jī)的超級電容被動(dòng)均壓簡易實(shí)用電路

文明，張立強(qiáng)，董浩

(上海船舶電子設(shè)備研究所，上海201108)

超級電容器的性能不一致性會(huì)造成處于串聯(lián)模式的電容組中個(gè)別電容器首先發(fā)生過壓失效，進(jìn)而加速整個(gè)儲(chǔ)能組的失效。現(xiàn)有的均壓電路一般工作在線性狀態(tài)，電路也較復(fù)雜，不便于調(diào)試和生產(chǎn)。介紹了一種僅由5個(gè)元器件組成的簡易、實(shí)用、高效的開關(guān)型被動(dòng)均壓電路，分析了其工作原理及均壓特性。該電路在聲吶發(fā)射機(jī)的儲(chǔ)能電源中可長期使用，很好地保護(hù)了超級電容組。

均壓電路；超級電容；聲吶發(fā)射機(jī)；等效串聯(lián)內(nèi)阻；脈沖功率

0 引言

超級電容器是一種新型儲(chǔ)能裝置，電極巨大的表面積加上電荷間非常小的距離，使其有很大的電容量，可以從1 F(法拉)至5000 F。目前超級電容器根據(jù)電解液的不同分為水系和有機(jī)兩種：水系的超級電容器的額定電壓為1.4 V，有機(jī)體系的為2.3 V、2.5 V和2.7 V三種。通過改進(jìn)超級電容器的制造工藝，改進(jìn)原材料的品質(zhì)，超級電容器的性能正得到逐步改善，但是沒有材料的革命，其耐壓不會(huì)有大幅度的提高[1]。由于在應(yīng)用中需要大電流充放電，常需要將多個(gè)超級電容器串聯(lián)起來形成電容組，故串聯(lián)起來的單個(gè)電容器上電壓是否一致是至關(guān)重要的。

超級電容的電壓不均衡主要是由容量偏差、漏電流偏差和等效串聯(lián)內(nèi)阻(Equivalent Series Resistance, ESR)偏差等因素造成的。以容量偏差為例，其差異性永不會(huì)趨于消失，而是逐步惡化的。電容組中每個(gè)電容器流過的電流相同，相對而言，容量大者總是處于淺充淺放狀態(tài)，容量衰減緩慢，壽命延長，而容量小者總是處于過充過放狀態(tài)，容量衰減加快，壽命縮短，兩者之間性能參數(shù)差異越來越大，形成正反饋特性，因小容量者提前失效，故電容組壽命縮短。同樣，漏電流大的電容長時(shí)間靜置后保持的電荷明顯低于漏電流小的，ESR大的電容在反復(fù)充放電后ESR會(huì)越來越大，能放出的電荷越來越少，這都相當(dāng)于電容器的等效電容量減小。

作為一種儲(chǔ)能部件，超級電容在單體性能上的參差不齊并不全是緣于電容的生產(chǎn)技術(shù)問題，即使嚴(yán)格控制每一道生產(chǎn)工藝使每只電容的內(nèi)阻、容量一致，使用一段時(shí)間以后，也會(huì)產(chǎn)生差異，使得超級電容的使用技術(shù)問題顯得非常重要。

超級電容的使用壽命受多種因素影響，如果電容組壽命低于單體平均壽命的一半以下，可以推斷都是由于使用技術(shù)不當(dāng)造成的，首要原因是過充和過放導(dǎo)致單體電容提前失效[2]。

1 現(xiàn)有的超級電容均壓電路

現(xiàn)有的均壓電路有被動(dòng)均壓電路和主動(dòng)(動(dòng)態(tài))均壓電路兩種，前者是在單體電容電壓超過設(shè)定的閾值電壓時(shí)對其進(jìn)行限幅，后者在整個(gè)充電過程中都對單體電容電壓進(jìn)行均衡。近年來還出現(xiàn)了一種非能量損耗性均壓方法，能實(shí)現(xiàn)不同電容器間電荷的轉(zhuǎn)移。

文獻(xiàn)[1]介紹了一種實(shí)用的2.5 V額定電壓超級電容的電壓均衡電路，電路圖如圖1所示。

文獻(xiàn)[1]指出：該電路的核心器件是TL431，工作原理為：當(dāng)電容上的電壓小于2.5 V時(shí)，V1的K端相當(dāng)于開路(有約400 μA的漏電流)，基本不影響偏置電路R1、R2、R3的分壓，該分壓不能使Q1導(dǎo)通，因此Q2也截止，該電路處于高阻狀態(tài)。當(dāng)電容上的電壓大于2.5 V時(shí)，由于V1內(nèi)部放大器的作用，使V1的K端和Q1基極電壓下降，Q1進(jìn)入放大狀態(tài)，并驅(qū)動(dòng)Q2導(dǎo)通進(jìn)入放大狀態(tài)，使充電電流流經(jīng)該均壓電路，防止電容過充。

該文獻(xiàn)給出的電路的伏安特性如圖2所示。

單體電容上的電壓超過2.5 V后，均壓電路的伏安特性類似穩(wěn)壓二極管的特性，在一定程度上將端電壓限制在“穩(wěn)壓值”以下。特別注意的是，應(yīng)使均壓電路有足夠的放電電流，防止電路進(jìn)入3 V以上的工作區(qū)域。

該電路具有較理想的伏安特性，一般大容量超級電容器幾乎全采用這種方式。該電路使用了14個(gè)元件，三極管Q1、Q2工作在線性狀態(tài)，應(yīng)用時(shí)電裝和調(diào)試工作量較大。文獻(xiàn)[3]采用運(yùn)放和穩(wěn)壓二極管代替了TL431，原理與上述電路相同。

另一種均壓電路是主動(dòng)式均壓電路。一般由運(yùn)放和推挽電路組成。這種電路在充放電全過程中實(shí)現(xiàn)電容器電壓均衡。但是這種電路容易出現(xiàn)振蕩而工作不穩(wěn)定，造成損耗過大的情況。當(dāng)串聯(lián)電容數(shù)量較多時(shí)該均壓性能也會(huì)有降低。

非能量損耗型均壓電路的原理是利用DC-DC變換器將電壓較高的單體電容器的電荷轉(zhuǎn)移到電壓較低的單體電容中，文獻(xiàn)[4]是對非能量損耗型均壓電路的一個(gè)嘗試，這種方法需要復(fù)雜的檢測電路和控制算法，還未見成熟應(yīng)用。

2 一種簡易實(shí)用的被動(dòng)均壓電路

本文提出了一種簡易實(shí)用的被動(dòng)均壓電路，只需要5個(gè)元器件就可實(shí)現(xiàn)一定程度上的均壓，電路原理如圖3所示，電路PCB如圖4所示，元器件清單如表1所示，圖5為電路中重要節(jié)點(diǎn)的波形圖。

表1 簡易實(shí)用均壓電路的元器件清單

電路中，核心器件U1為意法半導(dǎo)體公司的低功耗電壓監(jiān)控芯片STM1061N25WX，工作電壓范圍為0.7~6 V，下跳變電壓VTH-=2.5 V，上跳變電壓TH+=2.625 V。該芯片VCC腳為供電引腳，VSS腳為地，OUT腳為漏極開路的監(jiān)控輸出引腳。R1為上拉電阻，R2為超級電容C1的放電電阻，Q1為放電開關(guān)，受U1輸出引腳控制。Q1是邏輯電平的N溝道MOS管，額定工作電壓20 V，額定電流4.2 A，閾值電壓范圍0.6~1.2 V。

電容充電時(shí)，電容電壓C從0 V逐漸充至滿電壓的過程中，電路中重要節(jié)點(diǎn)波形見圖5。

電路工作過程分析如下：

(a) 0~1時(shí)刻，C＜CCmin時(shí)，U1還未進(jìn)入工作狀態(tài)，其輸出即GS＝C，由于此時(shí)GS＜GS(th)min，Q1截止，R2＝0；

(b)1~2時(shí)刻前，C≥CCmin且C＜TH+時(shí)，U1輸出低電平，Q1仍截止，此時(shí)R2＝0；

(c)2時(shí)刻時(shí)，C＝TH+，U1輸出高電平，此時(shí)GS＞GS(th)max，Q1導(dǎo)通，電容C1通過R2和Q1放電，放電電流R2＝C/2；

(d)2~3時(shí)刻前，在C＞TH-，由于U1的滯回作用，電容C1會(huì)持續(xù)通過R2和Q1放電，若充電電流小于此放電電流，就會(huì)使C電壓下降，確保不超過電容的額定電壓；

(e)3~4時(shí)刻，C≤TH-，U1輸出低電平，電容繼續(xù)充電，重復(fù)步驟(c)~(e)。

均壓電路的伏安特性如圖6所示。單體電容上的電壓超過2.625 V后，均壓電路的伏安特性呈現(xiàn)理想穩(wěn)壓二極管的特性，在一定程度上能將端電壓限制在該閾值電壓以下。放電開關(guān)導(dǎo)通后，若充電電流小于放電電流，電容器電壓逐漸降低。電壓低至2.5 V時(shí)，均壓電路停止工作。

可以看出，該超壓泄放電路工作在開關(guān)狀態(tài)，具有較高的均壓效率，調(diào)試也非常方便。

另外，由于電容單體漏電流的差異，也會(huì)導(dǎo)致各電容單體電壓不均衡。為了減小因漏電流造成的電壓不均衡，在C1兩端并聯(lián)一個(gè)電阻R3，通過R3的瀉放電流遠(yuǎn)大于電容的漏電流。該本文中超級電容的漏電流為0.2 mA，因此選擇了封裝為0805的1 kΩ的電阻作為瀉放電阻，其瀉放電流約為2.5 mA，遠(yuǎn)大于電容的漏電流，可以補(bǔ)償因電容漏電流的差異而引起的電壓不均衡。雖然該電阻產(chǎn)生了一定的損失，但提高了電容組長期工作的可靠性。

3 結(jié)論

被動(dòng)均壓電路通過檢測單體電容電壓來控制放電回路，當(dāng)電壓未達(dá)到閾值電壓時(shí)，放電回路處于開路狀態(tài)；電壓超過閾值后放電回路開始導(dǎo)通，使部分或全部充電電流流經(jīng)放電回路，防止電容過充。

本文設(shè)計(jì)了一種簡易實(shí)用的超級電容均壓電路，僅由5個(gè)元器件組成。該電路工作于開關(guān)模式，實(shí)現(xiàn)了串聯(lián)電容組的超壓泄放和漏電流的補(bǔ)償，具有損耗小、均壓效率高的優(yōu)點(diǎn)。該電路應(yīng)用于聲吶發(fā)射機(jī)的儲(chǔ)能電源中，24個(gè)單體電容(包括本文介紹的均壓電路)串聯(lián)形成一組，10組并聯(lián)起來為發(fā)射機(jī)的功率放大器供電，總額定容量37.5 F。儲(chǔ)能電容組采用恒流源進(jìn)行充電，充電電流25 A，充電電壓55 V，發(fā)射機(jī)工作時(shí)儲(chǔ)能組放電電流達(dá)到160 A。多年來儲(chǔ)能電容組穩(wěn)定工作，顯示出電路具有較高的可靠性。

需要注意的是，均壓電路都有最大均衡電流的限制，如果充電流大于均壓電流，電容上的電壓將繼續(xù)升高，將會(huì)損壞均壓電路和超級電容器。

[1] 陳永真, 李錦. 電容器手冊[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2008: 629-630, 661-664.

CHEN Yongzhen, LI Jin. Capacitor handbook[M]. Beijing: Science Press, 2008: 629-630, 661-664.

[2] 陳守平, 張軍, 方英民, 等. 動(dòng)力電池組特性分析與均衡管理[J]. 電池工業(yè), 2003, 8(6): 265-271.

CHEN Shouping, ZHANG Jun, FANG Yingmin, et al. Peculiarity analysis and proportion management of power batteris[J]. Chinese Battery Inustry, 2003, 8(6): 265-271.

[3] 孟麗囡, 陳永真, 寧武. 超級電容器串聯(lián)應(yīng)用中的均壓問題及解決方案[J]. 遼寧工學(xué)院學(xué)報(bào), 2005, 25(1): 1-2, 22.

MENG Linan, CHEN Yongzhen, NING Wu. Solution to voltage balance of series ultra capacitor[J]. Journal of Liaoning Institute of Technology, 2005, 25(1): 1-2, 22.

[4] 楊晶晶, 田永峰, 張曉, 等. 一種超級電容器組均壓電路研究[J]. 電子技術(shù)與應(yīng)用, 2013, 39(12): 68-71.

YANG Jingjing, TIAN Yongfeng, ZHANG Xiao, et al. Study on a voltage balancing circuit for supercapacitor series[J]. Application of Electronic Technique, 2013, 39(12): 68-71.

Practical passive balancing circuit for super capacitor series in sonar transmitter

WEN Ming, ZHANG Li-qiang, DONG Hao

(Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute, Shanghai 201108, China)

The differences between each super capacitor can result in over-voltage break down of individual capacitor, and then makes whole capacitor series invalid soon. Commonly used equalizing circuits often work in linear mode, and the circuit is complex, and not easy to debug and manufacture. A practical and high efficient circuit is designed for balancing the voltage on each capacitor in a series. This circuit works in switch mode and consists of only 5 components. So, it has been applied in the power supply circuits of sonar transmitter to protect capacitor series for a long time.

voltage equalizing; super capacitor; sonar transmitter;equivalent series resistance; pulse power

TN710

A

1000-3630(2015)-06-0562-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.06.018

2014-11-13;

2015-03-01

文明(1982－), 男, 工程師, 湖北當(dāng)陽人, 研究方向?yàn)樗暟l(fā)射機(jī)和水聲對抗。

文明, E-mail: wein1210@sina.com