一種用于聲吶發(fā)射機的超級電容被動均壓簡易實用電路

文明，張立強，董浩

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一種用于聲吶發(fā)射機的超級電容被動均壓簡易實用電路

文明，張立強，董浩

(上海船舶電子設備研究所，上海201108)

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

均壓電路；超級電容；聲吶發(fā)射機；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兩種：水系的超級電容器的額定電壓為1.4 V，有機體系的為2.3 V、2.5 V和2.7 V三種。通過改進超級電容器的制造工藝，改進原材料的品質(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，其耐壓不會有大幅度的提高[1]。由于在應用中需要大電流充放電，常需要將多個超級電容器串聯(lián)起來形成電容組，故串聯(lián)起來的單個電容器上電壓是否一致是至關重要的。

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，其差異性永不會趨于消失，而是逐步惡化的。電容組中每個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大的電容在反復充放電后ESR會越來越大，能放出的電荷越來越少，這都相當于電容器的等效電容量減小。

作為一種儲能部件，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)技術問題，即使嚴格控制每一道生產(chǎn)工藝使每只電容的內(nèi)阻、容量一致，使用一段時間以后，也會產(chǎn)生差異，使得超級電容的使用技術問題顯得非常重要。

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不當造成的，首要原因是過充和過放導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均壓電路和主動(動態(tài))均壓電路兩種，前者是在單體電容電壓超過設定的閾值電壓時對其進行限幅，后者在整個充電過程中都對單體電容電壓進行均衡。近年來還出現(xiàn)了一種非能量損耗性均壓方法，能實現(xiàn)不同電容器間電荷的轉(zhuǎn)移。

文獻[1]介紹了一種實用的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[1]指出：該電路的核心器件是TL431，工作原理為：當電容上的電壓小于2.5 V時，V1的K端相當于開路(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導通，因此Q2也截止，該電路處于高阻狀態(tài)。當電容上的電壓大于2.5 V時，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進入放大狀態(tài)，并驅(qū)動Q2導通進入放大狀態(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，應使均壓電路有足夠的放電電流，防止電路進入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個元件，三極管Q1、Q2工作在線性狀態(tài)，應用時電裝和調(diào)試工作量較大。文獻[3]采用運放和穩(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式均壓電路。一般由運放和推挽電路組成。這種電路在充放電全過程中實現(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。當串聯(lián)電容數(shù)量較多時該均壓性能也會有降低。

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[4]是對非能量損耗型均壓電路的一個嘗試，這種方法需要復雜的檢測電路和控制算法，還未見成熟應用。

2 一種簡易實用的被動均壓電路

本文提出了一種簡易實用的被動均壓電路，只需要5個元器件就可實現(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)點的波形圖。

表1 簡易實用均壓電路的元器件清單

電路中，核心器件U1為意法半導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，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，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)點波形見圖5。

電路工作過程分析如下：

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

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

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

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

(e)3~4時刻，C≤TH-，U1輸出低電平，電容繼續(xù)充電，重復步驟(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。放電開關導通后，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，均壓電路停止工作。

可以看出，該超壓泄放電路工作在開關狀態(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，也會導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)一個電阻R3，通過R3的瀉放電流遠大于電容的漏電流。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，遠大于電容的漏電流，可以補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

被動均壓電路通過檢測單體電容電壓來控制放電回路，當電壓未達到閾值電壓時，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。

本文設計了一種簡易實用的超級電容均壓電路，僅由5個元器件組成。該電路工作于開關模式，實現(xiàn)了串聯(lián)電容組的超壓泄放和漏電流的補償，具有損耗小、均壓效率高的優(yōu)點。該電路應用于聲吶發(fā)射機的儲能電源中，24個單體電容(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)射機的功率放大器供電，總額定容量37.5 F。儲能電容組采用恒流源進行充電，充電電流25 A，充電電壓55 V，發(fā)射機工作時儲能組放電電流達到160 A。多年來儲能電容組穩(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: 科學出版社, 2008: 629-630, 661-664.

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[2] 陳守平, 張軍, 方英民, 等. 動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.

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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, 湖北當陽人, 研究方向為水聲發(fā)射機和水聲對抗。

文明, E-mail: wein1210@sina.com