对于超级电容器的平衡方案进行测试

超级电容器 (SC)通常在约 2.7 V 的低电压下工作。为了实现更高的工作电压，需要建立串联的超级电容器单元级联。由于生产或老化导致电容和绝缘电阻的变化，单个电容器上的电压降可能会超过额定电压限制。因此，需要一个平衡系统来防止电容器单元加速老化。

下面将从原理上解释这种串联电路中电压不均等分压的影响。为了更好地理解，我们将讨论使用两个电容器串联的平衡策略。

超级电容器串联不平衡问题

不平衡问题的原因

单体电容容量的偏差：超级电容器单体之间的容量可能存在偏差，这种偏差在串联连接时会导致各单体充电电压不均衡。容量小的单体可能较快地达到额定电压，而容量大的单体则充电不足，影响整体性能。

漏电流参数的偏差：每个超级电容器单体都存在一定的漏电流，漏电流的大小因单体而异。在长时间静置或使用过程中，漏电流大的单体电荷损失更多，导致单体电压不均衡。

制造和组装误差：在超级电容器电池的制造和组装过程中，由于生产工艺的差异，不同电容单元或模块之间的性能可能存在较大差异，进而导致电压差异。

使用不均衡：超级电容器电池在充放电过程中的使用时间、电流大小等条件不同，也可能导致电压差异。

内部电阻差异：由于电容单元或模块的内部结构或材料的差异，其内部电阻可能存在差异，进而影响电压的分布。

平衡策略

本文根据各种特征对平衡策略进行分类，例如：

· 能量耗散行为

· 平衡速度

· 使用的技术类型

· 方案价格

因此，在选择正确的平衡策略时，了解具体应用的所有参数和约束条件以做出正确选择非常重要。在这里，我们区分主动平衡和被动平衡。

主动平衡涉及使用主动控制开关或放大器系统。被动平衡涉及使用分流器或电压相关电阻器来降低过压的影响。与被动平衡相比，主动平衡速度快且通常节能，但成本也相对较高。另一方面，被动平衡相对较慢，通常会导致电荷损失增加，但成本较低。

测量

测试购买的两个超级电容进行串联连接：

· 电容器 1：C 1 = 10 F

· 电容器 2：C 2 = 15 F

这对应于与标称电容 C r = 12.5 F的理论电容器的偏差。

对于充电，我们使用了充电电压 V g = 5.4 V 和最大充电电流 I c = 2 A。

为了确保电路设计的可靠性，我们想强调的是，不建议将具有不同标称电容的 SC 组合在一起。此组合仅用于实验目的。

我们还研究了每个电路在 24 小时内的自放电行为。为此，我们在电容器完全充电并平衡后将整个平衡电路与主电源断开。

1kΩ电阻

对于被动平衡，我们使用了 1 kΩ (1%) 电阻，额定功率为 0.6 W。选择该电阻是为了缩短平衡时间，而不是降低功耗。测量的电压V 1和V 2以及由此产生的电压差V 1 – V 2 表明大约 600 分钟后完全平衡。V 1和V 2渐近地接近V r。

流Iloss计算)为 2.8 mA × 5.4 V ≈ 15 mW。对于低功耗应用或备用解决方案，此补偿速度足够快，功耗可以接受。对于独立电池供电应用，应增加电阻以减少损耗。为了安全起见，还建议降低工作电压以避免过压。

齐纳二极管 BZX79-B2V7

我们使用了 NXP Semiconductors 的稳压二极管 BZX79-B2V7。结果大约 80 分钟后，均衡完成。数据表中总功耗值为 500 mW，测量值大致符合理论近似值。

12小时后的总功耗(有效漏电流，Iloss)为 5 mA × 5.4 V ≈ 27 mW。在较低电压下，功耗甚至更低。

MOSFET ALD910022(测试板SABMB2)

基于 MOSFET 的均衡电路是使用 Advanced Linear Devices 的 ALD910022 MOSFET 的 SABMB2 测试板实现的。结果显示，约 300 分钟后均衡完成。12 小时后的总功耗为 1.5 mA × 5.4 V ≈ 8 mW，与齐纳二极管一样低。

放大器OPA2677

对于主动平衡，我们使用了 OPA2677 放大器(德州仪器)。OPA2677 的优势在于输出电流相对较高，为 500 mA，可实现快速平衡。测量的电池电压表明在充电时间内立即实现平衡，对于本次测量，充电时间约为 3 分钟。输出端的阻尼电阻不应小于 0.4 Ω，以防止输出电压振荡。1 Ω 的电阻可在快速均衡和阻尼之间实现最佳平衡。12 小时后的总功耗为 50 mA × 5.4 V ≈ 270 mW。大部分功率通过放大器电源端子耗散。这种相对较高的功耗显示了此类策略的主要缺点。虽然它速度很快，但也有很高的持久功耗。

平衡板LTC3128

DC1887A 评估板使用 ADI 公司的 LTC3128 降压-升压充电和平衡电路。它使用 4.2 V 的预设电压为 SC 充电。该板以 5.5 V 的电源电压运行。测量结果，表明 1.5 分钟后完全平衡。

概括

电阻平衡是最慢的平衡策略，但具有功耗低、成本低、电路设计最简单的优点。齐纳二极管的平衡速度适中。它具有功耗相对较低、成本较低、电路设计最简单的优点。

MOSFET 电路的功耗也相对较低。给定示例的补偿速度适中。虽然与其他策略相比，运算放大器提供了快速平衡，但它的功耗最高。平衡评估板提供了最快的平衡和适中的功耗。总的来说，这是一种方便但有点昂贵的解决方案。