超級電容器電壓均衡電路、單級和二級超級電容器模塊的製作方法
2023-07-04 19:42:36
專利名稱：超級電容器電壓均衡電路、單級和二級超級電容器模塊的製作方法
技術領域：
本發明涉及蓄電裝置領域，具體的說，涉及了一種超級電容器電壓均衡電路、單級和二級超級電容器模塊。
背景技術：
目前，被大量使用的蓄電裝置主要是鉛酸電池、鎳鎘電池，以及近年來迅速發展起來的鎳氫電池和鋰離子電池。隨著人們對儲能產品的性能需求越來越高，以及對環境質量的要求越來越高，現用的蓄電裝置所暴露出的問題越來越突出，其中，尤其突出的問題是蓄電裝置使用壽命短和重金屬汙染物的回收處理問題。超級電容器，也就是電化學雙層電容，是近幾年才發展起來的一種專門用於儲能的特種電容器，是介於傳統物理電容器和電池特性之間的一種新型儲能器件。與傳統的電解電容器相比，超級電容器的儲能密度高、漏電流小、充電時間短、循環使用壽命長，其反覆充電使用的極限壽命可以達到10萬次以上，可應用的領域非常廣泛，而且其適用的溫度範圍也寬，是健康綠色環保型儲能器件。但是，由於超級電容器的單體電壓比較低，其根本不能滿足應用工況的電壓需求。 要想滿足要求，就必須將多個單體超級電容器串聯起來，可是單體超級電容器之間存在著差異，電壓不能均衡地分配給每個單體超級電容器，這就會使得超級電容器的儲能量明顯下降，而且還會加速容量相對小的超級電容器的性能變壞。因此，採用適當的方法使每個單體超級電容器均能達到額定電壓並且不產生過壓現象，是將超級電容器作為儲能裝置必須解決的問題。為了解決以上存在的問題，人們一直在尋求一種理想的技術解決方案。
發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足，從而提供一種設計科學、實用性強、性能穩定的超級電容器電壓均衡電路，還提供了一種單級超級電容器模塊和一種二級超級電容器模塊。為了實現上述目的，本發明所採用的技術方案是一種超級電容器電壓均衡電路， 它包括有兩個運算放大器和兩個N溝道增強型MOS管；其中，第一 N溝道增強型MOS管的柵極連接第一運算放大器的輸出端，第二 N溝道增強型MOS管的柵極連接第二運算放大器的輸出端；第一運算放大器的反相輸入端連接第二運算放大器的同相輸入端，第二運算放大器的反相輸入端連接第一運算放大器的同相輸入端。基於上述，第一 N溝道增強型MOS管和第二 N溝道增強型MOS管的漏極分別連接有一個限流電阻。基於上述，一種單級超級電容器模塊，它包括有所述超級電容器電壓均衡電路、兩個超級電容器和四個分壓電阻；其中，第一超級電容器的一端接第一分壓電阻的一端，第一分壓電阻的另一端接第二分壓電阻的一端，第二分壓電阻的另一端接第一超級電容器的另一端，第二超級電容器的一端接第三分壓電阻的一端，第三分壓電阻的另一端接第四分壓電阻的一端，第四分壓電阻的另一端接第二超級電容器的另一端，第一超級電容器的另一端與第二超級電容器的一端相連；所述超級電容器電壓均衡電路的第一運算放大器的同相輸入端接到第一分壓電阻和第二分壓電阻之間，所述超級電容器電壓均衡電路的第二運算放大器的同相輸入端接到第三分壓電阻和第四分壓電阻之間；所述超級電容器電壓均衡電路的第一 N溝道增強型MOS管的漏極和源極分別連接到第一超級電容器的兩端，所述超級電容器電壓均衡電路的第二 N溝道增強型MOS管的漏極和源極分別連接到第二超級電容器的兩端；第一超級電容器的一端作為單級超級電容器模塊的a引出端，第二超級電容器的另一端作為單級超級電容器模塊的b引出端。基於上述，一種二級超級電容器模塊，它包括有所述超級電容器電壓均衡電路和兩個所述單級超級電容器模塊，其中，第一單級超級電容器模塊的b引出端連接第二單級超級電容器模塊的a引出端；所述超級電容器電壓均衡電路的第一運算放大器的同相輸入端接到第一單級超級電容器模塊的第二分壓電阻和第三分壓電阻之間，所述超級電容器電壓均衡電路的第二運算放大器的同相輸入端接到第二單級超級電容器模塊的第二分壓電阻和第三分壓電阻之間；所述超級電容器電壓均衡電路的第一 N溝道增強型MOS管的漏極和源極分別連接到第一單級超級電容器模塊的a引出端和b引出端，所述超級電容器電壓均衡電路的第二 N溝道增強型MOS管的漏極和源極分別連接到第二單級超級電容器模塊的 a引出端和b引出端。本發明相對現有技術具有突出的實質性特點和顯著進步，具體的說，本發明通過設計超級電容器電壓均衡電路，將超級電容器同設計的超級電容器電壓均衡電路連接後封裝，製成了能均衡電壓的單級超級電容器模塊和二級超級電容器模塊，不僅解決了單體超級電容器之間的電壓均衡的問題，使得容量相對小的超級電容器性能變得穩定，還提高了超級電容器的儲能量；利用本發明可相應的組合成多級超級電容器模塊，通過選取系列化額定電壓的單體超級電容器，可製成系列化額定電壓的單級超級電容器模塊及多級超級電容器模塊，非常適用於構建不同應用電壓下的蓄電裝置，而且還便於批量生產。本發明具有設計科學、實用性強、性能穩定的優點。
圖1是所述超級電容器電壓均衡電路的電路原理圖。圖2是所述單級超級電容器模塊的電路原理圖。圖3是所述二級超級電容器模塊的電路原理圖。
具體實施例方式下面通過具體實施方式
，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。如圖1所示，一種超級電容器電壓均衡電路P1，它包括有兩個運算放大器Al和 A2、兩個帶有漏極限流電阻的N溝道增強型MOS管Tl和T2，其中所述N溝道增強型MOS管 Tl的柵極連接所述運算放大器Al的輸出端，所述N溝道增強型MOS管T2的柵極連接所述運算放大器A2的輸出端；所述運算放大器Al的反相輸入端連接所述運算放大器A2的同相輸入端，所述運算放大器A2的反相輸入端連接所述運算放大器Al的同相輸入端；第一N溝道增強型MOS管和第二 N溝道增強型MOS管的漏極分別連接有一個限流電阻。如圖2所示，一種單級超級電容器模塊Cl，它包括有所述超級電容器電壓均衡電路P1、兩個超級電容器Cll和C12、四個分壓電阻R1-R4，所述超級電容器Cll的一端接所述分壓電阻Rl的一端，所述分壓電阻Rl的另一端接所述分壓電阻R2的一端，所述分壓電阻 R2的另一端接所述超級電容器Cll的另一端，所述超級電容器C12的一端接所述分壓電阻 R3的一端，所述分壓電阻R3的另一端接所述分壓電阻R4的一端，所述分壓電阻R4的另一端接所述超級電容器C12的另一端，所述超級電容器Cll的另一端與所述超級電容器C12 的一端相連；所述超級電容器電壓均衡電路Pl的運算放大器Al的同相輸入端接到所述分壓電阻Rl和所述分壓電阻R2之間，所述超級電容器電壓均衡電路Pl的運算放大器A2的同相輸入端接到所述分壓電阻R3和所述分壓電阻R4之間；所述超級電容器電壓均衡電路 Pl的N溝道增強型MOS管Tl的漏極和源極分別連接到所述超級電容器Cll的兩端，所述超級電容器電壓均衡電路Pl的N溝道增強型MOS管T2的漏極和源極分別連接到所述超級電容器C12的兩端；根據以上所述，所述超級電容器Cll的一端作為單級超級電容器模塊Cl 的a引出端，所述超級電容器C12的另一端作為單級超級電容器模塊Cl的b引出端。如圖3所示，一種二級超級電容器模塊，它包括兩個所述單級超級電容器模塊Cl、 C2，以及所述超級電容器電壓均衡電路P3，其中，所述單級超級電容器模塊C2包括有所述超級電容器電壓均衡電路P2、兩個超級電容器C21和C22、四個分壓電阻R5-R8，所述超級電容器電壓均衡電路P2包括有兩個運算放大器A3和A4、兩個帶有漏極限流電阻的N溝道增強型MOS管T3和T4，所述超級電容器電壓均衡電路P3包括有兩個運算放大器A5和A6、 兩個帶有漏極限流電阻的N溝道增強型MOS管T5和T6 ；
所述單級超級電容器模塊Cl的b引出端連接所述單級超級電容器模塊C2的a引出端； 所述超級電容器電壓均衡電路P3的運算放大器A5的同相輸入端接到所述單級超級電容器模塊Cl的分壓電阻R2和分壓電阻R3之間，所述超級電容器電壓均衡電路P3的運算放大器A6的同相輸入端接到所述單級超級電容器模塊C2的分壓電阻R6和分壓電阻R7之間； 所述超級電容器電壓均衡電路P3的N溝道增強型MOS管T5的漏極和源極分別連接到所述單級超級電容器模塊Cl的a引出端和b引出端，所述超級電容器電壓均衡電路P3的N溝道增強型MOS管T6的漏極和源極分別連接到所述單級超級電容器模塊C2的a引出端和b 引出端。在所述單級超級電容器模塊Cl中，超級電容器Cll的電壓通過分壓電阻Rl與分壓電阻R2串聯分壓後，分壓電阻R2分得的電壓分別送入運算放大器Al的同相輸入端和運算放大器A2的反相輸入端，超級電容器C12的電壓通過分壓電阻R3與分壓電阻R4串聯分壓後，分壓電阻R4分得的電壓分別送入運算放大器A2的同相輸入端和運算放大器Al的反相輸入端，當分壓電阻R4的分壓值大於分壓電阻R2的分壓值時運算放大器A2輸出高電位，N溝道增強型MOS管T2導通，其漏極電流隨A2的輸出電壓升高而增大，這樣使得充電電流經過N溝道增強型MOS管T2的漏、源極流向超級電容器C11，減緩或阻止了超級電容器C12電壓的繼續升高。反之，當分壓電阻R4的分壓值小於分壓電阻R2的分壓值時運算放大器A4輸出高電位，N溝道增強型MOS管Tl導通，其漏極電流隨Al的輸出電壓升高而增大，這樣使得充電電流經過N溝道增強型MOS管Tl漏、源極流向超級電容器C12，減緩或阻止了超級電容器Cll電壓的繼續升高。所述單級超級電容器C2的工作原理與所述單級超級電容器Cl是一樣的。在所述二級電容器模塊中，超級電容器Cll與C12串聯後的總電壓通過分壓電阻 Rl與分壓電阻R2串聯和分壓電阻R3與分壓電阻R4串聯分壓後，分壓電阻R3與分壓電阻 R4串聯分得的電壓分別送入運算放大器A5的同相輸入端和運算放大器A6的反相輸入端； 超級電容器C21與C22串聯後的總電壓通過分壓電阻R5與分壓電阻R6串聯和分壓電阻R7 與分壓電阻R8串聯分壓後，分壓電阻R7與分壓電阻R8串聯分得的電壓分別送入運算放大器A6的同相輸入端和運算放大器A5的反相輸入端，當分壓電阻R3與分壓電阻R4串聯的分壓值大於分壓電阻R7與分壓電阻R8串聯分壓值時，運算放大器A5輸出高電位，N溝道增強型MOS管T5導通，其漏極電流隨A5的輸出電壓升高而增大，這樣使得充電電流經過N 溝道增強型MOS管T5流向C21與C22，減緩或阻止了 Cll與C12電容電壓的繼續升高。反之，當分壓電阻R7與分壓電阻R8串聯的分壓值大於分壓電阻R3與分壓電阻R4串聯分壓值時，運算放大器A6輸出高電位，N溝道增強型MOS管T6導通，其漏極電流隨A6的輸出電壓升高而增大，這樣使得充電電流經過N溝道增強型MOS管T6流向Cl 1與C12，減緩或阻止了 C21與C22電容電壓的繼續升高。通過採用恆流轉恆壓的充電方法，即恆流充電電流為50A，恆流充電到9. 5 V時轉恆壓充電，證明了本發明具有很好的均壓效果，在整個充電時間內，單體超級電容器的最大偏壓差約為0. IV，均衡速度較快，有效避免了單體超級電容器過壓的情況的發生，同時還提高了整體電容器的儲能水平。本發明不僅可做成單級超級電容器模塊、二級超級電容器模塊，還可通過單級超級電容器模塊、二級超級電容器模塊和所述超級電容器電壓均衡電路的有效組合，製成多級超級電容器模塊。最後應當說明的是以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制；儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解依然可以對本發明的具體實施方式
進行修改或者對部分技術特徵進行等同替換；而不脫離本發明技術方案的精神，其均應涵蓋在本發明請求保護的技術方案範圍當中。
權利要求
1.一種超級電容器電壓均衡電路，其特徵在於它包括有兩個運算放大器和兩個N溝道增強型MOS管；其中，第一 N溝道增強型MOS管的柵極連接第一運算放大器的輸出端，第二 N溝道增強型MOS管的柵極連接第二運算放大器的輸出端；第一運算放大器的反相輸入端連接第二運算放大器的同相輸入端，第二運算放大器的反相輸入端連接第一運算放大器的同相輸入端。
2.根據權利要求1所述的超級電容器電壓均衡電路，其特徵在於第一N溝道增強型 MOS管和第二 N溝道增強型MOS管的漏極分別連接有一個限流電阻。
3.一種單級超級電容器模塊，其特徵在於它包括有權利要求1所述的超級電容器電壓均衡電路、兩個超級電容器和四個分壓電阻；其中，第一超級電容器的一端接第一分壓電阻的一端，第一分壓電阻的另一端接第二分壓電阻的一端，第二分壓電阻的另一端接第一超級電容器的另一端，第二超級電容器的一端接第三分壓電阻的一端，第三分壓電阻的另一端接第四分壓電阻的一端，第四分壓電阻的另一端接第二超級電容器的另一端，第一超級電容器的另一端與第二超級電容器的一端相連；所述超級電容器電壓均衡電路的第一運算放大器的同相輸入端接到第一分壓電阻和第二分壓電阻之間，所述超級電容器電壓均衡電路的第二運算放大器的同相輸入端接到第三分壓電阻和第四分壓電阻之間；所述超級電容器電壓均衡電路的第一 N溝道增強型MOS管的漏極和源極分別連接到第一超級電容器的兩端，所述超級電容器電壓均衡電路的第二 N溝道增強型MOS管的漏極和源極分別連接到第二超級電容器的兩端；第一超級電容器的一端作為單級超級電容器模塊的a引出端，第二超級電容器的另一端作為單級超級電容器模塊的b引出端。
4.一種二級超級電容器模塊，其特徵在於它包括有權利要求1所述的超級電容器電壓均衡電路和兩個權利要求3所述的單級超級電容器模塊；其中，第一單級超級電容器模塊的b引出端接第二單級超級電容器模塊的a引出端；所述超級電容器電壓均衡電路的第一運算放大器的同相輸入端接到第一單級超級電容器模塊的第二分壓電阻和第三分壓電阻之間，所述超級電容器電壓均衡電路的第二運算放大器的同相輸入端接到第二單級超級電容器模塊的第二分壓電阻和第三分壓電阻之間；所述超級電容器電壓均衡電路的第一 N 溝道增強型MOS管的漏極和源極分別連接到第一單級超級電容器模塊的a引出端和b引出端，所述超級電容器電壓均衡電路的第二 N溝道增強型MOS管的漏極和源極分別連接到第二單級超級電容器模塊的a引出端和b引出端。
全文摘要
本發明提供一種超級電容器電壓均衡電路、單級和二級超級電容器模塊，其中，超級電容器電壓均衡電路包括兩個運算放大器和兩個N溝道增強型MOS管；單級超級電容器模塊包括所述超級電容器電壓均衡電路、兩個超級電容器和四個分壓電阻；二級超級電容器模塊包括兩個所述單級超級電容器模塊以及所述超級電容器電壓均衡電路。本發明不僅解決了單體超級電容器之間的電壓均衡的問題，使得容量相對小的超級電容器性能變得穩定，還提高了超級電容器的儲能量，其具有設計科學、實用性強、性能穩定的優點。
文檔編號H01G9/14GK102354621SQ20111030245
公開日2012年2月15日 申請日期2011年10月9日 優先權日2011年10月9日
發明者李應生 申請人:黃淮學院