引言

電容器的額定電壓很低（不到3V），在應(yīng)用中需要大量的串聯(lián)。由于應(yīng)用中常需要大電流充、放電，因此串聯(lián)中的各個(gè)單體電容器上電壓是否一致是至關(guān)重要的。影響電容器電壓是否均分主要有：電容量、ESR、漏電流等，盡管電容器在應(yīng)用初期這些參數(shù)對(duì)電容器的電壓均分的影響比較小，但是在電容器應(yīng)用的中后期，隨著這些參數(shù)的離散性變大，對(duì)電容器電壓均分的影響越來越大，最終導(dǎo)致電容器壽命的急劇縮短。如果不采取必要的均壓措施，會(huì)引起各個(gè)單體電容器上電壓較大，采取更多的串聯(lián)數(shù)來解決問題是不可取的。

1．電容器的常用的均壓方法及存在的問題

目前電容器均壓電路主要有兩種：限幅型均壓電路和動(dòng)態(tài)電壓均壓電路。

1.1 限幅型均壓電路及特點(diǎn)

限幅型均壓電路如圖1。

從圖中可以看到，當(dāng)電壓低于轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，電路處于“阻斷”狀態(tài)，僅有很小的漏電流；而電壓達(dá)到并超過轉(zhuǎn)折電壓后，流過電路的電流將隨電壓的增加而急劇增加，呈現(xiàn)穩(wěn)壓二極管特性，以達(dá)到分流充電電流或泄放過充的電荷，電容器的電壓被限制在轉(zhuǎn)折電壓以下。

這種電路的優(yōu)點(diǎn)是電路工作原理簡(jiǎn)單，工作可靠，參數(shù)一致性好，一般的大工作電流在1A以下。這種特性也帶來了應(yīng)用時(shí)的問題，也就是充電過程中電容器組中的某些電容器單體會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的過電壓。

例如，應(yīng)用2.7V/600F、ESR0.8Ω電容器144只串聯(lián)的390V/4F電容器組用7A電流充電到390V時(shí)，單體電壓高的達(dá)到2.95V，低的僅僅2.45V。在充電電壓維持在390V的條件下，采用圖1均壓電路均衡各單體電壓，各單體電壓達(dá)到基本一致（2.65V~2.75V）的時(shí)間需要7~10分鐘；如果采用更高的充電電流，其單體電壓的分散性更大。

應(yīng)用限幅型均電路造成單體電壓嚴(yán)重過電壓的原因就是只有單體電壓超過限幅值均壓電路才開始動(dòng)作所致。如果能在電容器充電過程中實(shí)現(xiàn)單體電壓的“均分”，可以比較好的抑制單體過電壓，這種電壓均分方式稱為動(dòng)態(tài)均壓。

1.2 動(dòng)態(tài)電壓均壓電路及特點(diǎn)

動(dòng)態(tài)電壓均壓電路的基本原理是比較相鄰的兩個(gè)電容器的電壓是否一致，如果不同電路動(dòng)作，將電壓相對(duì)高的電容器旁路部分電流降低充電電壓升高的速率，使兩個(gè)電容器的充電電壓的上升速率盡可能一致，如圖2的MAXWELL動(dòng)態(tài)均壓電路。

這種電路在原理上解決電容器組充電過程的單體電壓均分問題。然而在實(shí)際上比非如此。圖2電路的低工作電壓是2.4V對(duì)應(yīng)單體電壓1.2V，這表明在電容器充電的前半程這個(gè)電路是不工作的。不僅如此，該電路在高工作電壓下的大均分電流僅0.5A，甚至低于限幅型均壓電路的大工作電流，當(dāng)電壓低于工作電壓時(shí)均分電流隨之下降。這樣的特性同樣導(dǎo)致了電容器在大電流充電過程中出現(xiàn)個(gè)別單體電壓的過電壓，而且電壓的均分過程長(zhǎng)于限幅型均壓電路。

圖2電路還存在著瑕疵，也就是只要單體存在差異電路就會(huì)動(dòng)作，并且消耗電容器的儲(chǔ)能，降低超級(jí)電容器的能量利用率，因此這種電路的應(yīng)用受到限制。

由于上述種種原因，在電容器組的充電過程中導(dǎo)致了以下單體電容器的過電壓，而過電壓是電容器壽命及據(jù)縮短的主要因素，在頻繁高電流充放電的應(yīng)用中電容器的壽命甚至不到1年。這嚴(yán)重背離了電容器的高倍率充放電和高充放電循環(huán)壽命以及產(chǎn)壽命的特性。需要采取措施改進(jìn)。

2．解決電容器組的單體電壓均分的方法

2.1 加大均壓電路的均壓電流可以有效抑制充電過程單體電壓的偏差

針對(duì)上述問題，可以通過加大均壓電流的方法加以改善。對(duì)于限幅型均壓電路，可以采用圖3電路，將最大工作電流擴(kuò)展到4A，而電路成本卻增加不多，這將是電容器均壓電路的比較實(shí)用的解決方案。

從圖中可以看到，圖3電路實(shí)際上是在圖1電流基礎(chǔ)上增加了3路輸出級(jí)，從而擴(kuò)大了均壓電流。將電路進(jìn)一步改進(jìn)，可以使大均壓電流達(dá)到10A，這樣就基本上解決了電容器在充電過程中可能出現(xiàn)的嚴(yán)重的過電壓?jiǎn)栴}。

不可否認(rèn)的是，上述均壓電路都是耗能型，電路在動(dòng)作時(shí)會(huì)產(chǎn)生比較大的損耗，為了大幅度降低均壓過程中的損耗，采用非能量損耗型均壓電路將是電容器均壓電路的最好選擇。

2.2 改進(jìn)型動(dòng)態(tài)電壓均衡方式

圖2電路存在的問題實(shí)際上是電路的開環(huán)增益太高，導(dǎo)致了兩個(gè)電容器電壓稍有差異就動(dòng)作。如果放大器A的開環(huán)增益為100dB，則克服晶體管Q1、Q2發(fā)射結(jié)電壓僅需要7μV，因此均壓電路將始終不斷的調(diào)節(jié)，將電容器儲(chǔ)存的電能消耗在電壓均衡過程中。

在實(shí)際應(yīng)用中兩個(gè)電容器的電壓偏差允許在一個(gè)比較小的數(shù)值就可以了，例如10mV~30mV就可以滿足實(shí)際應(yīng)用要求，如20mV。根據(jù)這個(gè)思路，可以將均衡電路作的不敏感，在電壓偏差低于20mV電路不動(dòng)作，只有電壓偏差大于20mV后電路才動(dòng)作。電路可以用圖4電路實(shí)現(xiàn)。

這樣，在兩個(gè)電容器電壓偏差小于20mV時(shí)電路處于靜止?fàn)顟B(tài)，電路的損耗僅為于放大器的損耗和分壓電阻的損耗。

2.3 非能量損耗型均壓電路是解決電容器電壓均分的好方法

解決電容器均壓電路損耗的方法是采用DC/DC變換器將單體電壓相對(duì)高的電容器的電荷轉(zhuǎn)移到電荷相對(duì)低的電容器中。由于是電荷的轉(zhuǎn)移不再是電能的消耗，因此這種均壓電路的損耗將是非常低的，屬于非能量損耗型均壓電路，電路如圖5。

實(shí)現(xiàn)圖4電路的關(guān)鍵是DC/DC變換器應(yīng)能夠在1V左右就能正常工作，并且受電壓監(jiān)測(cè)與控制電路控制。當(dāng)電容器C1電壓高于電容器C3電壓時(shí)，圖中上面的DC/DC變換器工作，將C1中的電能（電荷）轉(zhuǎn)移到C2中，這時(shí)下面的DC/DC變換器不工作；同理，如果電容器C2電壓低于電容器C1電壓，則電壓監(jiān)測(cè)與控制電路控下面的DC/DC變換器工作，將C2的電能（電荷）轉(zhuǎn)移到C1中，這時(shí)上面的DC/DC變換器是不工作的。

圖4電路的均壓電流取決于DC/DC變換器的設(shè)計(jì)，可以達(dá)到10A以上。

3．結(jié)論

電容器均壓電路是電容器組中的必備電路，用以均分各單體電容器上的電壓基本一致，因此電容器均壓電路的性能決定了均壓效果。通過增加均壓電流可以減輕單體電壓過電壓的程度。利用DC/DC變換器技術(shù)可以獲得非能量損耗的均壓電路。