单体超级电容器因为材质不均匀、有制造误差、电容器内阻不同和自放电率不同等因素的影响,各个单体超级电容器的电压会出现“不一致”性,相互之间的容量偏差量可达到-10%~+30%,上下偏差士1.44。在大量使用串联超级电容器组时,应使用电容量基本致的超级电容器,但实际上比较困难,且会提高超级电容器的成本。 (1)引起超级电容器组“不一致”的原因。 ①超级电容器的电容量的“不一致”当多个电容量不一致的超级电容器串联使用时,电容量最小的超级电容器最先达到额定电压,而电容量最大的超级电容器仅达到69%左右的电压,它的储能量只有额定储能量的0.69左右。这直接影响了超级电容器组的充放电的电容量,并且降低超级电容器组的寿命。 ②超级电容器的等效内阻RESR的“不一致”当多个等效内阻不一致的超级电容器串联使用时,在充放电过程中,电容器等效内阻RESR大的单体电容器最先达到充放电的终点,而且单体电容器等效内阻RESR小的则充放电不充分。一般等效内阻RESR相对较大,随着反复充放电的次数增加,超级电容器的性能也逐渐衰减,等效内阻RESR由于超级电容器性能的衰减,不一致性也越来越大。 ③超级电容器的漏电流的“不一致”超级电容器组各个单体电容器保持电荷的能力有所不同,在较长静置时间时,保持电荷能力较差的电容器的电荷会发生泄漏。充电时,漏电流小的电容器最先达到充电终点,而漏电流大的电容器依旧需要继续充电。放电时,漏电流大的电容器最先将电荷放完,达到放电终点,而漏电流小的电容器仍旧保持剩余的电荷。
(2)超级电容器的动态均压电路电动汽车行驶过程是始终处于动态运行状态,对超级电容器的充放电的电能变化,通常采用动态均压电路,以达到电动汽车动态运行状态的要求。在超级电容器的整个充放电的过程中,均压电路始终保持每个单体超级电容器的电压均压。动态均压电路具有自动调节时间短、电压分配均匀、寄生功率小等特点。
①动态均压电路通用动态均压电路如图2-42所示,其中用晶体管Q1、Q2与电阻R5组成“全互补射极跟随器”,超级电容器的电压通过电阻R3、R4,反馈到“全互补射极跟随器”输入端处,影响“全互补射极跟随器”的电压输入。
当两个超级电容器C1和C2的电压出现微小的偏差时,运算放大器A迅速做出反应,受R3、R4构成的反馈电阻所产生的反馈电压作用,当运算放大器输出电压达到迫使“全互补射极跟随器”导通时,将运算放大器产生的开环增益,强加到电阻R5上,迫使超级电容器C1和C2之间产生均压电压。
特点是反馈电阻R3、R4连接到“全互补射极跟随器”输入端处,将通过计算放大器A云算数据输入到“全互补射极跟随器”,超级电容器C1和C2之间出现微小的差异并可能同时出现外电路干扰时,均压电路随时都可以立即做出反应,保持均压电路始终处于动态控制状态,但增加了在均压电路上不必要的损耗。
②节能型动态均压电路节能型动态均压电路如图2-43,其中用晶体管Q1、Q及电阻R5组成“节能型全互补射极跟随器”,经过电阻R3、R4反馈的电压,连接至“全互补射极跟随器”输出端处。对“全互补射极跟随器”输出的电压不产生影响,仅对电阻R5产生影响当两个超级电容器C1和C2的电压出现微小的偏差时,运算放大器A做出反应,当运算放大器输出电压达到迫使“全互补射极跟随器”导通时,电阻R3、R4反馈的电压,将运算放大器产生的开环增益加至电阻R5上,进行自动调节,使超级电容器C1与C2之间形成均压电压。
特点是反馈电阻R3、R4,连接到“全互补射极跟随器”输出端处,通过计算放大器A运算数据输入至全互补射极跟随器的电压,受R3、R4构成的反馈电阻的反馈电压影响,自动控制作用到电阻R5上的电压,只有在两个超级电容器C1与C2之间电压差偏大超过20~30mV时才能工作,而C1与C2之间电压差偏低于20~30mV时不工作,即电阻R5上无电流通过,可以有效地减少均压电路上的能耗。
