超級電容器 (SC)通常在約 2.7 V 的低電壓下工作。為了獲得更高的工作電壓，有必要建立串聯(lián)的 SC 電池級聯(lián)。由于生產(chǎn)或老化引起的電容和絕緣電阻變化，單個電容器的電壓降可能超過額定電壓限制。因此，需要一個平衡系統(tǒng)來防止電容器單元的加速老化。

下面，原則上說明這種串聯(lián)電路中不等分壓的影響。為了更好地理解，我們討論了使用兩個電容器串聯(lián)連接的平衡策略。

超級電容器串聯(lián)不平衡

可以通過并聯(lián)一個 RC 元件和一個絕緣電阻來模擬一個電容器。目前，我們可以忽略絕緣電阻并考慮兩個電容為C 1和C 2的電容器串聯(lián)。在這種情況下，能量的數(shù)量是電容器上的電荷q，即在其內(nèi)部界面上。在電荷守恒定律的幫助下

是每個電容器上的電壓降

和

和

作為總電壓。下面，我們可以考慮C 1大于C 2的情況。在這種情況下，每個電容器上的電壓降為

和

和

要將每個電容器的電壓設置為 V r = V 1 = V 2，必須增加電容器 1 上的電荷并減少電容器 2 上的電荷。使用電流的定義（I = dq / dt），電壓可以寫為

和

電流I 1,2被解釋為必須在時間跨度Δt內(nèi)流動以平衡該系統(tǒng)的電流。在給定時間段Δt內(nèi)平衡電壓差ΔV所需的恒定電流為

平衡策略

文獻根據(jù)各種特征對平衡策略進行分類，例如：

耗能行為

平衡速度

使用的技術(shù)類型

價錢

因此，在選擇正確的平衡策略時，了解特定應用的所有參數(shù)和約束以做出正確的選擇非常重要。在這里，我們區(qū)分主動平衡和被動平衡。

測量

測試了 Würth Elektronik 的兩個 SC 的串聯(lián)連接：

電容器 1：C 1 = 10 F

電容器 2：C 2 = 15 F

這對應于與標稱電容 C r = 12.5 F的理論電容器的偏差。

對于充電，我們使用了 V g = 5.4 V 的充電電壓和 I c = 2 A的最大充電電流。

為了可靠的電路設計，我們想強調(diào)的是，具有不同標稱電容的 SC 的組合是不可取的。選擇此組合僅用于實驗目的。

1kΩ 電阻器

對于被動平衡，我們使用了一個 1 kΩ (1%) 的電阻器，額定功率為 0.6 W。選擇該電阻器是為了縮短平衡時間而不是低功耗。如圖 1 所示，測得的電壓V 1和V 2以及產(chǎn)生的電壓差V 1 – V 2表明大約 600 分鐘后完全平衡。V 1和V 2漸近接近V r。

12 小時后的總功耗（根據(jù)有效漏電流I loss計算）為 2.8 mA × 5.4 V ≈ 15 mW。對于低功耗應用或備用解決方案，這種補償速度可以足夠快，并且功耗是可以接受的。對于獨立電池供電的應用，應增加電阻以減少損耗。為了安全起見，還建議降低工作電壓以避免過壓。



審核編輯：劉清
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