在能量采集

、辦公自動化和備份係統等一係列新產品設計中，超級電容器(supercapacitor)引yin起qi了le設she計ji團tuan隊dui的de關guan注zhu。這zhe些xie超chao級ji電dian容rong器qi電dian池chi具ju有you高gao效xiao存cun儲chu能neng力li，可ke根gen據ju需xu要yao快kuai速su釋shi放fang能neng量liang。為wei確que保bao峰feng值zhi性xing能neng和he較jiao長chang的de產chan品pin生sheng命ming周zhou期qi
，超chao級ji電dian容rong器qi的de電dian壓ya必bi須xu得de到dao平ping衡heng。如ru果guo由you於yu電dian池chi之zhi間jian的de泄xie漏lou電dian流liu差cha異yi而er發fa生sheng不bu平ping衡heng，則ze可ke能neng觸chu發fa能neng量liang耗hao散san
，導dao致zhi超chao級ji電dian容rong器qi電dian池chi過guo早zao失shi效xiao。

 

超級電容器，也稱為超電容(ultracapacitor)
，具有高功率、快速充/放電、峰值功率削減和備用電源等功能特性

，適合關鍵型數據保護和電池備份應用。對於供電需求不超過30秒的應用，它們正成為一種流行的選擇。

 

超級電容器也提高了能量密度。隨著電池逐漸增加功率密度，它們可以更有效地緩衝和儲存能量
，從而最大化能量收集工作。

 

有個問題：每個超級電容器都有電容、內(nei)阻(zu)和(he)漏(lou)電(dian)流(liu)方(fang)麵(mian)的(de)容(rong)差(cha)。這(zhe)可(ke)能(neng)會(hui)導(dao)致(zhi)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)不(bu)平(ping)衡(heng)。必(bi)須(xu)對(dui)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)進(jin)行(xing)平(ping)衡(heng)，以(yi)確(que)保(bao)電(dian)壓(ya)不(bu)超(chao)過(guo)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)最(zui)大(da)額(e)定(ding)電(dian)壓(ya)。

 

電dian源yuan係xi統tong設she計ji人ren員yuan應ying選xuan擇ze同tong一yi製zhi造zao商shang的de超chao級ji電dian容rong器qi，以yi確que保bao初chu始shi電dian池chi電dian壓ya值zhi在zai同tong一yi範fan圍wei內nei。其qi次ci，必bi須xu補bu償chang由you單dan個ge電dian池chi中zhong的de漏lou電dian流liu引yin起qi的de任ren何he電dian池chi電dian壓ya不bu平ping衡heng。

 

有兩種類型的平衡方法可用於調節超級電容器電池的電壓：主動式和被動式。被動平衡方法會用到低值電阻
，這種方法有點耗能，並且不能隨溫度變化而調節。主動式平衡方法使用運算放大器(op-amp)
，或使用MOSFET進行電流平衡。

 

以(yi)下(xia)是(shi)兩(liang)個(ge)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)串(chuan)聯(lian)在(zai)一(yi)起(qi)的(de)情(qing)景(jing)。第(di)一(yi)種(zhong)場(chang)景(jing)是(shi)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)具(ju)有(you)自(zi)動(dong)平(ping)衡(heng)功(gong)能(neng)，第(di)二(er)種(zhong)場(chang)景(jing)是(shi)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)不(bu)具(ju)備(bei)自(zi)動(dong)平(ping)衡(heng)功(gong)能(neng)。這(zhe)兩(liang)種(zhong)設(she)計(ji)方(fang)案(an)之(zhi)間(jian)的(de)差(cha)異(yi)將(jiang)證(zheng)明(ming)，需(xu)要(yao)一(yi)種(zhong)自(zi)動(dong)校(xiao)正(zheng)漏(lou)電(dian)流(liu)變(bian)化(hua)影(ying)響(xiang)的(de)平(ping)衡(heng)方(fang)法(fa)。

 

沒有自動平衡的超級電容器

 

漏(lou)電(dian)流(liu)會(hui)導(dao)致(zhi)電(dian)壓(ya)不(bu)平(ping)衡(heng)和(he)功(gong)率(lv)損(sun)耗(hao)。電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)必(bi)須(xu)補(bu)償(chang)每(mei)個(ge)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)電(dian)池(chi)的(de)漏(lou)電(dian)流(liu)。否(fou)則(ze)
，如(ru)果(guo)電(dian)壓(ya)超(chao)過(guo)電(dian)池(chi)額(e)定(ding)電(dian)壓(ya)一(yi)段(duan)時(shi)間(jian)，超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)工(gong)作(zuo)壽(shou)命(ming)可(ke)能(neng)會(hui)縮(suo)短(duan)甚(shen)至(zhi)永(yong)久(jiu)損(sun)壞(huai)。

 

下圖(圖1)展zhan示shi了le兩liang個ge串chuan聯lian連lian接jie的de超chao級ji電dian容rong器qi

，沒mei有you借jie助zhu自zi動dong平ping衡heng機ji製zhi。它ta描miao述shu了le漏lou電dian流liu如ru何he隨sui差cha分fen電dian壓ya的de變bian化hua而er上shang下xia移yi動dong。如ru果guo不bu平ping衡heng，這zhe一yi問wen題ti可ke能neng會hui因yin過guo壓ya效xiao應ying而er導dao致zhi故gu障zhang。

 

圖1：兩個串聯連接的超級電容器視圖，沒有自動平衡機製

 

圖1顯示，在2.3 V時
，上麵的超級電容器漏電流為1.6μA，而下麵的超級電容器漏電流為0.8μA。如果這兩個超級電容器不平衡和均衡漏電流，那麼下麵的超級電容器可能由於過壓而永久失效。

 

超級電容器具有自動平衡功能

 

圖2示出了MOSFET如何通過降低超級電容器的工作偏置電壓來平衡超級電容器，從而平衡電路的功耗。

 

圖2：兩個串聯的超級電容器使用MOSFET芯片實現卓越的自動平衡

 

ASSUME: 假設

 

1. Charge voltage of 4.6V 充電電壓為4.6V

2. Cell capacitance C1=C2 電池電容C1 = C2

3. Zero is either slightly positive, zero, or slightly negative power burn.：零點是略微正、零或略微負的功耗。

 

沒有自動平衡的超級電容器由上麵的水平虛線表示
，可能由於過壓而損壞電池。水平實線表示使用MOSFET器件的電流平衡操作。當MOSFET連接在陣列中的超級電容器上時，由另一個超級電容器的漏電流引起的電壓小幅上升會導致該MOSFET的導通電阻(RDS(ON))大幅下降。這會引起超級電容器的電流增加，隨後降低電壓。

 

自動平衡的原理是利用MOSFET器件的自然閾值特性。在閾值電壓下，MOSFET導通並開始傳導電流。該特性可確保MOSFET芯片幾乎很少或沒有額外的漏電流。

 

圖2還顯示了運算放大器電壓平衡方法如何迫使兩個超級電容器單元在2.3V的(de)中(zhong)點(dian)達(da)到(dao)相(xiang)同(tong)的(de)電(dian)壓(ya)。但(dan)是(shi)，這(zhe)樣(yang)做(zuo)時(shi)，兩(liang)個(ge)電(dian)池(chi)會(hui)消(xiao)耗(hao)一(yi)些(xie)功(gong)率(lv)。如(ru)果(guo)兩(liang)個(ge)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)容(rong)沒(mei)有(you)充(chong)分(fen)平(ping)衡(heng)
，則(ze)會(hui)導(dao)致(zhi)額(e)外(wai)的(de)功(gong)耗(hao)。因(yin)此(ci)
，在(zai)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)自(zi)動(dong)平(ping)衡(heng)的(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)存(cun)在(zai)顯(xian)著(zhu)的(de)能(neng)耗(hao)。此(ci)外(wai)
，運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)也(ye)會(hui)通(tong)過(guo)其(qi)電(dian)路(lu)網(wang)絡(luo)自(zi)行(xing)消(xiao)耗(hao)電(dian)能(neng)。

 

使用運算放大器，如果兩個電池的電容值之間存在不匹配，則會導致功耗。與運放不同的是，MOSFET可通過互補的反向電流水平來實現自然的電池平衡。

 

另外，圖2中的超級電容器電池1和電池2是可以互換的。因此，不知道哪一個有更大的漏電流。一些電流來自MOSFET本身，而不是超級電容器電池2。

 

基於MOSFET的漏電流平衡機製是完全自動化的
，幾乎適用於所有超級電容器。這種自動平衡技巧不需要額外的電流消耗，並且可以根據溫度
、時間和環境變化而自動調節。

 

從MOSFET到線路板

 

即插即用型印刷電路板(PCB)可以安裝MOSFET
，以自動平衡超級電容器電池的漏電流和電壓。單個或多個MOSFET都可以安裝到超級電容自動平衡(SAB)PCB上，以自動平衡超級電容器電池。

 

圖3：尺寸為0.6×1英寸的SABMB2線路板的方框圖
，用於超級電容器自動平衡

 

例如，ALD的即插即用型SAB PCB可用於原型設計或生產設計。這些電路板可以級聯形成一個係列鏈，範圍從2到數百個，用於平衡超級電容器堆棧。

 

本文轉載自電子工程專輯。

 

 

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