超级电容的电压均衡电路及装置的制作方法

1.本实用新型涉及电力电子的技术领域，尤其是涉及一种超级电容的电压均衡电路及装置。


背景技术：

2.超级电容又名电化学容器，具有优异的充放电寿命、高功率密度和环境友好等优点，凭借这些优点，超级电容得到了广泛的应用与研究。但单个超级电容的额定电压一般在2.7v左右，电压太低导致在实际应用中需要将多个超级电容串联起来构成超级电容组使用，从而达到应用所需的电压。但是在实际应用时，即使是两个相同规格的超级电容，其容量和内阻上也会存在一些一致性的差异，尤其随着使用时间的增加，这些差异将变得更为明显。因此，若仅是简单的将多个超级电容串联使用，这些超级电容之间的个体差异会造成电压不均衡的问题，进而出现个别超级电容的电压过高或过低，直至影响整个超级电容组的寿命，造成一定的安全隐患。因此，现有技术中针对此类问题提出了电压均衡电路，但市面上现有的电压均衡电路，大多存在电路复杂或者电路成本过高的问题，将电路复杂、成本高的电压均衡电路用于对电容组的超级电容进行电压均衡，使得得到的超级电容的电压均衡电路的结构也复杂、成本高。
3.综上，现有的超级电容的电压均衡电路存在由于电路结构复杂从而引起成本过高的问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种超级电容的电压均衡电路及装置，以缓解现有的超级电容的电压均衡电路存在的由于电路结构复杂从而引起成本过高的问题。
5.第一方面，本实用新型提供了一种超级电容的电压均衡电路，包括：多个超级电容串联构成的电容组和与所述超级电容数量相同的多个电压均衡电路，每个所述电压均衡电路与一个所述超级电容对应，其中，所述电压均衡电路包括：三端可调分流基准源、第一分压电阻和第二分压电阻，或，三端可调分流基准源；
6.所述电容组的第一端用于接收输入电压，所述电容组的第二端接电源参考地，所述电压均衡电路与其对应的所述超级电容并联；
7.所述电压均衡电路，用于将与其并联连接的所述超级电容的电压稳定在目标电压，其中，所述电容组中所有超级电容的目标电压的和等于所述输入电压。
8.进一步的，所述稳压电路包括：所述输入电压为充电电路产生的，所述充电电路包括：稳压电路；
9.所述稳压电路的第一端与电源连接，所述稳压电路的第二端与所述电容组的第一端连接。
10.进一步的，所述充电电路还包括：二极管；
11.所述二极管的阳极与所述稳压电路的第二端连接，所述二极管的阴极与所述电容
组的第一端连接。
12.进一步的，所述充电电路还包括：第一限流电阻；
13.所述第一限流电阻的第一端与所述二极管的阴极连接，所述第一限流电阻的第二端与所述电容组的第一端连接。
14.进一步的，所述稳压电路包括：第二限流电阻、稳压二极管和三极管；
15.所述第二限流电阻的第一端与所述电源连接，所述第二限流电阻的第二端与所述稳压二极管的阴极连接；
16.所述稳压二极管的阳极接电源参考地；
17.所述三极管的第一端与所述第二限流电阻的第一端连接，所述三极管的第二端与所述稳压二极管的阴极连接，所述三极管的第三端与所述二极管的阳极连接。
18.进一步的，当所述电压均衡电路为三端可调分流基准源时，所述三端可调分流基准源的阴极分别与其对应的所述超级电容的第一端、所述三端可调分流基准源的参考极连接，所述三端可调分流基准源的阳极与其对应的所述超级电容的第二端连接。
19.进一步的，当所述电压均衡电路为三端可调分流基准源、第一分压电阻和第二分压电阻时，所述三端可调分流基准源的阴极分别与其对应的所述超级电容的第一端、所述第一分压电阻的第一端连接，所述三端可调分流基准源的参考极分别与所述第一分压电阻的第二端、所述第二分压电阻的第一端连接，所述三端可调分流基准源的阳极分别与其对应的所述超级电容的第二端、所述第二分压电阻的第二端连接。
20.进一步的，所述稳压电路还包括：滤波电容；
21.所述滤波电容的第一端与所述稳压二极管的阴极连接，所述滤波电容的第二端接电源参考地。
22.进一步的，所述三端可调分流基准源包括：tl431。
23.第二方面，本实用新型还提供了一种超级电容的电压均衡装置，包括上述第一方面任一项所述的超级电容的电压均衡电路。
24.在本实用新型实施例中，一种超级电容的电压均衡电路，包括：多个超级电容串联构成的电容组和与超级电容数量相同的多个电压均衡电路，其中，每个电压均衡电路与一个超级电容对应，电压均衡电路包括：三端可调分流基准源、第一分压电阻和第二分压电阻，或，三端可调分流基准源；电容组的第一端用于接收输入电压，电容组的第二端接电源参考地，电压均衡电路与其对应的超级电容并联；电压均衡电路，用于将与其并联连接的超级电容的电压稳定在目标电压，其中，电容组中所有超级电容的目标电压的和等于输入电压。通过上述描述可知，本实用新型的超级电容的电压均衡电路，利用三端可调分流基准源、第一分压电阻和第二分压电阻，或者单独的三端可调分流基准源构成电压均衡电路，对与其对应并联连接的超级电容的电压进行限制，使得每个超级电容的电压都控制在设定的目标电压，进而保证电容组输入端的输入电压分配到每个超级电容的电压基本相等，实现了多个超级电容之间的电压均衡。此外，该电路均采用分立器件，在简化电路结构的同时，降低了电路的硬件成本，可以实现对小容量超级电容的充电，有效缓解了现有的超级电容的电压均衡电路存在的由于电路结构复杂从而引起成本过高的问题。
附图说明
25.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本实用新型实施例提供的一种超级电容的电压均衡电路的结构框图；
27.图2为本实用新型实施例提供的一种稳压电路的第一种电路结构示意图；
28.图3为本实用新型实施例提供的一种充电电路的电路结构示意图；
29.图4为本实用新型实施例提供的一种电压均衡电路的第一种电路结构示意图；
30.图5为本实用新型实施例提供的一种tl431的功能框图；
31.图6为本实用新型实施例提供的一种电压均衡电路的第二种电路结构示意图；
32.图7为本实用新型实施例提供的一种稳压电路的第二种电路结构示意图；
33.图8为本实用新型实施例提供的一种超级电容的电压均衡电路的第一种结构示意图；
34.图9为本实用新型实施例提供的一种超级电容的电压均衡电路的第二种结构示意图。
35.图标：11-电容组；12-电压均衡电路；13-充电电路；131-稳压电路。
具体实施方式
36.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
37.现有技术中，超级电容凭借优异的充放电寿命、高功率密度和环境友好等优点得到了广泛的应用与研究。但因单个超级电容的电压过底，导致实际应用时，需要将多个超级电容串联构成超级电容组后使用。可在实际应用中，若仅简单的将多个超级电容串联使用，会因超级电容之间的个体差异而造成电压不均衡的问题，产生一定的安全隐患。因此，现有技术中针对此类问题提出了电压均衡电路，但市面上现有的电压均衡电路，大多存在电路复杂或者成本过高的问题，导致应用于对电容组的超级电容进行电压均衡时，使得得到的超级电容的电压均衡电路的结构也复杂、成本高。
38.基于此，本实用新型的超级电容的电压均衡电路利用三端可调分流基准源、第一分压电阻和第二分压电阻，或者单独的三端可调分流基准源构成电压均衡电路，并对与其对应并联连接的超级电容的电压进行限制，使得每个超级电容的电压都控制在设定的目标电压，实现了多个超级电容之间的电压均衡。同时，该电路均采用分立器件，在简化电路结构的同时，有效降低了电路的硬件成本。
39.为便于对本实施例进行理解，首先对本实用新型实施例所公开的一种超级电容的电压均衡电路进行详细介绍。
40.实施例一：
41.一种超级电容的电压均衡电路，参考图1，包括：多个超级电容串联构成的电容组
11和与超级电容数量相同的多个电压均衡电路12，其中，每个电压均衡电路12与一个超级电容对应，电压均衡电路12包括：三端可调分流基准源、第一分压电阻r1和第二分压电阻r2，或，三端可调分流基准源；
42.电容组11的第一端用于接收输入电压，电容组11的第二端接电源参考地，电压均衡电路12与其对应的超级电容并联；
43.电压均衡电路12，用于将与其并联连接的超级电容的电压稳定在目标电压，其中，电容组11中所有超级电容的目标电压的和等于输入电压。
44.在本实用新型实施例中，若没有特殊说明，对于左右两端连接的器件，第一端是指该器件的左端，第二端是指该器件的右端，对于上下两端连接的器件，第一端是指该器件的上端，第二端是指该器件的下端。
45.具体的，本实施例中的多个超级电容串联构成电容组11，并且电容组11内的每个超级电容均对应一个电压均衡电路12。在连接方式上，每个超级电容与其对应的电压均衡电路12之间均采用并联连接。通过并联的连接方式，使得电压均衡电路12可以将与其对应的超级电容的电压稳定在预设的目标电压，进而实现将电容组11内的多个超级电容的电压均稳定在同一目标电压。具体实现时，当电容组11的输入端接收到输入电压后，电容组11内的多个超级电容将对该输入电压进行存储，但由于每个超级电容均与其对应的电压均衡电路12并联连接，使得每个超级电容分配到的电压稳定在预设的目标电压，从而实现了多个超级电容对输入电压的均衡分配，其中，电容组11中所有超级电容的目标电压的和等于输入电压。对于电压均衡电路12的结构，本实施例中包括以下两种：三端可调分流基准源、第一分压电阻r1和第二分压电阻r2，或，单独的三端可调分流基准源。下文中将对该过程进行详细描述，在此不再赘述。
46.在本实用新型实施例中，一种超级电容的电压均衡电路，包括：多个超级电容串联构成的电容组11和与超级电容数量相同的多个电压均衡电路12，其中，每个电压均衡电路12与一个超级电容对应，电压均衡电路12包括：三端可调分流基准源、第一分压电阻r1和第二分压电阻r2，或，三端可调分流基准源；电容组11的第一端用于接收输入电压，电容组11的第二端接电源参考地，电压均衡电路12与其对应的超级电容并联；电压均衡电路12，用于将与其并联连接的超级电容的电压稳定在目标电压，其中，电容组11中所有超级电容的目标电压的和等于输入电压。通过上述描述可知，本实用新型的超级电容的电压均衡电路，利用三端可调分流基准源、第一分压电阻和第二分压电阻，或者单独的三端可调分流基准源构成电压均衡电路，对与其对应并联连接的超级电容的电压进行限制，使得每个超级电容的电压都控制在设定的目标电压，进而保证电容组输入端的输入电压分配到每个超级电容的电压基本相等，实现了多个超级电容之间的电压均衡。此外，该电路均采用分立器件，在简化电路结构的同时，降低了电路的硬件成本，可以实现对小容量超级电容的充电，有效缓解了现有的超级电容的电压均衡电路存在的由于电路结构复杂从而引起成本过高的问题。
47.上述内容对本实用新型的超级电容的电压均衡电路的结构进行了简要介绍，下面对其中涉及到的具体内容进行详细描述。
48.在本实用新型的一个可选实施例中，输入电压为充电电路13产生的，充电电路13包括：稳压电路131；
49.稳压电路131的第一端与电源连接，稳压电路131的第二端与电容组11的第一端连
接。
50.另外，稳压电路131包括：第二限流电阻r3、稳压二极管zd和三极管q1；
51.第二限流电阻r3的第一端与电源连接，第二限流电阻r3的第二端与稳压二极管zd的阴极连接；
52.稳压二极管zd的阳极接电源参考地；
53.三极管q1的第一端与第二限流电阻r3的第一端连接，三极管q1的第二端与稳压二极管zd的阴极连接，三极管q1的第三端与二极管d1的阳极连接。
54.具体的，本实施例的超级电容的电压均衡电路还包括充电电路13，其中，充电电路13包括：稳压电路131。在连接方式上，稳压电路131的输入端与电源连接，输出端与后续电容组11的输入端连接。当电源为超级电容的电压均衡电路供电时，通过稳压电路131实现对电源电压的调整，使得电源电压稳定在稳压电路131预设的稳压值，从而保证后续电容组11输入端的输入电压的稳定性。
55.其中，图2为本实施例提供的一种稳压电路的电路结构示意图，如图2所示，稳压电路131包括：第二限流电阻r3、稳压二极管zd和三极管q1。在连接方式上，第二限流电阻r3的第一端分别与电源、三极管q1的第一端(即集电极)连接，第二限流电阻r3的第二端与稳压二极管zd的阴极连接，稳压二极管zd的阴极还与三极管q1的第二端(即基极)连接，稳压二极管zd的阳极接电源参考地，三极管q1的第三端(即发射极)作为整个稳压电路的输出端与后续电路的输入端连接。
56.具体实现时，当电源电压供电时，第二限流电阻r3将为三极管q1提供偏置电流，令三极管q1导通，与此同时，电源电压也经由第二限流电阻r3输入至稳压二极管zd，在稳压二极管zd上得到一个稳定的电压。此时，由于三极管q1的基极与稳压二极管zd的阴极连接且发射极作为输出端，在结构上形成了一个简单的三极管跟随器，即发射极电压跟随基极电压，因此发射极的输出电压值将由稳压二极管zd的稳压值决定。以稳压值为13v的稳压二极管zd为例，当电源电压经由第二限流电阻r3输入至稳压二极管zd时，稳压二极管zd上就可以得到13v的电压，结合三极管跟随器工作时在基极与发射极两极产生的导通压降(硅管压降0.6v-0.7v)，可以得出三极管q1发射极输出的电压为12.3-12.4v，即输出电压等于稳压二极管zd的稳压值减去三极管q1的基极与发射极的导通压降。利用上述工作原理的稳压电路，便可以根据超级电容的电压均衡电路的供电需求实现对稳压电路131的输出电压的设定。
57.在本实用新型的一个可选实施例中，充电电路13还包括：二极管d1；
58.二极管d1的阳极与稳压电路131的第二端连接，二极管d1的阴极与电容组11的第一端连接。
59.另外，充电电路13还包括：第一限流电阻r4；
60.第一限流电阻r4的第一端与二极管d1的阴极连接，第一限流电阻r4的第二端与电容组11的第一端连接。
61.具体的，参考图3，充电电路13还包括二极管d1和第一限流电阻r4，在连接结构上，二极管d1的阳极与稳压电路131的输出端连接，二极管d1的阴极与第一限流电阻r4的第一端连接，第一限流电阻r4的另一端与后续电容组11的输入端连接。电路正常工作时，二极管d1利用其自身的单向导通功能，在无dcin(direct current in，直流电输入)时，防止后续
电路里的电流倒灌，从而产生漏电流对稳压电路131内的三极管q1造成击穿。同时，第一限流电阻r4可以防止电路电流过大，对电路造成损坏。
62.在本实用新型的一个可选实施例中，当电压均衡电路12为三端可调分流基准源时，三端可调分流基准源的阴极分别与其对应的超级电容的第一端、三端可调分流基准源的参考极连接，三端可调分流基准源的阳极与其对应的超级电容的第二端连接。
63.另外，三端可调分流基准源包括：tl431。
64.具体的，参考图4，本实施例电压均衡电路12由单独的三端可调分流基准源构成时，在连接方式上，三端可调分流基准源的阴极(即k极)分别与其对应的超级电容的一端连接、自身参考极(即r极)连接，三端可调分流基准源的阳极(即a极)与其对应的超级电容的另一端连接。通过上述连接方式实现了三端可调分流基准源与其对应的超级电容的并联，从而实现了三端可调分流基准源限制与其对应的超级电容的电压为目标电压。
65.其中，本实施例的三端可调分流基准源包括tl431，tl431是一种并联稳压集成电路，因其性能好、价格低而广泛应用于各种电源电路中。图5为本实施例提供的一种tl431的功能框图，参考图5，该芯片内置了一个v
ref
＝2.5v的电压基准源。因此，当tl431参考极(即r极)与阴极(即k极)连接时，tl431会将自身电压稳定在内置的电压基准源的范围内，也就是说，此时tl431稳定输出时的输出电压等于其内置的电压基准源的电压。电压均衡电路12正是利用tl431这种自身的电压调节机制，实现了将与其对应并联连接的超级电容的电压限制在tl431的稳压设定值，从而确保单个超级电容的电压值不超过其额定电压值。
66.在本实用新型的一个可选实施例中，参考图6，当电压均衡电路12为三端可调分流基准源、第一分压电阻r1和第二分压电阻r2时，三端可调分流基准源的阴极分别与其对应的超级电容的第一端、第一分压电阻r1的第一端连接，三端可调分流基准源的参考极分别与第一分压电阻r1的第二端、第二分压电阻r2的第一端连接，三端可调分流基准源的阳极分别与其对应的超级电容的第二端、第二分压电阻r2的第二端连接。
67.具体的，本实施例的电压均衡电路12由三端可调分流基准源、第一分压电阻r1和第二分压电阻r2构成，同样的，本实施例的三端可调分流基准同样包括tl431。在连接方式上，tl431的阴极(即k极)与其对应的超级电容的一端、第一分压电阻r1的一端连接，其参考极(即r极)分别与第一分压电阻r1的另一端、第二分压电阻r2的一端连接，其阳极(即a极)分别与其对应的超级电容的另一端、第二分压电阻r2的另一端连接。该电压均衡电路12通过引入两个分压电阻，使得tl431可以作为可调稳压源，实现了tl431的输出电压可以设置为电压基准源的2.5v到36v范围内的任何值，有效拓宽了tl431的输出电压范围，可以实现对低压或高压的超级电容的电压限制。此时，在分压电阻r1和r2的设定下，tl431的输出电压将等于(1 r1/r2)v
ref
。
68.在本实用新型的一个可选实施例中，参考图7，稳压电路131还包括：滤波电容c；
69.滤波电容c的第一端与稳压二极管zd的阴极连接，滤波电容c的第二端接电源参考地。
70.最后，本实施例的超级电容的电压均衡电路的完整的两种电路结构示意图分别如图8和图9所示。
71.综上所述，本实用新型的超级电容的电压均衡电路与现有技术相比，具有如下优点：
72.1、电路结构简单；
73.2、电路成本较低；
74.3、具有两种电路结构，能够适应低压或高压的超级电容的电压均衡控制。
75.实施例二：
76.一种超级电容的电压均衡装置，包括上述实施例一中任一项所述的超级电容的电压均衡电路。
77.另外，在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
78.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
79.最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。