一种用于声呐发射机的超级电容被动均压简易实用电路

文明，张立强，董浩



一种用于声呐发射机的超级电容被动均压简易实用电路

文明，张立强，董浩

(上海船舶电子设备研究所，上海201108)

超级电容器的性能不一致性会造成处于串联模式的电容组中个别电容器首先发生过压失效，进而加速整个储能组的失效。现有的均压电路一般工作在线性状态，电路也较复杂，不便于调试和生产。介绍了一种仅由5个元器件组成的简易、实用、高效的开关型被动均压电路，分析了其工作原理及均压特性。该电路在声呐发射机的储能电源中可长期使用，很好地保护了超级电容组。

均压电路；超级电容；声呐发射机；等效串联内阻；脉冲功率

0 引言

超级电容器是一种新型储能装置，电极巨大的表面积加上电荷间非常小的距离，使其有很大的电容量，可以从1 F(法拉)至5000 F。目前超级电容器根据电解液的不同分为水系和有机两种：水系的超级电容器的额定电压为1.4 V，有机体系的为2.3 V、2.5 V和2.7 V三种。通过改进超级电容器的制造工艺，改进原材料的品质，超级电容器的性能正得到逐步改善，但是没有材料的革命，其耐压不会有大幅度的提高[1]。由于在应用中需要大电流充放电，常需要将多个超级电容器串联起来形成电容组，故串联起来的单个电容器上电压是否一致是至关重要的。

超级电容的电压不均衡主要是由容量偏差、漏电流偏差和等效串联内阻(Equivalent Series Resistance, ESR)偏差等因素造成的。以容量偏差为例，其差异性永不会趋于消失，而是逐步恶化的。电容组中每个电容器流过的电流相同，相对而言，容量大者总是处于浅充浅放状态，容量衰减缓慢，寿命延长，而容量小者总是处于过充过放状态，容量衰减加快，寿命缩短，两者之间性能参数差异越来越大，形成正反馈特性，因小容量者提前失效，故电容组寿命缩短。同样，漏电流大的电容长时间静置后保持的电荷明显低于漏电流小的，ESR大的电容在反复充放电后ESR会越来越大，能放出的电荷越来越少，这都相当于电容器的等效电容量减小。

作为一种储能部件，超级电容在单体性能上的参差不齐并不全是缘于电容的生产技术问题，即使严格控制每一道生产工艺使每只电容的内阻、容量一致，使用一段时间以后，也会产生差异，使得超级电容的使用技术问题显得非常重要。

超级电容的使用寿命受多种因素影响，如果电容组寿命低于单体平均寿命的一半以下，可以推断都是由于使用技术不当造成的，首要原因是过充和过放导致单体电容提前失效[2]。

1 现有的超级电容均压电路

现有的均压电路有被动均压电路和主动(动态)均压电路两种，前者是在单体电容电压超过设定的阈值电压时对其进行限幅，后者在整个充电过程中都对单体电容电压进行均衡。近年来还出现了一种非能量损耗性均压方法，能实现不同电容器间电荷的转移。

文献[1]介绍了一种实用的2.5 V额定电压超级电容的电压均衡电路，电路图如图1所示。

文献[1]指出：该电路的核心器件是TL431，工作原理为：当电容上的电压小于2.5 V时，V1的K端相当于开路(有约400 μA的漏电流)，基本不影响偏置电路R1、R2、R3的分压，该分压不能使Q1导通，因此Q2也截止，该电路处于高阻状态。当电容上的电压大于2.5 V时，由于V1内部放大器的作用，使V1的K端和Q1基极电压下降，Q1进入放大状态，并驱动Q2导通进入放大状态，使充电电流流经该均压电路，防止电容过充。

该文献给出的电路的伏安特性如图2所示。

单体电容上的电压超过2.5 V后，均压电路的伏安特性类似稳压二极管的特性，在一定程度上将端电压限制在“稳压值”以下。特别注意的是，应使均压电路有足够的放电电流，防止电路进入3 V以上的工作区域。

该电路具有较理想的伏安特性，一般大容量超级电容器几乎全采用这种方式。该电路使用了14个元件，三极管Q1、Q2工作在线性状态，应用时电装和调试工作量较大。文献[3]采用运放和稳压二极管代替了TL431，原理与上述电路相同。

另一种均压电路是主动式均压电路。一般由运放和推挽电路组成。这种电路在充放电全过程中实现电容器电压均衡。但是这种电路容易出现振荡而工作不稳定，造成损耗过大的情况。当串联电容数量较多时该均压性能也会有降低。

非能量损耗型均压电路的原理是利用DC-DC变换器将电压较高的单体电容器的电荷转移到电压较低的单体电容中，文献[4]是对非能量损耗型均压电路的一个尝试，这种方法需要复杂的检测电路和控制算法，还未见成熟应用。

2 一种简易实用的被动均压电路

本文提出了一种简易实用的被动均压电路，只需要5个元器件就可实现一定程度上的均压，电路原理如图3所示，电路PCB如图4所示，元器件清单如表1所示，图5为电路中重要节点的波形图。

表1 简易实用均压电路的元器件清单

电路中，核心器件U1为意法半导体公司的低功耗电压监控芯片STM1061N25WX，工作电压范围为0.7~6 V，下跳变电压VTH-=2.5 V，上跳变电压TH+=2.625 V。该芯片VCC脚为供电引脚，VSS脚为地，OUT脚为漏极开路的监控输出引脚。R1为上拉电阻，R2为超级电容C1的放电电阻，Q1为放电开关，受U1输出引脚控制。Q1是逻辑电平的N沟道MOS管，额定工作电压20 V，额定电流4.2 A，阈值电压范围0.6~1.2 V。

电容充电时，电容电压C从0 V逐渐充至满电压的过程中，电路中重要节点波形见图5。

电路工作过程分析如下：

(a) 0~1时刻，C＜CCmin时，U1还未进入工作状态，其输出即GS＝C，由于此时GS＜GS(th)min，Q1截止，R2＝0；

(b)1~2时刻前，C≥CCmin且C＜TH+时，U1输出低电平，Q1仍截止，此时R2＝0；

(c)2时刻时，C＝TH+，U1输出高电平，此时GS＞GS(th)max，Q1导通，电容C1通过R2和Q1放电，放电电流R2＝C/2；

(d)2~3时刻前，在C＞TH-，由于U1的滞回作用，电容C1会持续通过R2和Q1放电，若充电电流小于此放电电流，就会使C电压下降，确保不超过电容的额定电压；

(e)3~4时刻，C≤TH-，U1输出低电平，电容继续充电，重复步骤(c)~(e)。

均压电路的伏安特性如图6所示。单体电容上的电压超过2.625 V后，均压电路的伏安特性呈现理想稳压二极管的特性，在一定程度上能将端电压限制在该阈值电压以下。放电开关导通后，若充电电流小于放电电流，电容器电压逐渐降低。电压低至2.5 V时，均压电路停止工作。

可以看出，该超压泄放电路工作在开关状态，具有较高的均压效率，调试也非常方便。

另外，由于电容单体漏电流的差异，也会导致各电容单体电压不均衡。为了减小因漏电流造成的电压不均衡，在C1两端并联一个电阻R3，通过R3的泻放电流远大于电容的漏电流。该本文中超级电容的漏电流为0.2 mA，因此选择了封装为0805的1 kΩ的电阻作为泻放电阻，其泻放电流约为2.5 mA，远大于电容的漏电流，可以补偿因电容漏电流的差异而引起的电压不均衡。虽然该电阻产生了一定的损失，但提高了电容组长期工作的可靠性。

3 结论

被动均压电路通过检测单体电容电压来控制放电回路，当电压未达到阈值电压时，放电回路处于开路状态；电压超过阈值后放电回路开始导通，使部分或全部充电电流流经放电回路，防止电容过充。

本文设计了一种简易实用的超级电容均压电路，仅由5个元器件组成。该电路工作于开关模式，实现了串联电容组的超压泄放和漏电流的补偿，具有损耗小、均压效率高的优点。该电路应用于声呐发射机的储能电源中，24个单体电容(包括本文介绍的均压电路)串联形成一组，10组并联起来为发射机的功率放大器供电，总额定容量37.5 F。储能电容组采用恒流源进行充电，充电电流25 A，充电电压55 V，发射机工作时储能组放电电流达到160 A。多年来储能电容组稳定工作，显示出电路具有较高的可靠性。

需要注意的是，均压电路都有最大均衡电流的限制，如果充电流大于均压电流，电容上的电压将继续升高，将会损坏均压电路和超级电容器。

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Practical passive balancing circuit for super capacitor series in sonar transmitter

WEN Ming, ZHANG Li-qiang, DONG Hao

(Shanghai Marine Electronic Equipment Research Institute, Shanghai 201108, China)

The differences between each super capacitor can result in over-voltage break down of individual capacitor, and then makes whole capacitor series invalid soon. Commonly used equalizing circuits often work in linear mode, and the circuit is complex, and not easy to debug and manufacture. A practical and high efficient circuit is designed for balancing the voltage on each capacitor in a series. This circuit works in switch mode and consists of only 5 components. So, it has been applied in the power supply circuits of sonar transmitter to protect capacitor series for a long time.

voltage equalizing; super capacitor; sonar transmitter;equivalent series resistance; pulse power

TN710

A

1000-3630(2015)-06-0562-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.06.018

2014-11-13;

2015-03-01

文明(1982－), 男, 工程师, 湖北当阳人, 研究方向为水声发射机和水声对抗。

文明, E-mail: wein1210@sina.com