專利名稱：超級(jí)電容器電壓均衡電路、單級(jí)和二級(jí)超級(jí)電容器模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及蓄電裝置領(lǐng)域，具體的說，涉及了一種超級(jí)電容器電壓均衡電路、單級(jí)和二級(jí)超級(jí)電容器模塊。
背景技術(shù)：
目前，被大量使用的蓄電裝置主要是鉛酸電池、鎳鎘電池，以及近年來迅速發(fā)展起來的鎳氫電池和鋰離子電池。隨著人們對(duì)儲(chǔ)能產(chǎn)品的性能需求越來越高，以及對(duì)環(huán)境質(zhì)量的要求越來越高，現(xiàn)用的蓄電裝置所暴露出的問題越來越突出，其中，尤其突出的問題是蓄電裝置使用壽命短和重金屬污染物的回收處理問題。超級(jí)電容器，也就是電化學(xué)雙層電容，是近幾年才發(fā)展起來的一種專門用于儲(chǔ)能的特種電容器，是介于傳統(tǒng)物理電容器和電池特性之間的一種新型儲(chǔ)能器件。與傳統(tǒng)的電解電容器相比，超級(jí)電容器的儲(chǔ)能密度高、漏電流小、充電時(shí)間短、循環(huán)使用壽命長，其反復(fù)充電使用的極限壽命可以達(dá)到10萬次以上，可應(yīng)用的領(lǐng)域非常廣泛，而且其適用的溫度范圍也寬，是健康綠色環(huán)保型儲(chǔ)能器件。但是，由于超級(jí)電容器的單體電壓比較低，其根本不能滿足應(yīng)用工況的電壓需求。 要想滿足要求，就必須將多個(gè)單體超級(jí)電容器串聯(lián)起來，可是單體超級(jí)電容器之間存在著差異，電壓不能均衡地分配給每個(gè)單體超級(jí)電容器，這就會(huì)使得超級(jí)電容器的儲(chǔ)能量明顯下降，而且還會(huì)加速容量相對(duì)小的超級(jí)電容器的性能變壞。因此，采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ姑總€(gè)單體超級(jí)電容器均能達(dá)到額定電壓并且不產(chǎn)生過壓現(xiàn)象，是將超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能裝置必須解決的問題。為了解決以上存在的問題，人們一直在尋求一種理想的技術(shù)解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，從而提供一種設(shè)計(jì)科學(xué)、實(shí)用性強(qiáng)、性能穩(wěn)定的超級(jí)電容器電壓均衡電路，還提供了一種單級(jí)超級(jí)電容器模塊和一種二級(jí)超級(jí)電容器模塊。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種超級(jí)電容器電壓均衡電路， 它包括有兩個(gè)運(yùn)算放大器和兩個(gè)N溝道增強(qiáng)型MOS管；其中，第一 N溝道增強(qiáng)型MOS管的柵極連接第一運(yùn)算放大器的輸出端，第二 N溝道增強(qiáng)型MOS管的柵極連接第二運(yùn)算放大器的輸出端；第一運(yùn)算放大器的反相輸入端連接第二運(yùn)算放大器的同相輸入端，第二運(yùn)算放大器的反相輸入端連接第一運(yùn)算放大器的同相輸入端?；谏鲜?，第一 N溝道增強(qiáng)型MOS管和第二 N溝道增強(qiáng)型MOS管的漏極分別連接有一個(gè)限流電阻?；谏鲜?，一種單級(jí)超級(jí)電容器模塊，它包括有所述超級(jí)電容器電壓均衡電路、兩個(gè)超級(jí)電容器和四個(gè)分壓電阻；其中，第一超級(jí)電容器的一端接第一分壓電阻的一端，第一分壓電阻的另一端接第二分壓電阻的一端，第二分壓電阻的另一端接第一超級(jí)電容器的另一端，第二超級(jí)電容器的一端接第三分壓電阻的一端，第三分壓電阻的另一端接第四分壓電阻的一端，第四分壓電阻的另一端接第二超級(jí)電容器的另一端，第一超級(jí)電容器的另一端與第二超級(jí)電容器的一端相連；所述超級(jí)電容器電壓均衡電路的第一運(yùn)算放大器的同相輸入端接到第一分壓電阻和第二分壓電阻之間，所述超級(jí)電容器電壓均衡電路的第二運(yùn)算放大器的同相輸入端接到第三分壓電阻和第四分壓電阻之間；所述超級(jí)電容器電壓均衡電路的第一 N溝道增強(qiáng)型MOS管的漏極和源極分別連接到第一超級(jí)電容器的兩端，所述超級(jí)電容器電壓均衡電路的第二 N溝道增強(qiáng)型MOS管的漏極和源極分別連接到第二超級(jí)電容器的兩端；第一超級(jí)電容器的一端作為單級(jí)超級(jí)電容器模塊的a引出端，第二超級(jí)電容器的另一端作為單級(jí)超級(jí)電容器模塊的b引出端?；谏鲜?，一種二級(jí)超級(jí)電容器模塊，它包括有所述超級(jí)電容器電壓均衡電路和兩個(gè)所述單級(jí)超級(jí)電容器模塊，其中，第一單級(jí)超級(jí)電容器模塊的b引出端連接第二單級(jí)超級(jí)電容器模塊的a引出端；所述超級(jí)電容器電壓均衡電路的第一運(yùn)算放大器的同相輸入端接到第一單級(jí)超級(jí)電容器模塊的第二分壓電阻和第三分壓電阻之間，所述超級(jí)電容器電壓均衡電路的第二運(yùn)算放大器的同相輸入端接到第二單級(jí)超級(jí)電容器模塊的第二分壓電阻和第三分壓電阻之間；所述超級(jí)電容器電壓均衡電路的第一 N溝道增強(qiáng)型MOS管的漏極和源極分別連接到第一單級(jí)超級(jí)電容器模塊的a引出端和b引出端，所述超級(jí)電容器電壓均衡電路的第二 N溝道增強(qiáng)型MOS管的漏極和源極分別連接到第二單級(jí)超級(jí)電容器模塊的 a引出端和b引出端。本發(fā)明相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)具有突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，具體的說，本發(fā)明通過設(shè)計(jì)超級(jí)電容器電壓均衡電路，將超級(jí)電容器同設(shè)計(jì)的超級(jí)電容器電壓均衡電路連接后封裝，制成了能均衡電壓的單級(jí)超級(jí)電容器模塊和二級(jí)超級(jí)電容器模塊，不僅解決了單體超級(jí)電容器之間的電壓均衡的問題，使得容量相對(duì)小的超級(jí)電容器性能變得穩(wěn)定，還提高了超級(jí)電容器的儲(chǔ)能量；利用本發(fā)明可相應(yīng)的組合成多級(jí)超級(jí)電容器模塊，通過選取系列化額定電壓的單體超級(jí)電容器，可制成系列化額定電壓的單級(jí)超級(jí)電容器模塊及多級(jí)超級(jí)電容器模塊，非常適用于構(gòu)建不同應(yīng)用電壓下的蓄電裝置，而且還便于批量生產(chǎn)。本發(fā)明具有設(shè)計(jì)科學(xué)、實(shí)用性強(qiáng)、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是所述超級(jí)電容器電壓均衡電路的電路原理圖。圖2是所述單級(jí)超級(jí)電容器模塊的電路原理圖。圖3是所述二級(jí)超級(jí)電容器模塊的電路原理圖。
具體實(shí)施例方式下面通過具體實(shí)施方式
，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。如圖1所示，一種超級(jí)電容器電壓均衡電路P1，它包括有兩個(gè)運(yùn)算放大器Al和 A2、兩個(gè)帶有漏極限流電阻的N溝道增強(qiáng)型MOS管Tl和T2，其中所述N溝道增強(qiáng)型MOS管 Tl的柵極連接所述運(yùn)算放大器Al的輸出端，所述N溝道增強(qiáng)型MOS管T2的柵極連接所述運(yùn)算放大器A2的輸出端；所述運(yùn)算放大器Al的反相輸入端連接所述運(yùn)算放大器A2的同相輸入端，所述運(yùn)算放大器A2的反相輸入端連接所述運(yùn)算放大器Al的同相輸入端；第一N溝道增強(qiáng)型MOS管和第二 N溝道增強(qiáng)型MOS管的漏極分別連接有一個(gè)限流電阻。如圖2所示，一種單級(jí)超級(jí)電容器模塊Cl，它包括有所述超級(jí)電容器電壓均衡電路P1、兩個(gè)超級(jí)電容器Cll和C12、四個(gè)分壓電阻R1-R4，所述超級(jí)電容器Cll的一端接所述分壓電阻Rl的一端，所述分壓電阻Rl的另一端接所述分壓電阻R2的一端，所述分壓電阻 R2的另一端接所述超級(jí)電容器Cll的另一端，所述超級(jí)電容器C12的一端接所述分壓電阻 R3的一端，所述分壓電阻R3的另一端接所述分壓電阻R4的一端，所述分壓電阻R4的另一端接所述超級(jí)電容器C12的另一端，所述超級(jí)電容器Cll的另一端與所述超級(jí)電容器C12 的一端相連；所述超級(jí)電容器電壓均衡電路Pl的運(yùn)算放大器Al的同相輸入端接到所述分壓電阻Rl和所述分壓電阻R2之間，所述超級(jí)電容器電壓均衡電路Pl的運(yùn)算放大器A2的同相輸入端接到所述分壓電阻R3和所述分壓電阻R4之間；所述超級(jí)電容器電壓均衡電路 Pl的N溝道增強(qiáng)型MOS管Tl的漏極和源極分別連接到所述超級(jí)電容器Cll的兩端，所述超級(jí)電容器電壓均衡電路Pl的N溝道增強(qiáng)型MOS管T2的漏極和源極分別連接到所述超級(jí)電容器C12的兩端；根據(jù)以上所述，所述超級(jí)電容器Cll的一端作為單級(jí)超級(jí)電容器模塊Cl 的a引出端，所述超級(jí)電容器C12的另一端作為單級(jí)超級(jí)電容器模塊Cl的b引出端。如圖3所示，一種二級(jí)超級(jí)電容器模塊，它包括兩個(gè)所述單級(jí)超級(jí)電容器模塊Cl、 C2，以及所述超級(jí)電容器電壓均衡電路P3，其中，所述單級(jí)超級(jí)電容器模塊C2包括有所述超級(jí)電容器電壓均衡電路P2、兩個(gè)超級(jí)電容器C21和C22、四個(gè)分壓電阻R5-R8，所述超級(jí)電容器電壓均衡電路P2包括有兩個(gè)運(yùn)算放大器A3和A4、兩個(gè)帶有漏極限流電阻的N溝道增強(qiáng)型MOS管T3和T4，所述超級(jí)電容器電壓均衡電路P3包括有兩個(gè)運(yùn)算放大器A5和A6、 兩個(gè)帶有漏極限流電阻的N溝道增強(qiáng)型MOS管T5和T6 ；
所述單級(jí)超級(jí)電容器模塊Cl的b引出端連接所述單級(jí)超級(jí)電容器模塊C2的a引出端； 所述超級(jí)電容器電壓均衡電路P3的運(yùn)算放大器A5的同相輸入端接到所述單級(jí)超級(jí)電容器模塊Cl的分壓電阻R2和分壓電阻R3之間，所述超級(jí)電容器電壓均衡電路P3的運(yùn)算放大器A6的同相輸入端接到所述單級(jí)超級(jí)電容器模塊C2的分壓電阻R6和分壓電阻R7之間； 所述超級(jí)電容器電壓均衡電路P3的N溝道增強(qiáng)型MOS管T5的漏極和源極分別連接到所述單級(jí)超級(jí)電容器模塊Cl的a引出端和b引出端，所述超級(jí)電容器電壓均衡電路P3的N溝道增強(qiáng)型MOS管T6的漏極和源極分別連接到所述單級(jí)超級(jí)電容器模塊C2的a引出端和b 引出端。在所述單級(jí)超級(jí)電容器模塊Cl中，超級(jí)電容器Cll的電壓通過分壓電阻Rl與分壓電阻R2串聯(lián)分壓后，分壓電阻R2分得的電壓分別送入運(yùn)算放大器Al的同相輸入端和運(yùn)算放大器A2的反相輸入端，超級(jí)電容器C12的電壓通過分壓電阻R3與分壓電阻R4串聯(lián)分壓后，分壓電阻R4分得的電壓分別送入運(yùn)算放大器A2的同相輸入端和運(yùn)算放大器Al的反相輸入端，當(dāng)分壓電阻R4的分壓值大于分壓電阻R2的分壓值時(shí)運(yùn)算放大器A2輸出高電位，N溝道增強(qiáng)型MOS管T2導(dǎo)通，其漏極電流隨A2的輸出電壓升高而增大，這樣使得充電電流經(jīng)過N溝道增強(qiáng)型MOS管T2的漏、源極流向超級(jí)電容器C11，減緩或阻止了超級(jí)電容器C12電壓的繼續(xù)升高。反之，當(dāng)分壓電阻R4的分壓值小于分壓電阻R2的分壓值時(shí)運(yùn)算放大器A4輸出高電位，N溝道增強(qiáng)型MOS管Tl導(dǎo)通，其漏極電流隨Al的輸出電壓升高而增大，這樣使得充電電流經(jīng)過N溝道增強(qiáng)型MOS管Tl漏、源極流向超級(jí)電容器C12，減緩或阻止了超級(jí)電容器Cll電壓的繼續(xù)升高。所述單級(jí)超級(jí)電容器C2的工作原理與所述單級(jí)超級(jí)電容器Cl是一樣的。在所述二級(jí)電容器模塊中，超級(jí)電容器Cll與C12串聯(lián)后的總電壓通過分壓電阻 Rl與分壓電阻R2串聯(lián)和分壓電阻R3與分壓電阻R4串聯(lián)分壓后，分壓電阻R3與分壓電阻 R4串聯(lián)分得的電壓分別送入運(yùn)算放大器A5的同相輸入端和運(yùn)算放大器A6的反相輸入端； 超級(jí)電容器C21與C22串聯(lián)后的總電壓通過分壓電阻R5與分壓電阻R6串聯(lián)和分壓電阻R7 與分壓電阻R8串聯(lián)分壓后，分壓電阻R7與分壓電阻R8串聯(lián)分得的電壓分別送入運(yùn)算放大器A6的同相輸入端和運(yùn)算放大器A5的反相輸入端，當(dāng)分壓電阻R3與分壓電阻R4串聯(lián)的分壓值大于分壓電阻R7與分壓電阻R8串聯(lián)分壓值時(shí)，運(yùn)算放大器A5輸出高電位，N溝道增強(qiáng)型MOS管T5導(dǎo)通，其漏極電流隨A5的輸出電壓升高而增大，這樣使得充電電流經(jīng)過N 溝道增強(qiáng)型MOS管T5流向C21與C22，減緩或阻止了 Cll與C12電容電壓的繼續(xù)升高。反之，當(dāng)分壓電阻R7與分壓電阻R8串聯(lián)的分壓值大于分壓電阻R3與分壓電阻R4串聯(lián)分壓值時(shí)，運(yùn)算放大器A6輸出高電位，N溝道增強(qiáng)型MOS管T6導(dǎo)通，其漏極電流隨A6的輸出電壓升高而增大，這樣使得充電電流經(jīng)過N溝道增強(qiáng)型MOS管T6流向Cl 1與C12，減緩或阻止了 C21與C22電容電壓的繼續(xù)升高。通過采用恒流轉(zhuǎn)恒壓的充電方法，即恒流充電電流為50A，恒流充電到9. 5 V時(shí)轉(zhuǎn)恒壓充電，證明了本發(fā)明具有很好的均壓效果，在整個(gè)充電時(shí)間內(nèi)，單體超級(jí)電容器的最大偏壓差約為0. IV，均衡速度較快，有效避免了單體超級(jí)電容器過壓的情況的發(fā)生，同時(shí)還提高了整體電容器的儲(chǔ)能水平。本發(fā)明不僅可做成單級(jí)超級(jí)電容器模塊、二級(jí)超級(jí)電容器模塊，還可通過單級(jí)超級(jí)電容器模塊、二級(jí)超級(jí)電容器模塊和所述超級(jí)電容器電壓均衡電路的有效組合，制成多級(jí)超級(jí)電容器模塊。最后應(yīng)當(dāng)說明的是以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制；盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解依然可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行修改或者對(duì)部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明請(qǐng)求保護(hù)的技術(shù)方案范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種超級(jí)電容器電壓均衡電路，其特征在于它包括有兩個(gè)運(yùn)算放大器和兩個(gè)N溝道增強(qiáng)型MOS管；其中，第一 N溝道增強(qiáng)型MOS管的柵極連接第一運(yùn)算放大器的輸出端，第二 N溝道增強(qiáng)型MOS管的柵極連接第二運(yùn)算放大器的輸出端；第一運(yùn)算放大器的反相輸入端連接第二運(yùn)算放大器的同相輸入端，第二運(yùn)算放大器的反相輸入端連接第一運(yùn)算放大器的同相輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超級(jí)電容器電壓均衡電路，其特征在于第一N溝道增強(qiáng)型 MOS管和第二 N溝道增強(qiáng)型MOS管的漏極分別連接有一個(gè)限流電阻。
3.一種單級(jí)超級(jí)電容器模塊，其特征在于它包括有權(quán)利要求1所述的超級(jí)電容器電壓均衡電路、兩個(gè)超級(jí)電容器和四個(gè)分壓電阻；其中，第一超級(jí)電容器的一端接第一分壓電阻的一端，第一分壓電阻的另一端接第二分壓電阻的一端，第二分壓電阻的另一端接第一超級(jí)電容器的另一端，第二超級(jí)電容器的一端接第三分壓電阻的一端，第三分壓電阻的另一端接第四分壓電阻的一端，第四分壓電阻的另一端接第二超級(jí)電容器的另一端，第一超級(jí)電容器的另一端與第二超級(jí)電容器的一端相連；所述超級(jí)電容器電壓均衡電路的第一運(yùn)算放大器的同相輸入端接到第一分壓電阻和第二分壓電阻之間，所述超級(jí)電容器電壓均衡電路的第二運(yùn)算放大器的同相輸入端接到第三分壓電阻和第四分壓電阻之間；所述超級(jí)電容器電壓均衡電路的第一 N溝道增強(qiáng)型MOS管的漏極和源極分別連接到第一超級(jí)電容器的兩端，所述超級(jí)電容器電壓均衡電路的第二 N溝道增強(qiáng)型MOS管的漏極和源極分別連接到第二超級(jí)電容器的兩端；第一超級(jí)電容器的一端作為單級(jí)超級(jí)電容器模塊的a引出端，第二超級(jí)電容器的另一端作為單級(jí)超級(jí)電容器模塊的b引出端。
4.一種二級(jí)超級(jí)電容器模塊，其特征在于它包括有權(quán)利要求1所述的超級(jí)電容器電壓均衡電路和兩個(gè)權(quán)利要求3所述的單級(jí)超級(jí)電容器模塊；其中，第一單級(jí)超級(jí)電容器模塊的b引出端接第二單級(jí)超級(jí)電容器模塊的a引出端；所述超級(jí)電容器電壓均衡電路的第一運(yùn)算放大器的同相輸入端接到第一單級(jí)超級(jí)電容器模塊的第二分壓電阻和第三分壓電阻之間，所述超級(jí)電容器電壓均衡電路的第二運(yùn)算放大器的同相輸入端接到第二單級(jí)超級(jí)電容器模塊的第二分壓電阻和第三分壓電阻之間；所述超級(jí)電容器電壓均衡電路的第一 N 溝道增強(qiáng)型MOS管的漏極和源極分別連接到第一單級(jí)超級(jí)電容器模塊的a引出端和b引出端，所述超級(jí)電容器電壓均衡電路的第二 N溝道增強(qiáng)型MOS管的漏極和源極分別連接到第二單級(jí)超級(jí)電容器模塊的a引出端和b引出端。
全文摘要
本發(fā)明提供一種超級(jí)電容器電壓均衡電路、單級(jí)和二級(jí)超級(jí)電容器模塊，其中，超級(jí)電容器電壓均衡電路包括兩個(gè)運(yùn)算放大器和兩個(gè)N溝道增強(qiáng)型MOS管；單級(jí)超級(jí)電容器模塊包括所述超級(jí)電容器電壓均衡電路、兩個(gè)超級(jí)電容器和四個(gè)分壓電阻；二級(jí)超級(jí)電容器模塊包括兩個(gè)所述單級(jí)超級(jí)電容器模塊以及所述超級(jí)電容器電壓均衡電路。本發(fā)明不僅解決了單體超級(jí)電容器之間的電壓均衡的問題，使得容量相對(duì)小的超級(jí)電容器性能變得穩(wěn)定，還提高了超級(jí)電容器的儲(chǔ)能量，其具有設(shè)計(jì)科學(xué)、實(shí)用性強(qiáng)、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01G9/14GK102354621SQ20111030245
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月9日
發(fā)明者李應(yīng)生 申請(qǐng)人:黃淮學(xué)院