基于TLVH431的超級電容組均壓電路研究

李 偉 路廷鎮(zhèn) 薛海峰 牛余朋

（中國人們解放軍96630部隊，中國 北京 102206）

0 引言

超級電容因其具有功率密度高、循環(huán)壽命長、大電流放電能力強、能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)保無污染等優(yōu)點，已經(jīng)在電力機車、電力系統(tǒng)功率補償設(shè)備等短時、大功率的應(yīng)用場合得到了廣泛應(yīng)用。超級電容的單體電壓較低，一般只有2.7V，因此在實際應(yīng)用中，需要將多個超級電容串聯(lián)起來提供高工作電壓。由于材料和制作工藝的不同，超級電容在串聯(lián)過程中單體間容量、等效串聯(lián)電阻、漏電流等差異將導(dǎo)致串聯(lián)系統(tǒng)中單體電壓的不均衡，從而使超級電容出現(xiàn)過充或過放現(xiàn)象，降低能量的利用率。為了更加高效的利用超級電容，需要采用電壓均衡策略以減小或者消除單體間的不均衡。

本文詳細分析了TLVH431的工作特性，設(shè)計基于其特性的超級電容電壓均衡電路，通過分析芯片的工作原理，解析了均衡電路各部分參數(shù)。該均壓電路結(jié)構(gòu)簡單，不需要閉環(huán)控制，充電過程中，單體出現(xiàn)電壓失衡時均壓自動完成，該電路可以長時間工作，并且可以在多種場合中應(yīng)用。

1 TLVH431簡介

TLVH431是德州儀器公司生產(chǎn)的一個有良好熱穩(wěn)定性能的精密三端并聯(lián)穩(wěn)壓二極管并聯(lián)穩(wěn)壓器。如圖1所示，TLVH431由一個Vref=1.24V的精密基準電壓源、一個電壓比較器和一個輸出開關(guān)管等組成。參考端R2的輸出電壓與1.24V的精密基準電壓源比較，調(diào)節(jié)R1、R2的阻值，當R2端電壓Vr達到或超過1.24V時，TLVH431陰極向陽極方向立即導(dǎo)通，即Vo=Vref，精確控制R2端電壓，就可以精確控制其陰極向陽極方向的開關(guān)狀態(tài)。其中R1、R2設(shè)定參考如下：

該器件的典型動態(tài)阻抗為0.25Ω，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如數(shù)字電壓表、運放電、可調(diào)壓電源開關(guān)電源等。

圖1 TLVH431參考圖

2 均壓電路分析

本文針對串聯(lián)超級電容組設(shè)計的均衡電路框圖如圖2所示，其基本原理為在基礎(chǔ)的充電電路中加入超級電容并聯(lián)電路，當電容單體電壓達到設(shè)定值時，與電容并聯(lián)的電路導(dǎo)通，繼續(xù)為其他電容充電，直到所有電容電壓達到設(shè)定值，充電工作結(jié)束。

圖2 均壓電路框圖

圖3 充電電流流向示意圖

圖3所示為假設(shè)電容C1兩端電容達到設(shè)定電壓而其他電容電壓未達到設(shè)定電壓時，電流的流經(jīng)路徑。由圖可以看出，控制電路檢測C1電壓狀態(tài)，當電壓達到設(shè)定值時，與C1并聯(lián)的電路導(dǎo)通，C1的充電結(jié)束，而其他電容的充電繼續(xù)。

本文設(shè)計單體電容均壓電路如圖4所示，設(shè)定當電容兩端電壓Vc達到2.36V時，TLVH431導(dǎo)通，及參考端電壓達到1.24V，根據(jù)式（1）計算可得到R1=27KΩ，R2=30KΩ，TLVH431與光電耦合器 TLP521組成反饋隔離電路，通過ST端將均衡信號傳遞給單片機，R4為光耦的限流電阻，其計算公式為：

其中，Vc超級電容兩端電壓，Vo、Vt分別為 TLVH431和TLP521導(dǎo)通壓降。本設(shè)計中每個電容單體電壓設(shè)定為2.36V，TLVH431導(dǎo)通時的壓降為1.24V，而光耦壓降為0.7V，基極電流約為10mA，經(jīng)計算R4=51KΩ較為合適。為使LED指示燈達到預(yù)期效果，其電流應(yīng)在10mA～100mA范圍內(nèi)，運用同樣的方法可計算出LED限流電阻 R3=150KΩ。

圖4 均壓電路圖

3 實驗及結(jié)果分析

首先，對三單體串聯(lián)電路進行了仿真實驗。圖5所示為對三個電容值相同初始電壓不同的超級電容進行充電均壓的仿真結(jié)果。C1=C2=C3=20F，VC1（0）=1.1V，VC2（0）=1V，VC3（0）=0.9V，設(shè)定最終電壓為2.36V。通過分析電容電壓波形斜率可以看出，充電初期，由于三個超級電容單體電容值相同，流經(jīng)串聯(lián)電路的電流相同，電壓的上升基本平行，當單體電壓達到2.36V，保持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 不同電壓電容均壓仿真圖

圖6所示為對三個電容值不同、初始電壓相同的超級電容進行充電均衡的仿真結(jié)果。其中，三個超級電容的電容值分別為C1=22F，C2=20F，C3=18F，VC1（0）=VC2（0）=VC3（0）=1V，初始電壓為 ，由仿真波形可以看出，由于電容值不同，三個電容電壓上升斜率不同，但最終電容電壓可以達到一致狀態(tài)。

圖6 不同容值電容均壓仿真圖

圖7 均壓電路板

如圖7所示為超級電容均壓電路實驗板，在試驗中，將6節(jié)MAXWELL公司生產(chǎn)的3000F/2.7V超級電容串聯(lián)，設(shè)定充電電壓為14.16V，即每個超級電容單體電壓為2.36V，實驗結(jié)果如圖8所示，分析實驗結(jié)果可得知由于DC/DC電路的限流作用，充電初始階段，為恒流充電，充電電流IC維持在8A，隨著串聯(lián)電容組電壓升高，充電電流逐漸下降，當電容組電壓達到14V時，即每個電容單體電壓達到2.3V左右時，均衡電路開始工作，指示燈逐個亮起，當均衡工作結(jié)束時，單片機切斷充電電源，整個充電均壓過程結(jié)束。

圖8 均壓電路實驗波形

4 結(jié)論

本文介紹了基于TLVH431的超級電容組均壓電路的實驗研究，詳細分析了TLVH431的工作原理，計算電路中各部分參數(shù)。與傳統(tǒng)的電壓均衡電路相比較，該電路結(jié)構(gòu)清晰，控制方法簡單，易于實現(xiàn)。實驗結(jié)果驗證了該電路具有良好的充電均壓特性，具有較高的應(yīng)用價值。

［1］劉愛國.TL431在開關(guān)電源中的應(yīng)用[J].科技信息.2012(27):124.

［2］Aiguo X,Shaojun X,Xiaobao L.Dynamic Voltage Equalization for Series-Connected Ultracapacitors in EV/HEV Applications[J].Vehicular Technology,IEEE Transactions on.2009,58(8):3981-3987.

［3］李海冬,馮之鉞,齊智平.一種超級電容器快速電壓均衡方法的研究[J].電源技術(shù),2007,31(03):186-190.

［4］孫頻東.串聯(lián)蓄電池均衡充電系統(tǒng)[J].南京師范大學(xué)學(xué)報:工程技術(shù)版,2006,6(01):12-16.

［5］朱慶,房緒鵬.TL431在鎘鎳電池充電電路中的一種應(yīng)用[J].山東電子,2001(03):44.

［6］汪娟華,范偉,張建成,阮軍鵬.超級電容器儲能系統(tǒng)統(tǒng)一模型的研究[J].電力科學(xué)與工程,2008,24(02):1-4.