超级电容器组及能量管理系统孟丽囡（辽宁工学院信息科学与工程学院，辽宁锦州121001）超级电容器需要串并联应用，由于各单体电容器参数的不一致，采用了软硬件相结合的方法来提高其利用率和整体系统的稳定性，并对研制开发的单体电容器均压电路及电容器组能量管理系统做了详细的阐述。
在传统的能量供应系统中，电池作为主要的储能单元被广泛使用。随着科学技术的发展和保护环境的需求，超级电容器因其容量大、寿命长、放电速度快、工作温度范围宽、可以串并联使用等优点而备受关注。
在混合动力汽车能量供应系统中，电池储能系统存在着诸如低温特性不好，在恶劣环境下的寿命低，很难做到释放大电流等缺陷。而超级电容器恰恰具备上述优势，不仅可以提供短时间的高功率脉冲，而且还具有优良的低温性质、较高的寿命和极好的内阻特性。因此超级电容器在混合动力汽车上得到广泛的应用。本文首先介绍了超级电容器的内部结构特点，分析了超级电容器的充放电特性，并根据超级电容器的自身特点，设计了高压大容量的电容器组，单体间的连接采用自主开发的电压均衡电路，配合能量管理系统，不仅大大提高了单体超级电容器的利用率，而且加了系统的稳定性。
1单体超级电容器特点超级电容器，又叫双电层电容器，其电极材料由碳材料构成，并使用有机电解液作为介质，是利用活性炭与电解液之间形成的离子双电层的原理制作而成的，通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其储能过程中并不发生化学反应，储能过程是可逆的，因此超级电容器反复充放电可以达到数十万次。超级电容器的单体电压一般为2.53V，容量可达5000F，在500W/kg恒定功率放电状态下，能量密度可达3.基金项目：国家863“计划资助项目（2003AA501234）以上，寿命可达10万次以上。
2高压大容量电容器组设计本设计为工作电压400V，容量13F电容器组单元装置，由432（144X3）只电压2.7V容量680F的单体电容器3并联、144串联构成，单体间的连接采用自主研发的电压均衡电路，配合能量管理系统，作为*63“计划混合动力汽车用超级电容器的基本单元。为保证电容器在使用过程中的可靠性，设计中采用了内部三单体并接的连接结构，这种设计的优势在于能够在单只损坏后不影响其他电容器整体电压，同时还可以降低超级电容器组的内阻，配合单体均压电路能够维持电容器组正常工作。
整体电源及瞬间大电流充放电完全由超级电容器组提供，如加速和爬坡状态。另外超级电容器组的整体工作电压选择在系统要求工作范围内，省掉了超级电容器组和总线之间的DC-DC变换器，提高整体稳定性及可靠性，只要提高超级电容器组能量管理系统的稳定性和可靠性就可以保证整个系统的稳定性和可靠性。另外，省掉了DC-DC变换器可以进一步减少系统的功率损耗，也能提高超级电容器的利用率，充分发挥超级电容器组储能高的特点。
整个系统的稳定性和可靠性取决于单体超级电容器均压电路和超级电容器组能量管理系统，无论是均压电路还是能量管理系统出现故障，均可以保证整个系统的正常工作。如果是均压电路出现故障，能量管理系统能够及时做出判断，提醒故障点；若是能量管理系统在一定时间内失效，由于有均压电路在工作，也能保证系统正常工作，不会因此而失控。
3单体电容器电压均衡技术超级电容器的单体耐压仅2.7V，在此应用中需得到400V的电压，这就需要若干单体超级电容器串联使用。而串联后由于单体超级电容器内部性能的偏差，如容量偏差、漏电流、ESR的不一致都可能造成各单体超级电容器充电电压不均衡，因此为了确保每一个单体超级电容器的电压均衡，应在每个单体超级电容器上配置相应的电压均衡电路。普通电容器的串联使用时，仅需在电容器两端并上电阻即可，保证并联电阻上的分流值约为电容器漏电流的10倍左右即可。然而这样采用电阻均压方式存在一个问题，通常电容器是接于电源上，因此，有些漏电流也没多大问题。然而，超级电容器组是作为储能元件，过大的漏电流会消耗超级电容器的储能。超级电容器组在混合动力汽车上的应用不仅需要很大电流充放电，而且需要确保电荷保持能力。因此，采用传统的电阻均压方式很不适合。这就需要一种均压性能良好的均压电路，使其百余只超级电容器串连时仍具有良好的均压效果。
本文设计的电压均衡电路如，其基本工作原理为：将超级电容器端电压经电阻网络分压后送到电压基准，利用电压基准随环境变化小的特点，通过调整稳压部分的电路保证其输出恒定在这个分压值之下，确保正常工作时，其输出不能驱动输出调整管。当超级电容器端电压达到或超过限定电压的时候，稳压电路工作在临界状态，类似比较器输出驱动输出调整管，输出调整管工作，根据超级电容器端电压与限定电压的大小，由稳压电路来确定驱动输出调整管输入的大小，使超级电容器端电压达到限定电压后能得到一个很陡峭的放电电流，从而使超级电容器端电压限定在额定电压范围内。此电压均衡电路设计时，分压电阻取值很大，正常工作时其耗能比普通并联电阻均压的耗能小得多。
整个电路的工作特性类似稳压值为超级电容器额定电压的稳压二极管特性，从而保证了超级电容器在充电时由硬件电路保证超级电容器端电压不超过额定电压，由于电路中增加了稳压电路，其输出驱动输出调整管，故此整个电压均衡电路又不再是稳压二极管特性。
超级电容器正常工作时不会进入这种状态，在超级电容器额定电压以下，均压电路基本上没有电流，保证了超级电容器的电荷保持能力。另外与用稳压二极管箝位或适当数量普通整流二极管串联后并于超级电容器相比，克服了稳压二极管的稳压值及二极管导通电压随温度变化较大，而且其伏安特性相对较软的缺点。电路整体设计在布线上考虑到了超级电容器充放电工作时，大电流所产生的电磁干扰对整个电路稳定性的影响，整个电路通过了大电4超级电容器组能量管理系统超级电容器组是由多个单体电容器串并联组成的，为使其可靠而稳定地工作，设计了能量管理系统。为防止超级电容器组中每一个单体超级电容器失效或因意外而影响整体系统的正常工作，因此要对每一个单体超级电容器的端电压进行实时监测。
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