超级电容模组电压不均衡特性分析

模组中超级电容是并联还是串联
超级电容模组电压不均衡现象出现的原因
- 超级电容等效模型
- 容值差异对电压分布的影响
- EPR对电压分布的影响
- ESR对电压分布的影响
电压均衡
- 被动均衡
- 主动均衡

所谓超级电容，简单地说就是容量达到法拉级的电容；所谓超级电容模组，就是包含好几个超级电容的模块；在单板应用中，常用于异常掉电备份。
那么，对于超级电容模组来说，他要比单个超级电容具备更多的能量，那么是不是简单的将超级电容串联或者并联起来就构成了一个模组呢？可以这么说，但是这样得到的模组可靠性非常的低，由于超级电容参数很难做到完全一致，容易出现电压不均衡现象，进而使部分超级电容出现过压的情况，严重影响超级电容输出特性和寿命，甚至引发故障。

模组中超级电容是并联还是串联

超级电容容量公式如下：

由以上公式可以看到，超级电容串联的话容值会减小，并联的话容值会加大，那么为什么大部分模组反而是串联的。可以看下超级电容的能量公式：

从能量公式可以看到，超级电容的电压值对超级电容能量的影响要比容值对超级电容能量的影响更大。由于超级电容当前的局限性，其额定电压比较低，一般只有1~4V左右，通过对超级电容进行串联，可以提高整个模组的额定电压，虽然容值是减小了，但是整体能量还是增加的。
换一种理解方式，2个同型号的超级电容储存的能量怎么也比1个同型号的超级电容存储的能量更大呀。
而且串联可以提高电压值，这在单板应用中是很重要的，对于很多电源芯片其实都有输入电压范围要求，像是常见的供电电压有12V、5V，而超级电容由于单体电压太低，直接用于备份供电显然是无法达到应用需求的。

超级电容模组电压不均衡现象出现的原因

由于生产工艺等问题，超级电容单体会存在一定的差异，这也导致其在串联工作时不同单体上的电压分布不均匀，刚才也说了超级电容单体额定电压都较低，因此电容单体非常容易出现过电压的现象，而过压现象会缩短超级电容寿命，严重时甚至发生爆炸；同样，有电容单体出现过压现象，那么就有电容单体出现欠压情况，依据超级电容能量公式，可以推断其容量由于没有被充分利用而存在很大浪费。因此超级电容在应用过程中都需要引入电压均衡技术，以保证超级电容的可靠性和使用效率。

超级电容等效模型

以下是超级电容的简化模型：

包含理想电容器C、等效串联电阻ESR、等效并联电阻EPR。
C可以近似等效于超级电容的电容值；ESR与超级电容的热耗散及响应速度有关，一般ESR都比较小，为毫欧级，比传统电容的ESR要大些，因此交流特性不太行，所以超级电容也不会应用在滤波电路当中，同样一般也不考虑其交流特性；ERP与超级电容自放电现象有关，因此超级电容在充满电后，在静置条件下也会有能量损耗，电会慢慢的放光，一般EPR都比较大，所以自放电速度还是比较慢的。影响超级电容充放电特性的主要也就是这三个参数。

容值差异对电压分布的影响

一般超级电容出厂的时候都会有一定的偏差值，比如说是-10%~30%，其不同单体容值最大偏差可以达到1.3/0.9=1.44。我们看如下公式：

假定充电电流是恒定的，两个超级电容串联充电，C1容值为1F，C2容值为1.44F，相同时间下，有：

也就是C1充到额定电压的时候，C2才充到额定电压的69%，此时C2的容量出现了极大的浪费。如果继续充下去，那么C1会超过额定电压，影响超级电容的可靠性。

EPR对电压分布的影响

由上面等效电路可以看到，由于EPR的存在，会导致漏电流的现象出现，使得其在静置状态下也会出现电压降低的情况。在充电时也会延长超级电容充满电的时间。即不论何种状态都会存在损耗。

ESR对电压分布的影响

由于超级电容在使用的时候往往采用大电流进行充放电，因此ESR上会有不小的分压。在充电开始时，由于C电压不能突变，近似为短路，所以电容初始电压分布由ESR决定；充电过程中，ESR越大，其上分到的电压也就越多，因此ESR大的电容会先于ESR小的电容结束充电过程（通过电压检测来进行充电，ESR大的会更快到达门限电压）；充电结束后，由于电流消失，ESR上的分压也消失，会导致超级电容出现降压的现象；同样，在放电的时候，ESR也会分担部分电容的电压，使得超级电容电压进一步降低。

通过这种特性也能比较方便的求出超级电容的ESR。

电压均衡

由以上分析可知，在超级电容应用过程中，电压均衡技术是必要的，现有电压均衡技术主要分为被动均衡和主动均衡两大类。

被动均衡

被动均衡是使用电阻和半导体开关或二极管来平衡电压，通过消耗高电压的超级电容单体的多余能量，起到过压保护的作用。常见的有并联电阻均压、开关电阻均压、稳压管均压等。
这里主要说下最简单的并联电阻均压（动态特性不是非常好）：

Req为均衡电阻，直接与超级电容单体并联，模组在充电的过程中，单体也在通过Req进行放电电压高的单体放电快，从而起到均衡保护的作用。这里依据充电方式的不同（恒压充电和恒流充电，实际应用可以综合使用），选取Req的标准也存在差别。

恒压充电
假定充电电压为U，由于超级电容模组稳态下电压基本是按照EPR（C充满后近似断路，ESR很小）来分布的，增加Req后，实际上可以理解为用Req来替代EPR，因此Req必须要选择阻值相等的电阻，并且要比EPR更小，这样并联才能起到主导作用（一般0.01~0.1EPR）。超级电容稳态时的电压为ReqU/(nReq)。
恒流充电
假定充电电流为I，每一个超级电容单体与Req组成单独的回路，当电容单体电压上升的时候，流经电容单体的电流下降，流经Req的电流增加，当电容充满时，电容电流为0，电容单体电压为ReqI，即当所有串联电容的单体电压都打到ReqI时，均衡完成。因此均衡电阻取值为Req=U(额定)/I。

主动均衡

主动型均衡是通过将电压较高单体或整个模组的能量转移到其他单体上，直到所有单体电压达到均衡，一般损耗都比较低，但是设计会比较复杂。常见的有DC/DC变换器均衡、“飞渡”均衡、专用超级电容管理芯片等。

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