26/4/21更新：本主动均衡电容无过压泄放能力，必须要求超级电容控制板能限制电容组电压，以防过压烧毁。

25/11/7更新：根据26赛季规则答疑176，可以使用下文所述的6800 uF电解电容而不计入10 mF限制。

25/7/23更新：由于规则答疑中规定：所有母线中的电容均计入10 mF限制，故电容母线上的35 V 6800 uF电解电容也会计入。若超过10 mF限制，可删去该电解电容或更换为更小的容量。

需求分析

此前使用的基于BW6101的被动均衡电容组的工作原理为：当电容组即将充满时，对先达到2.65 V的电容串进行放电，最终保证所有的电容稳定在2.65 V。此方法有如下缺点：（1）由于泄放的功率不能太大，若电容之间的内阻差异过大，会导致大功率充电时个别串的电容超过额定电压。（2）电压利用率低，2.7 V额定电压的电容只能充至2.65 V。（3）造成能量浪费，被泄放的能量变成热能白白消耗掉了，且若充电电压超过了泄放电压2.65 V，会导致电容充满之后继续消耗能量，该劣势对于今年规则而言尤其严重。

前几天看到了吉林大学的主动均衡电容开源，给了我很大启发。该主动均衡结构十分简洁，仅需一个半桥驱动，一串电容仅需一个半桥。根据我队超级电容控制器的实际情况对拓扑进行了修改，改成了10串电容组并增加了信号发生电路。遵循GPL-3.0协议，在此开源。

拓扑架构

由于超级电容管理模块的最高耐压为~~28 V~~ 36 V（有群友通过分析电流感应放大器得出），故采用10串2.7 V结构（其实是祖宗之法不可变，方便凑容量），在每串上放置一组均衡电路。

均衡拓扑采用文献[1]中提到的SC-based cell balancing system 3，其具有器件用量少，均衡速度快等优势。仅需2N颗MOS管，且对所有串的电容一起均衡，无需像普通2N拓扑一样向相邻电容均衡，故均衡速度快。

图2-1 SC-based cell balancing system 3

MOS管驱动拓扑参考了[2]中的电路，采用低侧驱动器+电平移位电路的做法，仅需一个半桥或者双低侧驱动器即可驱动所有20颗MOS管。

屏幕截图 2025-06-27 154502.png

图2-2 MOS管驱动电路

主要器件选型

超级电容组

使用10串拓扑，每串为一颗CDA CXHP 50 F电容和一颗4.7 F电容并联，~~并在母线上放置一颗35 V 6800 uF的电解电容~~（经过规则答疑，~~该电容会计入10mF底盘电容内~~ 待定），总标称能量为1998 J。（若算上所有均衡电容，总标称能量为1998.5 J，若再计算上超级电容控制板上的4颗470 uF固态电容以及7颗10 uF陶瓷电容，总标称能量为1999.7 J）

在预算充足的情况下，可以考虑CDA的CHV系列电容，其纸面数据更好，内阻更低。

栅极驱动芯片

由于超级电容底板的空间有限，且信号发生器无法输出带死区的互补PWM信号，故选择带有QFN封装且支持单PWM输入的栅极驱动LM5106SD。

PWM发生器

参考了北理莫斯科北极熊战队在硬件群开源主动均衡电容组中的NE555信号发生电路，但是由于NE555芯片功耗太大，浪费能量，故选择其更新产品LMC555，其运行功耗比NE555低80%以上。

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图3-1 LMC555 PWM发生器电路

辅助电源

一开始笔者考虑使用带使能功能的LDO，但是笔者并未找到输入电压大于36 V且静态功耗小于1 uA的LDO。故最终选择了带有使能功能的非同步Buck芯片LMR16006X。为避免均衡电路在机器人底盘断电时将电容内能量用光，辅助电源的开启电压设为18 V，此时关闭电压为12 V。辅助电源的输出电压为10 V，同时供给LMC555芯片和LM5106栅极驱动芯片，无需其他降压芯片。

MOS管

为了方便走线，选用DFN3x3封装的半桥MOS。有如下型号可选：HYG080NH03，AON7934，WSD3810，FDMC007N30。最初选择的型号为HYG080NH03，但是无货，故改成了AON7934。但是半桥MOS焊接良率较低，复刻可修改为其他封装或是分立MOS。

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图3-2 AON7934 半桥MOS

均衡电容

根据文献[1]中使用的220 uF电解电容进行初步选择。均衡电容最大需要承受2.7*9/2=12.15 V的电压，故选择了耐压为16 V，直径为6.3 mm的330 uF~~电解电容Rubycon 16YXJ330M6.3x11~~固态电容。

滤波电容

由于均衡的过程会给超级电容一个方波的电压，而超级电容能承受的纹波电流不足（不知道从哪儿看来的），故需要低ESR的电容对其进行滤波。文献[1]中使用了2000 uF的电解电容，而本项目为了兼容被动均衡的电容组尺寸，无法放置更多的电解电容，故选择了两颗100 uF 6.3 V的1206封装陶瓷电容。

测试数据

待完善。目前还在使用NE555版本的主动均衡电路，频率为16 kHz，20 V电压下的均衡功耗为0.6 W，换成LMC555后功耗为0.3 W。均衡速度在一串经过放电后，压差与其他串相差30 mV时，均衡速度为0.1 mV/s。

改进版LMC555的主动均衡电路在跳过降压直接对10 V电源轨进行供电时，消耗电流仅14 mA，功率为0.14 W。根据LMR16006X的效率表，此时的效率为80%，故均衡电路总消耗功率为0.18 W左右。

开源文件

7/1更新：优化MOS钢网层；更改均衡电容为固态电容；加粗均衡走线。

ProDoc_主动均衡_2025-07-01.zip

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以下为旧版：

ProDoc_主动均衡_2025-06-25.zip

采用立创EDA专业版绘制，密码ngxy。

开源协议

本项目采用GPL-3.0许可证进行授权。