CN101015109A - 用于平衡串联的超级电容器的电压的可拆式充电控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超级电容器电压平衡设备(2)，其连接到具有N个串联的单个超级电容器(10)的超级电容器模块(1)，用于对模块中的单个超级电容器的电压进行优化。该电压平衡设备包括：连接装置(3)，用于将所述电压平衡设备(2)连接到所述超级电容器模块(1)；选择器单元(21)，用于选择性地连接一组P个单个超级电容器(10)，其中P＜N，以同时对其进行电压优化处理；电压测量单元(22)，用于确定所选择的一个(或多个)超级电容器(10)的电压；充电调节单元(23)，其包括用于与P个超级电容器(10)并联来同时调节所述P个单个超级电容器的电压的电压调节装置；控制器(24)，用于控制选择器单元(21)、电压测量单元(22)和充电调节单元(23)，并且其包括估计装置，以便确定所述单个超级电容器中的哪一个要进行电压优化处理。

Description

用于平衡串联的超级电容器的电压的可拆式充电控制电路
技术领域
本发明涉及用于对多个超级电容器进行电压平衡的方法和设备。
背景技术
超级电容器代表了在电能储存领域中非常有前途的元件。很多应用当前正被开发为诸如混合动力车辆发动机或者燃料电池供电的车辆之类的高功率应用中的峰值电源。在类似这些的应用中，需要电源，并且再生制动还需要在高电流下对储存设备进行充电。
超级电容器模块通常包含多个单个超级电容器，其通常都具有相同的额定电参数(相同的电容、相同的内部阻抗)，并且被全部串联在一起。这是因为一个单个超级电容器的额定电压低，通常在2.5伏特范围内。因为上述应用通常需要超过几十伏特甚至几百伏特的电压，因此将多个单个超级电容器串联来提供满足例如汽车应用中所使用的规格的模块。
在例如在再生制动期间的充电模式中以及在为移动车辆供电或者其他电能使用期间的放电模式中，所有单个超级电容器中的电流被规定为是相等的，这是因为超级电容器是串联的。每个单个超级电容器的端子处的电压也应该相等。然而，已知的是，由于制造公差和/或者由于单个超级电容器的不同老化程度，和由于其环境而可能造成的模块中的温度梯度，因此超级电容器相互之间存在特性(例如电容值)的参差不一。这导致对每个超级电容器的电压进行充电的结果不同。此外，模块的每个超级电容器的不同泄漏电流能够导致单个单元的电压产生偏差。
该问题对超级电容器模块的正确操作造成危害。模块中的一些超级电容器可能达到超过其额定充电电压的电压，这使得其特性降级，并导致过早的老化或者甚至导致故障。因此，由于超级电容器是串联的，所以模块作为一个整体不能正确地工作。
为了解决该问题，已知的是，设计与包含多个超级电容器的模块中的每个单个超级电容器的端子并联的旁路电路。已知的超级电容器平衡系统的总体原理在于，旁路超级电容器充电电流的一些或者全部，以便使得在所有单个超级电容器的端子上的最终充电电压等于预定的相同值。
所述旁路电路可以是基于多个电阻器的，其中每个电阻器都与单个超级电容器并联，并且所有电阻器都串联。该解决方案是最简单的一种方案，但是其在能耗上效率低，这是因为电阻器中的电流产生很多损耗。
还已知的是，将齐纳二极管跨接在每个超级电容器上，以将超级电容器的最大电压值例如限制在2.5伏特。该解决方案在能耗上效率高，所有的电压都小于限定值，但是如果很多超级电容器达到其最大限定电压，则功率浪费可能变得严重。
其他解决方案是基于更加复杂的方法的，以便使在平衡操作期间消耗的功率最小化。还已知的是，设计用于电压平衡的有源电路，如美国专利申请2003/0214267所述。但是这些方法需要额外的电子元件，这意味着额外的成本和重量。在电有源或无源平衡设备的情况下，上述方法导致模块的自放电增强。
发明内容
因此，本发明的一个目的是以一种改进的方式来对必要的电压平衡进行管理。
基于串联的超级电容器的模块能够工作多日而对元件没有太多有害影响的观察结果，提出降低用于对所有单个超级电容器中的电压进行优化的旁路电路的数量。
本发明提出了一种超级电容器电压平衡设备，其与具有N个串联的单个超级电容器的超级电容器模块连接，所述模块被去掉与所述各个超级电容器相关联的永久装置，所述各个超级电容器序列的每个端子以及在两个相邻单个超级电容器之间的每个电极，都各自连接到一条电线上，用于选择性地接入所述N个单个超级电容器，因此电线的总数量为N+1，所述超级电容器电压平衡设备用于对所述模块中的各个超级电容器的电压进行优化，所述电压平衡设备包括：
●连接装置，用于将所述电压平衡设备连接到所述超级电容器模块的N+1条电线上；
●选择器单元，用于选择性地连接一组P个单个超级电容器，其中P＜N，以同时对其进行电压优化处理；
●电压测量单元，用于确定所选择的一个(或多个)超级电容器的电压；
●充电调节单元，用于连接到P个单个超级电容器，其包括在具有能量供给装置和能量吸收装置的组中所包含的两个能量交换装置中的至少一个，用于同时调节所述P个单个超级电容器的电压；
●控制器，用于控制所述选择器单元、所述电压测量单元和所述充电调节单元，并且包括估计装置，以便确定所述单个超级电容器中的哪一个将要进行电压优化处理。
在本发明的第一可能实施例中，电压平衡设备照常与超级电容器模块集成在一起，但是与现有技术中已知的设计不同，其不包含和所述模块所包含的单个超级电容器数量一样多的旁路电路。由于所述连接装置连接所述电压平衡设备和单个超级电容器序列，因此可以在所有所述超级电容器之间共享使用有限数量的旁路电路。
在本发明的第二实施例中，如下所述，超级电容器电压平衡设备被制造为远程设备，其可选地连接到所述超级电容器模块来维持操作。因此，所述超级电容器模块能够被设计为不具有任何旁路电路或者类似的电压优化电路。所述超级电容器模块仅仅包括用于使得可能从外部接入所述单个超级电容器的每个端子的布线和插头。在车辆保持静止时类似维持操作一样来执行平衡操作。在该情况下，电压平衡设备不是车载的，并且其重量对于车辆的性能根本没有任何影响。该方法使得车辆能够被制造得尽可能轻。此外，所述设备能够用于一辆以上的车辆，从而提高设备的使用效率和成本效率。
电压平衡设备被设计为插入到所述模块，并且所述电压平衡设备进行工作，以使得所述单个超级电容器序列变为理想的电学配置。例如，该操作能够通宵执行，因为对模块的超级电容器的电压进行平衡通常是耗时的，这不仅仅是因为所述平衡操作是在几个连续阶段上执行的，而不是一次就对所有单个超级电容器执行，而且是因为电线的截面优选地保持为尽可能小，以进一步节省布线重量。由于电线的截面小，其必须在受限的充电电流和放电电流下工作，从而增加了平衡操作所需要的时间。此外，单个布线的阻抗是在受限电流下工作的另一个原因，以便在平衡操作中更加准确，这是因为电流越低，张弛也越低(张弛是指在充电后的电压降低和/或者放电后的电压升高)。
然而，观察到每天平衡电压所需要的时间应该不超过车辆保持静止的时间，即使是在至少由仅一个驾驶者的高强度使用的情况下也是如此。
为了使由车载设备或者远程设备所执行的平衡操作的开始期间的效率最大化，所述平衡设备还能够优先对降级较大的单个超级电容器进行操作。在车辆保持静止的时间很短的情况下，其尤其令人感兴趣。
本发明还扩展到用于对具有多个串联的单个超级电容器的超级电容器模块的电学配置进行平衡的一种方法，所述模块被去掉了与所述各个超级电容器相关联的永久装置，所述方法主要包括通过按照要求将维持电压平衡系统连接到所述超级电容器模块来执行按照要求的维持操作，并执行电压优化处理，其包括步骤：
●选择所述模块的单个超级电容器，并测量所选择的单个超级电容器的电压；
●确定每个单个超级电容器应该具有的理想电压范围；
●在所述维持电压平衡系统与所选择的单个超级电容器之间交换能量，以便使得所选择的单个超级电容器的电压改变为处于所述理想电压范围中；
●对其他单个超级电容器重复上述步骤。
更具体而言，所述选择步骤还可以包括扫描所有单个超级电容器来测量所述模块的所有单个超级电容器的电压，以便在检查整组单个超级电容器之后确定所述理想电压范围。
在特定方面中，用于平衡超级电容器模块的方法包括，在扫描所有单个超级电容器来测量所述模块的所有单个超级电容器的电压之后，识别出所有单个超级电容器中哪一个是降级最大的，并且首先对降级最大的超级电容器执行改变电压(bringing voltage)的步骤。这使得能够节省平衡时间。在所述模块不再处于正常使用状态时(例如当车辆不处于车载设备的使用状态时)，所述电压平衡设备能够优先对降级最大的单个超级电容器进行操作，并将其他单个超级电容器的平衡延后。因此，所述电压平衡设备，特别是其被制造为车载设备时，能够被制造得更加轻并且成本更低，这对于很多应用而言是很重要的，特别是在汽车工业中。
附图说明
在阅读以下以示例性和非限定性的方法给出的描述时，本发明的其他特征和优点将变得显而易见。在附图中：
图1是连接到单个超级电容器模块来进行维持操作的远程电压平衡设备的方框图；
图2更详细示出了电压平衡设备的选择器单元的特定实施例的第一部分；
图3更详细示出了电压平衡设备的选择器单元的特定实施例的第二部分；以及
图4是模块中的所有超级电容器的平衡步骤的流程图。
具体实施方式
图1中示出了具有N＝100个串联的超级电容器(10)的模块(1)。通常，超级电容器的模块包括很大数量的单个超级电容器，至少为20个(N≥20)，甚至通常为至少50个(N≥50)。
所述单个超级电容器序列的每个端子以及在两个相邻单个超级电容器之间的每个电极，都各自连接到电连接器插头(11)的一条电线上。在100个超级电容器的情况下，具有101条电线。当然，一个单个超级电容器能够用两个或者更多个并联的单个超级电容器实现，这应该被本领域技术人员视为等价物。
超级电容器电压平衡设备(2)包括插头(20)、选择器(21)、电压测量单元(22)、充电调节单元(23)、以及控制器(24)。连接电缆(3)将超级电容器模块(1)的插头(11)和平衡设备(2)的插头(20)互连。该电缆包括超级电容器模块(1)上的插头(10)与平衡设备(2)上的插头(20)之间的一对一连接。
在这个解释本发明的特定实施例中，逐一地对单个超级电容器(10)进行电压优化处理。从而，充电调节单元(23)包含一个单独电压调节装置，用于通过控制器(24)连接到一个单个超级电容器(10)。
结合图2和图3描述了选择器(21)的特定实施例。选择器(21)是由两个部分实现的：被设计来选择包含Q个超级电容器的一个中间组的第一独立级(211)，和用于最终选择将要连接到充电调节单元(23)的包含P个超级电容器的较小组的一个单独(single)的第二独立级(216)。更具体而言，此处的设计选择是P＝1和Q＝20。由于超级电容器模块包含100个单个超级电容器(10)，并且设计选择使得Q＝20，因此存在5个第一独立级(211)。所述5个第一独立级(211)中的每一个都通过具有0+1条电线(因此为21条电线)的总线(212)与所述单独的第二独立级(216)互连。
第一电线通过插头(20)从模块(1)的100个超级电容器(10)终端某一个进入，连接到保险(213)，然后连接到开关(214)，然后连接到在总线(212)中存在的21条电线中的第一电线。第二电线通过插头(20)从模块(1)的100个超级电容器(10)终端的下一个进入，连接到保险丝(213)，然后连接到开关(214)，然后连接到在总线(212)中存在的21条电线中的第二电线。对于与Q＝20个超级电容器相对应的21条电线都是如此。由控制器(24)所控制的继电器(215)控制21个开关(214)。
图2的布局被重复5次，从而使得每组20个超级电容器的5个组潜在地连接到总线(212)的21条电线上。第一独立级(211)被5个继电器(215)操作，该5个继电器(215)由控制器(24)专门控制。我们可以将一组20个单个超级电容器(10)仅仅同时连接到总线(212)或者将其同时断开。当控制5个继电器(215)的5个信号为“关闭”时，在该单元上没有输入端连接到总线(212)。
第一独立级的功能是在100个单个超级电容器(10)中预先选出20个超级电容器(10)。
图3中示出了第二独立级。其包含20个单独受控的继电器，每个继电器都操作一个2-线开关(216)，该2-线开关(216)的一端连接到与在所选定的一组20个超级电容器中的一个单个超级电容器(10)相对应的总线(212)的两条电线上，另一端连接到与充电调节单元(23)相连的线(218)上。因为设计选择P＝1，所以存在一个单线(218)。
第二独立级(216)的功能是将20个预先选出的超级电容器(10)中的一个单个超级电容器连接到充电调节单元(23)，以便对相应的超级电容器(10)进行充电或放电。
在说明本发明的实施例中，电压测量单元(22)主要包含用于电压测量的一个单独通道。然而，电压测量单元的数量不取决于一次处理的超级电容器的数量，除了该数量必须要至少等于所述一次处理的超级电容器的数量的情况之外。电压测量单元能够在某种程度上集成到选择器单元中，例如在第一独立级(211)与第二独立级(216)之间。
充电调节单元(23)能够包含用于对单个超级电容器(10)进行充电的电子元件，以及用于对单个超级电容器(10)进行放电的电子元件。充电或者放电是由控制器(24)鉴于使用电压测量单元(22)所获得的数据和预定电压理想值来选择的。
在另一方法中，充电调节单元(23)仅仅包含用于进行充电操作的电子元件或者仅仅包含用于进行放电操作的电子元件，而不是包含两者。这进一步简化了设备，并尽可能降低了重量和成本，尤其是对于车载设备而言。由此，在第一特定情况下，根据本发明的超级电容器电压平衡设备的特征在于以下事实：充电调节单元(23)中的能量交换装置包含能量供给装置并且不包含放电装置，从而电压优化处理包含电压升高操作。在第二特定情况下，根据本发明的超级电容器电压平衡设备的特征在于以下事实：在充电调节单元(23)中的能量交换装置包含放电装置并且不包含能量供给装置，从而电压优化处理包含电压降低操作。这是最便宜的实施例。
图4示出了具有进行充电和放电二者所需的硬件的超级电容器电压平衡设备的操作。确定理想电压的步骤主要包括获得在每个单个超级电容器中经常出现的每个电压应该所在的范围的上限和下限。改变电压的步骤主要包括，对于每个单个超级电容器，如果其电压在上限之上，则对该单个超级电容器进行放电以便使得该超级电容器的电压被改变为低于该上限，如果其电压低于下限，则对该单个超级电容器进行充电以便使得该超级电容器的电压被改变为高于该下限。
在流程图中所指示的每个充电或放电的子步骤是在预定时间内执行的，或者优选地在所计算出的时间内执行的。时间的计算是基于对给定的恒定电流(如上所述的受限)的假设、基于电容量的假设、以及基于相对于理想值的电压偏差(根据所测量的电压值计算得到)的。超级电容器的电容是已知的，相对于已知的理想电位的偏差是根据对实际电位的测量获得的，将电流的受限值考虑进入(见以上有关电线横截面的论述)，从而能够容易地计算出将超级电容器改变到理想电位所需要的时间。例如，如果电容C＝2800法，偏差电压为0.1V，并且充电或者放电电流的最大值为I＝5A，则校正电压所需要的时间为t＝2800*0.1/5＝56秒。在“End for”步骤中，检查实际电压，并且如果需要则执行又一次充电或者放电步骤。
在超级电容器电压平衡设备仅仅具有进行放电操作所需要的硬件的情况下，用于平衡超级电容器模块的方法能够例如使得上限被确定为理想电压区域，并且改变电压的步骤主要包括在需要使得所有的电压降低到上限之下时，降低各个单个超级电容器的电压。
在超级电容器电压平衡设备仅仅具有进行充电操作所需要的硬件的情况下，用于平衡超级电容器模块的方法能够例如使得下限被确定为理想电压区域，并且改变电压的步骤主要包括在需要使得所有的电压升高到下限之上时，升高各个单个超级电容器的电压。
能够实现在硬件和方法中的各种变体。例如，无须重复的是，能够同时对一个以上的单个超级电容器执行电压平衡优化，尽管根据本发明不是完全同时的。例如，控制器(24)包括用于在时间上分立的序列中处理多组单个超级电容器(10)的级联装置。在该情况下，用于平衡超级电容器模块的方法包括，选择第一组单个超级电容器，并对所述第一组单个超级电容器同时执行改变电压的步骤，并且对其他组的超级电容器重复该平衡步骤。
优选地，超级电容器模块的电学配置的平衡是对在满充电时或者尽可能接近满充电时进行平衡时执行的。在低电压时，不平衡性是不显著的。对于单个超级电容器的电容量的改变和模块中超级电容器的串联而言，在低电压时的平衡将使得超级电容器在满充电时处于不平衡状态。
如上所述，本发明当然可以用于汽车应用中，但是还可以用于很多其他应用。在运输领域，我们能够论及例如铁路火车的机身控制，以使用电学系统替代现有的液压系统。在平衡单元的非车载应用的情况中，将存储器设备集成到超级电容器模块中能够帮助减少平衡时间，这是因为诸如每个超级电容器的电容量、在最后一次平衡步骤的电压偏差、最后一次平衡过程的时间等等的模块的特征能够被存储，并被在开始平衡过程之前传递到控制器。

Claims (19)

1、一种超级电容器电压平衡设备(2)，其连接到具有N个串联的单个超级电容器(10)的超级电容器模块(1)，所述模块被去掉了与所述各个超级电容器相关联的永久装置，所述单个超级电容器序列的每个端子以及在两个相邻单个超级电容器之间的每个电极，都各自连接到一条电线上，用于选择性地接入所述N个单个超级电容器，因此电线的总数量为N+1，所述超级电容器电压平衡设备(2)用于对所述模块中的各个超级电容器的电压进行优化，所述电压平衡设备包括：
●连接装置(3)，用于将所述电压平衡设备(2)连接到所述超级电容器模块(1)的N+1条电线上；
●选择器单元(21)，用于选择性地连接一组P个单个超级电容器(10)，其中P＜N，以同时对其进行电压优化处理；
●电压测量单元(22)，用于确定P个单个超级电容器(10)的电压；
●充电调节单元(23)，用于连接到P个单个超级电容器(10)，其包括在具有能量供给装置和能量吸收装置的组中所包含的两个能量交换装置中的至少一个，用于同时调节所述P个单个超级电容器的电压；
●控制器(24)，用于控制所述选择器单元(21)、所述电压测量单元(22)和所述充电调节单元(23)，并且包括估计装置，以便确定所述单个超级电容器中的哪一个要进行电压优化处理。
2、如权利要求1所述的超级电容器电压平衡设备，其中，逐一地对所述各个超级电容器(10)进行电压优化处理(P＝1)，所述充电调节单元(23)包括用于与单独的一个超级电容器(10)并联的一个单独电压调节装置。
3、如权利要求1或2所述的超级电容器电压平衡设备，其中，所述控制器(24)包括用于在时间上分立的连续序列中处理多组P个单个超级电容器(10)的级联装置。
4、如权利要求1到3中任何一个所述的超级电容器电压平衡设备，其中，所述选择器(21)包括用于选择包含Q个超级电容器的一个中间组的第一独立级，以及用于在所述中间组中最终选择连接到所述充电调节单元(23)的包含P个超级电容器(P＜Q)的较小组的单独的第二独立级。
5、如权利要求4所述的超级电容器电压平衡设备，其中，所述组包含一个单独的超级电容器(10)(P＝1)，对所述各个超级电容器(10)逐一地进行电压优化处理。
6、如权利要求2或5所述的超级电容器电压平衡设备，其中，所述电压测量单元(22)主要包括用于电压测量的一个单独通道。
7、如权利要求1到6中任何一个所述的超级电容器电压平衡设备，其中，在所述充电调节单元(23)中的能量交换装置包括放电装置并且不包括能量供给装置，从而所述电压优化处理包括电压降低操作。
8、如权利要求1到6中任何一个所述的超级电容器电压平衡设备，其中，在所述充电调节单元(23)中的能量交换装置包括能量供给装置并且不包括放电装置，从而所述电压优化处理包括电压升高操作。
9、如权利要求1到8中任何一个所述的超级电容器电压平衡设备，其中，其与所述超级电容器模块集成在一起。
10、如权利要求1到8中任何一个所述所述的超级电容器电压平衡设备，其中，其被制造为可选地连接到所述超级电容器模块以进行维持操作的远程设备。
11、如权利要求1到10中任何一个所述的超级电容器电压平衡设备，其中，N至少等于20。
12、如权利要求1到10中任何一个所述的超级电容器电压平衡设备，其中，N至少等于50。
13、一种对具有多个串联的单个超级电容器的超级电容器模块进行平衡的方法，所述模块被去掉了与所述各个超级电容器相关联的永久装置，所述方法主要包括通过按照要求将维持电压平衡系统连接到所述超级电容器模块来执行按照要求的维持操作，并执行电压优化处理，所述方法包括步骤：
●选择所述模块的单个超级电容器，并测量所选择的单个超级电容器的电压；
●确定每个单个超级电容器应该具有的理想电压范围；
●在所述维持电压平衡系统与所选择的单个超级电容器之间交换能量，以便使得所选择的单个超级电容器的电压改变为处于所述理想电压范围中；
●对其他单个超级电容器重复上述步骤。
14、如权利要求11所述的对超级电容器模块进行平衡的方法，其中所述选择步骤包括扫描全部所述各个超级电容器来测量所述模块的所有的各个超级电容器的电压，以便确定所述理想电压范围。
15、如权利要求11或12所述的对超级电容器模块进行平衡的方法，其中，所述确定理想电压的步骤主要包括，获得在每个单个超级电容器中经常出现的每个电压应该所在的范围的上限和下限，所述改变电压的步骤主要包括，对于每个所述单个超级电容器，如果其电压在所述上限之上，则对所述单个超级电容器进行放电以便使得所述超级电容器的电压低于所述上限，如果其电压低于所述下限，则对所述单个超级电容器进行充电以便使得所述超级电容器的电压高于所述下限。
16、如权利要求11或12所述的对超级电容器模块进行平衡的方法，其中，上限被确定为理想电压区域，并且所述改变电压的步骤主要包括，在需要使得所有的所述电压降低到所述上限之下时，降低所述各个超级电容器的电压。
17、如权利要求11或12所述的对超级电容器模块进行平衡的方法，其中，下限被确定为理想电压区域，并且所述改变电压的步骤主要包括，在需要使得所有的所述电压升高到所述下限之上时，升高所述各个超级电容器的电压。
18、如权利要求12所述的对超级电容器模块进行平衡的方法，包括，在扫描全部所述各个超级电容器来测量所述模块的所有各个超级电容器的电压之后，识别出所有所述各个超级电容器中的哪一个是降级最大的，并且首先对所述降级最大的超级电容器执行所述改变电压的步骤。
19、如权利要求11所述的对超级电容器模块进行平衡的方法，其中，所述选择步骤包括选择一组单个超级电容器，并且对所述组中的单个超级电容器同时执行所述改变电压的步骤，并且对其他组重复上述步骤。
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