CN102334259B - 用于监控电容器单元的系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于监控电容器模块中串联的多个电容器单元(32u，32u-1，32u-2，32i)的系统，所述多个电容器单元用作能量存储设备中的电能存储装置，并能够同样地通过流过所有所述电容器单元的充电电流进行充电以及通过放电电流进行放电，这克服了因单个单元容量的改变导致的问题，该系统包括：测量单元(52)，所述测量单元能够通过对电压进行测量来确定施加到单独的电容器单元上的电压；评估单元(100)，其能够为电容器单元设定标称电压；以及至少一个放电支路，其可连接到每个电容器单元并可由放电控制单元(80 1-80n)进行控制，所述放电控制单元依赖于设定的标称电压和施加的电压来使各个电容器单元向所述放电支路进行放电。

Description

用于监控电容器单元的系统

技术领域

本发明涉及用于监控电容器模块中串联的多个电容器单元的系统，所述多个电容器单元用作能量存储设备中的电能存储装置，并能够通过流过所有电容器单元的充电电流同样地进行充电以及通过放电电流进行放电。

背景技术

这种类型的串联电容器单元的问题在于，它们的容量会因老化过程而改变或者会出现寄生放电，因此对于单独的电容器单元而言会随着时间产生不成比例的电压，这最终对用于存储能量的电容器模块的容量产生了负面影响。

因此，本发明的目的是提供一种用于监控这种电容器单元的系统，其避免了因单独单元容量的改变导致的这种问题。

发明内容

根据本发明，通过上述类型的系统来实现该目的，该系统包括：测量单元，其能够通过对电压进行测量来确定施加到单独的电容器单元上的电压；评估单元，其能够为电容器单元设定标称电压；以及至少一个放电支路，其连接到每个电容器单元并由放电控制单元进行控制，所述放电控制单元依赖于设定的标称电压和施加的电压来使各个电容器单元向所述放电支路进行放电。

本发明解决方案的优点在于，提供了降低电容器单元的不均衡充电的可能性，从而改善了电容器模块的能量存储能力。

对评估单元的操作没有进行更为具体的阐述。

因此，根据本发明的解决方案使得评估单元能够为各个电容器单元设置有效的标称电压。

有许多不同的方式来确定各个电容器单元的标称电压。

例如，可以在参数字段中将有效标称电压存储为操作时间或充电循环次数的函数。

另一有利的解决方案使得评估单元能够确定在电容器单元上识别的电压与平均电压之间的偏差。

然后，这些与平均电压值的偏差能够用于确定是否需要对单独的电容器单元进行放电以及需要将该单独的电容器单元放电到什么样的标称电压。

特别地，与有效平均电压的偏差还允许为各个电容器单元确定有效电压。

确定标称电压的简单方式是将平均标称电压设定为标称电压，从而呈现更高电压的电容器单元的电压将在所有情况中都被调整成所有电容器单元的平均电压。

如果以这种方式(例如，在将电容器模块充电到其最大的满电压之前地多次)来调整所有电容器单元的平均电压，则这确保了没有一个单独的电容器单元将具有比最大电压高的电压。

特别有利的实施方式使得评估单元能够根据电容器模块的识别到的总电压以及被指定将电容器模块充电到其最大满电压的最大电压，来确定单独的电容器单元的标称电压。

在最简单的情况中，能够指定标称电压，以便在电容器模块被完全充电时，为呈现出比最大电压高的电压的电容器单元仅设置一次标称电压。

然而，特别有利的是，评估单元能够确定电容器单元的标称电压，以便当电容器模块被充电到最大满电压时，所有的电容器单元同时达到最大电压。

为了增加评估单元的精度，优选使得评估单元把单独的电容器单元的容量计算在内(factor in)。

从而，能够预测量并在表格中存储容量。

然而，特别有利的是，评估单元能够通过测量来确定电容器单元的容量关系。

从而该容量关系指示电容器模块的总容量与每个单独的电容器单元的容量之间的关系。

理想地，该容量关系通过在两个不同的充电状态处测量电容器单元电压来确定。

至今还没有阐述与确定电容器单元上的电压相关的更为具体的细节。

理论上将能够设想到设计该测量单元，以便其直接地测量每个电容器单元上的电压。

为了降低同时测量所有电容器单元上的所有电压的复杂性，在该情况中，能够想到使用将测量单元从一个电容器单元切换到另一个电容器单元的多路复用设备，以便连续地测量单独的电容器单元上的电压。

另一有利的解决方案使得测量单元能够测量电容器模块的所有电容器单元的电压。

进一步优选地，使得测量单元能够在两个分别的电容器单元之间的中间抽头处测量电压。中间抽头处的电压允许有可能测量单独的电容器单元上的单独电压。

特别地，一个有利的可能性使得测量单元能够测量各个中间抽头与地之间的电压。

优选地，获得施加到电容器单元上的单独电压的简单方式使得测量单元能够从在各个中间抽头处测量到的电压中减去在最接近地端的中间抽头处测量到的电压，以便能够确定布置在该中间抽头与最接近地端的中间抽头之间的电容器单元上的电压。

理论上，测量单元能够同时测量所有的电压。

为了能够最经济有效地测量可能的中间抽头上的电压，测量单元被设计使得在连续测量相位中测量中间抽头处的电压。

在单独测量相位中测量中间抽头处的电压能够优选地通过将测量单元分配到将各个中间抽头连接到测量单元的开关网络中来实现。

优选地，这种开关网络可通过解码器来控制。

特别地，使得测量单元能够在连续测量相位中同步的测量周期中测量所有中间抽头处的电压。

例如，测量单元能够连续地确定电容器单元的电压。

然而，为了不会不必要地中断本发明能量存储设备的操作，优选使得测量单元能够在固定的时间间隔处确定电压。

从而，时间间隔能够依赖于电容器模块的总电压。例如，给定电容器模块的低的总电压，则其中一个电容器单元将超过最大电压的风险是比较低的，而电容器模块的总电压越接近于电容器模块的最大总电压，风险就越大。

出于该原因，优选使得测量单元测量电容器单元的电压的时间间隔是固定的，时间间隔为电容器模块的总电压的函数。

例如，确定电容器单元的电压的时间间隔继续缩短，则电容器模块的总电压越接近于最大充电电压。

结合本发明解决方案的之前描述，还没有针对所提供的放电支路进行任何具体描述。

因此，有利的解决方案使得放电支路被分配给每个电容器单元。

从而，放电支路能够一起被激活。

特别有利地是单独地激活每个放电支路。

例如，在能量存储设备的每个操作模式中，放电支路可以是激活的。

然而，为了能够在对电容器单元进行均衡时以最低可能的电流进行操作，优选使得放电支路能够在非充电或非放电状态中激活。

这种非充电或非放电状态例如是能量存储设备的非可操作状态，例如在车辆不操作时。

最后，还没有具体阐述与本发明解决方案相结合的测量单元的类型。

附图说明

本发明的进一步的特征和优点是下面的描述以及实施方式的说明性表示考虑的问题。

附图示出了：

图1是本发明能量存储设备的示意性电路图；

图2是随着时间在中间抽头处电压的测量周期表示；

图3是本发明系统的操作的流程图；以及

图4是在时间轴上测量周期和均衡周期的表示。

具体实施方式

图1中绘出的根据本发明的用于存储电能的能量存储设备10的实施方式包括连接到供电网络VN(例如，车辆的供电网络)的触点12。

触点12允许该用于存储电能的设备接收来自供电网络VN的能量或者向供电网络VN放电。

为了这个目的，提供了变压器(整体上用14表示)，该变压器能够将供电网络中的电压UN转换成与所述供电网络电压UN不同的换能器电压UW。

这种变压器的示例(被设计为降压-升压变压器(Busk-Boosttransformer))包括连接到触点12的电感器22以及位于电感器22的与所述触点相反一侧的抽头24，从抽头24向外延伸的是位于抽头24与地14之间的第一开关26以及位于抽头24与电容器模块30之间的第二开关28，电容器模块30包括串联的多个单独的电容器单元32，从而具有串联电容器单元32的电容器模块30位于连接到地14的第一触点34处并通过第二触点36连接到第二开关28。

这样，来自供电网络VN的电能能够在电容器模块30中进行存储，并在以后供电网络VN中需要能量时被反馈给供电网络VN。

单独的电容器单元32被配置为例如电化学双层电容器，诸如麦克斯韦技术公司(Maxwell Technologies company)销售的那些电容器。

能量的存储和馈送通过整体用40表示的变压器控制器完成，该变压器控制器40交替地以定义的周期频率以及可应用的不同的时间长度来控制开关26和28。

为了最大化电容器模块30的存储的能量，所有的电容器单元32₁到32_n有必要同时达到它们的最大电压。

还有必要不超过电容器单元32的最大电压，以及使电容器单元不遭受任何的负电压。

双层电容器单元特别用于存储更高的能量，然而，由于例如老化过程或者其他过程它们的容量会改变，结果是在根据本发明的电容器模块30中将会出现不同的电压，其中，在电容器模块30中，所有的电容器单元32总是被用相同的电流进行充电或者被用相同的电流进行放电。

这种不同的电容器单元32电压导致电容器模块30中能够存储的最大电能的降低。

出于这个原因，提供了创造性的系统50来均衡电容器模块30的多个电容器单元32的充电状态。

所述系统50包括具有A/D转换器54的测量设备52。这样，分压器的中心抽头58位于A/D转换器的模拟输入56处，该A/D转换器一方面包括位于中心抽头58与电容器模块30的第一触点34之间的第一电阻器62并具有多个第二电阻器66₁到66_n，所述多个第二电阻器66₁到66_n能够通过整体用70表示的开关网络的开关68₁到68_n连接到中间抽头62₁到62_n，所述各个中间抽头62₁到62_n分别位于各个电容器单元32的不面向电容器模块30的第一触点34而面向电容器模块30的第二触点36的一侧上。开关网络70的开关68₁到68_n从而能够由整体用74表示的解码器来控制。

单独的电容器单元32₁到32_n中的每个单元进一步被分配给放电支路80₁到80_n，这些放电支路80₁到80_n并行地切换各自的电容器单元32₁到32_n并包括放电电阻器82₁到82_n以及与放电电阻器82₁到82_n串联的开关84₁到84_n，放电支路80能够用开关84₁到84_n被激活，以便各个电容器32₁到32_n能够在各自的放电支路80₁到80_n上被放电。

开关84₁到84_n还能够通过解码器74来控制，并且实际上是与开关68₁到68_n同时进行的。

解码器74使得能够在在单独的中间抽头72₁到72_n上同步的单独的暂时连续的测量相位92期间，在测量周期90中连续地测量电容器模块30的各个中间抽头72与第一触点34之间的电压，其中，电压测量通过测量分压器的中间抽头58上的电压的A/D转换器54来实现，分压器的一端是第一电阻器62，另一端是与各个中间抽头相关联的各个第二电阻器66。

如图2所示，在16个电容器单元32的示例性情况中，首先在中间抽头72₁处测量电压，然后在中间抽头72₅处测量电压，然后在中间抽头72₉处测量电压，并然后在中间抽头72₁₃处测量电压，并随后在中间抽头72₂处、在中间抽头72₆处、在中间抽头72₁₀处并然后在中间抽头72₁₄处等测量电压，直到中间抽头72₁至72_n上的所有电压都得到了测量。

评估单元100进一步被分配给测量设备52，该评估单元100评估单独的电容器单元32₁和32_n上的由测量设备52确定的电压，并且在应用时并行地切换一个或多个电容器单元32₁和32_n的放电支路80₁和80_n，以便对其进行放电。

图3示出了测量设备52与评估单元100之间的示例性相互关系。

首先，如框102描绘的那样，由测量单元52来测量单独的中间抽头72₁到72_n上的电压，其中，图2中表示的这些电压不是直接地提供施加到单独的电容器单元32₁到32_n上的电压U_c，而是位于第一触点34与各个中间抽头72之间的所有那些电容器单元32的电压如图2中所示。

如框104中描述的那样，测量设备52能够根据这些电压来确定施加到电容器单元32上的单独的电压U_c。

对单独电压U_c的评估进一步使得评估单元100执行框104。如果单独的电压Uc都具有相同的幅度——如针对理想情况提供的那样——则不需要执行所谓的通过激活一个或多个放电支路80来均衡电容器单元32₁到32_n，如图3中快速跳到(skip to)框106一样。

然而，如果其中一个电容器单元32的其中一个单独的电压U_c大于各个单独的电容器单元32的最高容许电压U_ch(例如在额定的标称电压为2.7V时高于2.85V)，则从框104跳到框108，据此向系统控制110传递电容器模块30出现明显故障的信息，此时本发明设备的用于存储电能10的系统控制110例如通过变压器控制器40的相应控制停止操作(taken out of operation)，所述变压器控制器40通过打开开关26、28来关闭本发明的设备。

如果单独的电容器单元32_x的电压U_cx高于电容器单元32的所有电压U_c的平均电压，则对该单独的电容器单元32_x进行均衡，例如依据框112；即通过其相关联的放电支路80_x来对单独的电容器单元32_x进行放电。

这通过控制各个放电支路的各个开关84_x来实现；即通过关闭该各个开关84_x以便各个电容器单元32_x被放电，并一直执行直到得到与所有电容器单元32上的电压U_cx的平均值相对应的电压U_c。

在依据图3中的框112进行均衡之后，依据框114读取充电周期计数器，在该充电周期计数器中固定了电容器模块30的充电周期的指定最大数量。

如果充电周期的数量小于充电周期的最大值，则各个测量周期被终止，虽然其能够重新开始。

如果充电周期的数量大于充电周期计数器114的最大值，则根据图3中的框116考虑所有电容器单元32的容量来执行针对电容器模块30的容量计算，之后确定是否系统控制110应当报告错误或者知否应当执行进一步的测量周期90。

例如，沿着图4中的时间轴绘出了均衡周期120之后的这种测量周期90，其中，图4示出了测量周期90基本上短于随后的均衡周期120；这是因为电容器单元32的各个放电支路80的大的放电电阻器82导致的，使得需要长的时间周期来对各个电容器单元32进行放电以降低电容器单元32的电压U_c。

结合之前的均衡描述，即对各个电容器单元32_x进行放电，将不再讨论要对各个电容器单元32放多少电。

第一可设想的解决方案提供了在各个电容器单元32_x的电压U_cx高于电容器单元32的平均电压U_cm时进行均衡的初始近似，其中各个电容器单元32被放电到作为标称电压的电压U_cm以便各个电容器单元32的电压再次与所述平均电压U_cm相对应。

然而，电容器模块30的给定结构中的各个电容器单元32_x呈现比其他电容器单元32更高的电压的事实是基于尤其是例如电容器单元32_x的容量已经改变了(例如由于老化)并变得更小了。在这种情况中，当电容器单元32_x正在被充电时，流过电容器单元32_x的电流(对所有电容器单元32而言该电流大小是相同的)导致电容器单元32_x中的电压U_cx比电容器模块30的其他电容器单元32中的电压要高。

如果在电容器模块30正在被充电到最大满电压U_gmax(其对应于电容器单元32的最大电压U_cmax乘以电容器单元32的数量)时，与其他电容器单元32的电压相比，通过流过所有电容器单元32的电流，电容器单元32_x被充到了更高的电压，则在充电期间，电容器单元32_x的电压U_cx将超过该电压U_cmax。这反过来具有这样的结果，即其他的电容器单元32将不会被充电到最大电压U_cmax，因此不能获得最大存储容量。

出于这个原因，用于精确均衡的第二解决方案使得电容器单元32_x被设置成低于测量到的电压U_cx的标称电压U_csx。在该第二更为精确的解决方案中，通过以下公式来定义该标称电压：

$U_{\mathrm{csx}}\left(t1\right)=U_{c\max }-\frac{C_g}{C_x}(U_{g\max }-U_g\left(t1\right))$

其中，C_g是电容器模块30的总容量，C_x是电容器单元32_x的容量，以及U_g(t1)是在各个时间点(在所述时间点处，也定义了标称电压)处电容器模块30的总电压。

为了确定容量，评估单元100基于两个测量周期90来确定每个单独的电容器单元32_x的容量。

确定标称电压Ucxs所需的容量关系能够根据电压测量，根据下面的公式来被确定：

$\frac{C_g}{C_x}=\frac{U_{\mathrm{cx}}\left(\mathrm{ta}\right)-U_{\mathrm{cx}}\left(\mathrm{tb}\right)}{U_g\left(\mathrm{ta}\right)-U_g\left(\mathrm{tb}\right)}$

其中，t_a和t_b是两个不同的时间点。

由于容量仅能够非常缓慢地改变，所以能够在长的时间间隔上确定容量关系例如几个星期或几个月。

根据该确定的容量关系，能够为每个电容器单元32确定标称电压U_cs，其中每个电容器单元32(例如，由于老化具有降低的容量的电容器单元32_x)需要被放电到标称电压U_cs，以便在对整个电容器模块30进行充电(在这期间，相同的电流流过所有的电容器单元32)时在同一时刻使所有的电容器单元32_x都达到最大电压U_cmax。

换言之，在每个电容器单元32_x具有比其中一个电容器单元32的最低电压U_cx高的电压U_cx的情况下，该电容器单元32_x需要通过各个放电支路80_x进行放电并由放电设备102进行控制，使其达到标称电压U_cs，以确保在对所述电容器单元32进行联合充电期间，同时达到最大电压U_cmax。

理论上，通过使用根据本发明的系统50，在任何时刻都能够实现该均衡。然而，优选地，该均衡仅在位于电容器模块30的最大总电压U_gmax的近似四分之一与电容器模块30的最大总电压U_gmax的近似一半的电压范围内发生。

在总电压U_g具有相对低的电压水平的情况下，该均衡使得单独的电容器单元32_x能够相对于具有低能量损耗的其他电容器单元32达到均衡。

然而，不依赖于在电容器模块30的所有充电状态中通过测量单元52谨慎地执行电容器单元32的电压U_c的监控，而发生单独电容器单元32的均衡，其中，测量周期90的重复频率例如依赖于电容器模块30的总电压U_g。

例如，在总电压U_g为最大总电压U_gmax的近似一半时，两个测量周期90之间的时间段为100到300毫秒的数量级，而在更高的总电压U_g处，两个测量周期90之间的时间段被缩短(例如，被缩短到40与100毫秒之间的值)，以便确保没有电容器单元32将被充电到高于其中一个电容器单元32的最大值U_cmax。

由于电容器模块30中的电容器单元32的老化过程以及能够导致损坏电容器单元32的其他过程都是依赖于温度的，所以向测量单元52附加地提供温度检测单元132，该温度检测单元132经由A/D转换器134对测量电容器模块30中的温度的温度传感器138进行读取。如果电容器模块30中的温度超过最大预定义温度，则同样地通过系统控制110来关闭用于存储电能的本发明的设备，以便使得电容器模块30有机会冷却回到指定温度。

为了能够在静止的车辆的情况下执行对单独的电容器单元32的均衡，给系统控制110提供有开关电源140，该开关电源140使得本发明的系统能够经由供电网络VN处的电压或者经由电容器模块30的电压而被供电。为了该目的，电源140对拨动开关142进行控制，这确保了依赖于状态的供电。

因此，本发明的系统50还能够在离线供电网络VN中被操作(即，例如在静止的车辆中)，因为电源140然后将由电容器模块30中的能量来供应。

因此，在没有来自供电网络VN的能量存储并且供电网络VN也被关闭的时间期间(即，在车辆静止时)，特别有可能对单独的电容器单元32进行均衡。优点在于，能够设计放电支路80的尺寸，以便仅低的电流流过放电支路80，从而在其中对单独的电容器单元32进行放电并从而进行均衡的长的时间段是可用的。

Claims (20)

1.一种用于监控电容器模块（30）中串联的多个电容器单元（32）的系统，所述多个电容器单元（32）用作能量存储设备（10）中的电能存储装置，并能够同样地通过流过所有所述电容器单元（32）的充电电流进行充电或通过放电电流进行放电，其特征在于，该系统（50）包括：

测量单元（52），该测量单元（52）能够通过对电压进行测量来确定施加到单独的电容器单元（32）上的电压（U_c）；

评估单元（100），该评估单元（100）能够为所述电容器单元（32）设定标称电压（U_cs）；以及

至少一个放电支路（80），该至少一个放电支路（80）能连接到每个电容器单元（32）并能由放电控制单元（102）进行控制，所述放电控制单元（102）依赖于设定的标称电压（U_cs）和施加的电压（U_c）来使各个电容器单元（32）向所述放电支路（80）进行放电；

其中所述评估单元（100）根据所述电容器模块（30）的识别到的总电压（U_g）以及被指定用于将所述电容器模块（30）充电到最大满电压（U_gmax）的最大电压（U_cmax,U_gmax）来确定各个电容器单元（32_x）的标称电压（U_csx）。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述评估单元（100）能够确定在所述电容器单元（32）上识别的电压（U_c）与平均电压（U_cm）之间的偏差。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述评估单元（100）将所述平均电压（U_cm）设为所述标称电压。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述评估单元（100）确定所述电容器单元（32_x）的所述标称电压（U_csx），以便当所述电容器模块（30）被充电到最大满电压（U_gmax）时，所有的所述电容器单元同时达到最大电压（U_cmax）。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述评估单元（100）把所述单独的电容器单元（32_x）的容量（C_x）计算在内。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述评估单元（100）通过测量来为所述电容器单元（32_x）确定容量关系（C_g/C_x）。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述评估单元（100）通过在不同的充电状态测量所述电容器单元（32）的电压（U_g，U_c）来确定所述容量关系（C_g/C_x）。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述测量单元（52）测量所述电容器模块（30）的所有所述电容器单元（32）的总电压（U_g）。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述测量单元（52）测量两个单独的电容器单元（32）之间的中间抽头（72）处的电压。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述测量单元（52）测量各个中间抽头（72）与地（14）之间的电压。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述测量单元（52）从在所述各个中间抽头（72）处测量到的电压中减去在最接近地端的中间抽头（72）处测量到的电压。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述测量单元（52）在连续测量相位（92）中测量所述中间抽头（72）处的电压。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述测量单元（52）被分配有开关网络（70），所述各个中间抽头（72）能够通过所述开关网络（70）连接到所述测量单元（52）。

14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述开关网络（70）能由解码器（74）控制。

15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述测量单元（52）在测量周期（90）中测量所述中间抽头（72）处的电压，所述测量周期（90）在连续测量相位（92）中同步。

16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述测量单元（52）以固定的时间间隔确定所述电压。

17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述测量单元（52）测量作为所述电容器模块（30）的总电压（U_g）的函数的所述电容器单元（32）的电压。

18.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，每个电容器单元（32）被分配给放电支路（80）。

19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，每个放电支路（80）能被单独地激活。

20.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，所述放电支路（80）能够在非充电状态或者非放电状态中被激活。

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