CN102364811B

CN102364811B - 一种镍碳超级电容器活化方法及装置

Info

Publication number: CN102364811B
Application number: CN 201110319243
Authority: CN
Inventors: 盛占石; 潘天红; 李正明
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2011-10-20
Filing date: 2011-10-20
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2031-10-20
Also published as: CN102364811A

Abstract

本发明公开一种镍碳超级电容器活化方法及装置，由PC机发出指令给MCU控制半数活化单元分别处于充电状态与放电状态；直流充电电源的两端并接可充电电池，可充电电池通过母排并联n个活化单元，每个活化单元均经通讯总线连接PC机；单个活化单元包括镍碳超级电容器、MCU、开关管、电感、电流传感器；充电时，充电电池给镍碳超级电容器提供能量，电感的电能给镍碳超级电容器充电；放电时，放电电流回到镍碳超级电容器，可充电电池吸收镍碳超级电容器放电时放出的能量；能降低充电装置对电网的冲击作用，有效节约能源，降低电能转化为热能的概率，避免由于温度而引起的事故，防止对镍碳超级电容器造成的伤害。

Description

一种镍碳超级电容器活化方法及装置

技术领域

本发明涉及一种超级电容器的活化方法及装置，尤其是一种镍碳超级电容器组的双向、均衡充放电方法及装置，属于电动汽车领域。

背景技术

镍碳超级电容器是基于镍碳等新材料的高效率电容，将活性碳材料引入镍氢电池负极，使普通超级电容器与电池结合为一体。与传统电容和传统动力电池相比，高能镍碳超级电容器具有能量密度大、功率密度高、充放电效率高、温度适应性好、循环寿命长、安全环保、性价比高等技术优势，正是由于上述优点，使得镍碳超级电容器成为电动汽车动力电源的首选。

镍碳超级电容器本质上也是一种蓄电池。目前，蓄电池的充放电活化方法是通过对蓄电池的反复充放电，使其容量得到激活。充电电路主要由：PWM驱动电路，检测电路，辅助电源等部分组成，整个充电过程分为恒流充电、恒压充电以及恒流充电三个阶段，如专利号为200910144107.2公开的一种蓄电池智能激活方法，通过MCU不断检测蓄电池的状态，实现智能激活。这种方法的放电过程是通过连接大功率电阻使蓄电池的电能转化成热能释放出来，这种大功率负载体积庞大、笨重，使得搬运和调试不便，放电时产生的大量热能不仅影响了蓄电池的正常运行环境，而且带来了安全隐患。

专利号为200910189417.6公开的一种超级电容器均衡双向充电方法，以低通滤波器串接成旁路方式，用可充电电池回收系统的能量，实现超级电容器的双向充电。该发明仅实现了超级电容器的充电，且各超级电容器单体都处于充电状态，对电网的冲击较大，耗能严重。

为此，如何提高能源的利用效率，降低活化装置对电网的影响，有效实现镍碳超级电容器的活化，已成为业界的主要任务之一。

发明内容

本发明旨在提供一种节能型的镍碳超级电容器的活化方法及装置，可以同时对多个镍碳超级电容器单体进行充、放电活化，各个镍碳超级电容器单体的充放电状态均由PC机控制，提高了能源的利用效率，降低活化装置对电网的影响。

为实现上述目的，本发明镍碳超级电容器活化方法采取以下技术方案：1）由PC机发出指令给MCU控制半数活化单元分别处于充电状态与放电状态；2）当镍碳超级电容器E1单体充电时，MCU发出控制信号使开关管Q1截止，同时发出PWM控制信号驱动开关管Q2工作；在PWM高电平期间，开关管Q2导通，充电电流由母排依次流经镍碳超级电容器E1、电流互感器P、电感L1和开关管Q2，再由母排流回直流充电电源，电感L1不断的积蓄电能，充电电池给镍碳超级电容器E1提供能量；在PWM低电平期间，开关管Q2关断，电感L1的电能通过二极管D1流经镍碳超级电容器E1和电流互感器P给镍碳超级电容器E1充电；3）当镍碳超级电容器E1单体放电时，MCU发出控制信号使开关管Q2截止，同时发出PWM控制信号驱动开关管Q1工作：在PWM高电平期间，开关管Q1导通，放电电流流经开关管Q1、电感L1和镍碳超级电容器E1，电感L1不断的积蓄电能；在PWM低电平期间，开关管Q1截止，放电电流从镍碳超级电容器E1正极由母排流向可充电电池，再流经二极管D2、电感L1、电流互感器P后回到镍碳超级电容器E1，可充电电池吸收镍碳超级电容器E1放电时放出的能量。

本发明镍碳超级电容器活化装置采用的技术方案是：直流充电电源的两端并接可充电电池，可充电电池通过母排并联n个活化单元，每个活化单元均经通讯总线连接PC机；单个所述活化单元包括镍碳超级电容器E1和MCU，每个MCU内置有电压检测单元、电流检测单元、PWM信号控制单元和通讯接口，MCU通过PWM信号控制端口连接开关管Q1、Q2 的控制极，开关管Q1的输入端分别与镍碳超级电容器E1的阳极、母排的正极、二极管D1的输出端并接，镍碳超级电容器E1的阴极与电流互感器P输入端相连，电流互感器P的输出端与电感L1一端相连，电感L1的另一端分别并接开关管Q1的输出端、开关管Q2的输入端、二极管D1的输入端以及二极管D2输出端；二极管D1的输入端串接二极管D2的输出端；开关管Q2的输出端与二极管D2的输入端以及母排的负极相连。

本发明具有的有益效果是：

1、由于是由安装在PC机中的活化管理系统控制n个活化单元的工作状态（充电、放电），因此可使n/2个活化单元处于放电状态，n/2个活化单元处于充电，这样所需电网的功率降低，从而降低充电装置对电网的冲击作用。

2、由于在放电过程中，利用旁路的可充电电池吸收活化单元的放电电量，并由母排回馈到其他需要充电的活化单元，有效节约能源，降低电能转化为热能的概率，避免了由于温度而引起的事故的发生。

3、在充电过程中，由MCU输出PWM波，控制开关管的频率，从而将充电电路中的电流限制在安全、有效的数值上，以防止对所述镍碳超级电容器造成的伤害。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明：

图1为本发明结构连接总图；

图2为图1中单个活化单元2的电路结构图；

图中：1.PC机；2.活化单元；3.直流充电电源；4.220伏市交流电；5.可充电电池；6.母排；7.通讯总线。

具体实施方式

参照图1，将220伏市交流电4经常规的整流、滤波、逆变处理后作为直流充电电源3；将直流充电电源3的正极与负极通过母排6分别与可充电电池5的阳极与阴极相连，使可充电电池5并接在直流充电电源3的两端，可充电电池5通过母排6并联n个活化单元2，n个活化单元并联接在一起，并由母排6连接到直流充电电源3上，即n个活化单元组通过母排6并接在直流充电电源3上。每个活化单元2的正极与负极分别连接到母排6的正极与负极的两端，且每个活化单元2均通过各自的通讯接口连接通讯总线7，通讯总线连接PC机1（活化管理系统），由PC机1向各个活化单元2发出命令，控制n个活化单元2分别处于充电或放电状态。活化管理系统是一套软件系统，用于整个活化装置的状态检测、控制、数据处理以及界面显示、通信等功能。

参照图2，单个活化单元2包含：镍碳超级电容器E1、开关管Q1、电流互感器P、电压检测元件、电感L1、二极管和一个MCU（微处理器）。其中，每个MCU都内置电压检测单元、电流检测单元、PWM信号控制单元以及通讯接口。MCU通过其通讯接口连接通讯总线7后与PC机1相连接，MCU通过其PWM信号控制端口连接开关管Q1（N沟道的MOSFET管）的控制极，开关管Q1的输入端分别与镍碳超级电容器E1的阳极、母排6的正极、二极管D1的输出端并接在一起，镍碳超级电容器E1的阴极与电流互感器P输入端相连，电流互感器P的输出端与电感L1一端相连，电感L1的另一端分别并接开关管Q1输出端、开关管Q2（N沟道的MOSFET管）的输入端、二极管D1的输入端以及二极管D2输出端，二极管D1的输入端串接二极管D2的输出端；开关管Q2的输出端与二极管D2的输入端以及母排6的负极相连；开关管Q1与开关管Q2的控制端分别接到MCU的PWM信号控制端口。

镍碳超级电容器E1分别连接电压检测元件与电流互感器P，在镍碳超级电容器E1两端设置电压检测元件，将电压检测元件与电流互感器P分别接到MCU内置的电压、电流检测单元。

本发明还将可充电电池5并接成旁路电路方式，即在直流充电电源3上设置一个旁路电路，该旁路电路由可充电电池5构成，用于回收处于放电状态的超级电容器E1单体的能量，进而将这些电能回馈到其它活化单元2，避免电能转化成热量消耗掉，达到节能的效果。

参照图1-2，本发明在工作过程中，由PC机1发出指令，控制半数（n/2）活化单元2分别处于充电状态与放电状态，MCU接收PC机1的指令，并将充、放电过程的各种状态信息传递给PC机1，PC机1实时监控活化单元2的充、放电信息，实现节能。MCU通过控制开关管Q1的导通与关断实现镍碳超级电容器E1的充放电，镍碳超级电容器E1的充、放电电流大小由电流互感器P检测，充电电压大小由电压检测元件检测。MCU将所检测的信号通过通讯接口送到PC机1中，并根据具体的电流大小，设置开关管Q1和开关管Q2的占空比，进而控制充放电电流大小。本发明的每个活化单元2都可以独立的对镍碳超级电容器E1单体进行充电和放电，各个镍碳超级电容器E1单体的具体活化步骤如下：

当镍碳超级电容器E1单体充电时，MCU发出控制信号，使开关管Q1截止，同时发出PWM控制信号驱动开关管Q2工作。在PWM高电平期间，开关管Q2导通，充电电流由母排6，依次流经镍碳超级电容器E1、电流互感器P、电感L1、开关管Q2，再由母排6流回到直流充电电源3；此过程中，电感L1不断的积蓄电能；由于可充电电池5并接在直流充电电源3的两端，因此，可充电电池5也可给镍碳超级电容器E1提供能量，从而将吸收的电能回馈给需充电的镍碳超级电容器E1。在PWM低电平期间，开关管Q2关断，由于电感L1是储能器件，电感电流不能突变，因而电感L1的电能量通过二极管D1，流经镍碳超级电容器E1和电流互感器P，继续给镍碳超级电容器E1蓄电池充电。

当镍碳超级电容器E1单体放电时，MCU发出控制信号，使开关管Q2截止，同时发出PWM控制信号驱动开关管Q1工作。在PWM高电平期间，开关管Q1导通，放电电流流经开关管Q1、电感L1和镍碳超级电容器E1，此过程中，电感L1不断的积蓄电能。在PWM低电平期间，开关管Q1截止，由于电感L1的续流作用，放电电流从镍碳超级电容器E1正极由母排6的正极流向可充电电池5，再由母排6流经二极管D2、电感L1、电流互感器P后回到镍碳超级电容器E1。此时，可充电电池5吸收镍碳超级电容器E1放电时放出的能量。

Claims

1.一种镍碳超级电容器活化方法，其特征是具有如下步骤：

1）由PC机（1）发出指令给MCU，控制半数活化单元（2）分别处于充电状态与放电状态；

2）当镍碳超级电容器E1单体充电时，MCU发出控制信号使开关管Q1截止，同时发出PWM控制信号驱动开关管Q2工作；在PWM高电平期间，开关管Q2导通，充电电流由母排（6）依次流经镍碳超级电容器E1、电流互感器P、电感L1和开关管Q2，再由母排（6）流回直流充电电源（3），电感L1不断的积蓄电能，充电电池（5）给镍碳超级电容器E1提供能量；在PWM低电平期间，开关管Q2关断，电感L1的电能通过二极管D1流经镍碳超级电容器E1和电流互感器P给镍碳超级电容器E1充电；

3）当镍碳超级电容器E1单体放电时，MCU发出控制信号使开关管Q2截止，同时发出PWM控制信号驱动开关管Q1工作：在PWM高电平期间，开关管Q1导通，放电电流流经开关管Q1、电感L1和镍碳超级电容器E1，电感L1不断的积蓄电能；在PWM低电平期间，开关管Q1截止，放电电流从镍碳超级电容器E1正极由母排（6）流向可充电电池（5），再流经二极管D2、电感L1、电流互感器P后回到镍碳超级电容器E1，可充电电池（5）吸收镍碳超级电容器E1放电时放出的能量。

2.一种实现权利要求1所述镍碳超级电容器活化方法的装置，直流充电电源（3）的两端并接可充电电池（5），其特征是：可充电电池（5）通过母排（6）并联n个活化单元（2），每个活化单元（2）均经通讯总线（7）连接PC机（1）；单个所述活化单元（2）包括镍碳超级电容器E1和MCU，每个MCU内置有电压检测单元、电流检测单元、PWM信号控制单元和通讯接口，MCU通过PWM信号控制端口连接开关管Q1、Q2 的控制极，开关管Q1的输入端分别与镍碳超级电容器E1的阳极、母排（6）的正极、二极管D1的输出端并接，镍碳超级电容器E1的阴极与电流互感器P输入端相连，电流互感器P的输出端与电感L1一端相连，电感L1的另一端分别并接开关管Q1的输出端、开关管Q2的输入端、二极管D1的输入端以及二极管D2输出端；二极管D1的输入端串接二极管D2的输出端；开关管Q2的输出端与二极管D2的输入端以及母排（6）的负极相连。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征是：镍碳超级电容器E1两端设置电压检测元件，电压检测元件与电流互感器P分别连接MCU内置的电压、电流检测单元。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征是：可充电电池（5）设置于直流充电电源（3）的旁路上。