CN102437596A - 一种超级电容器的充电控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超级电容器的充电控制方法，其特征在于充电过程包括：充电电流的设定阶段、恒流充电阶段、恒压充电阶段、超级电容自放电阶段和涓流充电阶段；其中，在恒流充电阶段对超级电容器进行充电容量检测，并做异常判断、健康分析和处理。恒流充电过程可对电容的充电容量进行计算和电容器开路、充电器输出短路检测，恒压充电过程可检测电容器是否充电达到额定电容值，并将结果应用于健康分析和处理控制模块，可实现对负载、超级电容器充电机的保护及有效提升系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及充电方法，尤其涉及一种带有充电失效识别与健康状态指示功能的超级电容器的充电控制方法。
背景技术
随着技术的不断发展，超级电容器的应用越来越广泛。超级电容器具有强大的比功率，目前被广泛应用于混合动力新能源汽车、军工产品的瞬间起动能量提供和制动能量回收系统、风力发电系统的后备电源等。超级电容器初始能量的提供需要超级电容器充电机来完成，超级电容器充电机和有效的充电控制方法成为该领域亟待解决的技术问题。
目前所用的充电机及充电控制方法都无法对充电故障进行有效的识别，也不能对超级电容器的健康状态进行判断和指示。
发明内容
为解决现有技术存在的缺陷，本发明提供一种带有充电失效识别与健康状态指示功能的超级电容器的充电控制方法，充电过程包括：充电电流的设定阶段、恒流充电阶段、恒压充电阶段、超级电容自放电阶段和涓流充电阶段；其中，在恒流充电阶段、恒压充电阶段还对超级电容器进行充电容量检测，并做异常判断、健康分析和处理。
根据实施例，还可采用以下优选的技术方案：
所述充电电流的设定根据电容器的容值和充电时间计算得到。
所述异常判断、健康分析和处理包括超级电容器的容量变化率、开路识别和短路识别，以及关闭充电机输出并提示输出状态。
所述容量变化率通过充电容量与额定容量计算得到；所述开路识别和短路识别根据电压变化情况得到，具体是：在恒流充电阶段，当电容器两端电压以小于正常三分之一的时间达到额定充电电压，则判断为开路；当单位时间内电容器两端电压不增加，则判断为短路。
所述恒流充电阶段的初始电压为0V。
充电过程中还对超级电容器进行健康分析与处理，具体是：对超级电容两端的电压、充电电流、充电能量、电容器容量变化范围和自放电的数据在数据显示器上进行实时显示，同时将所述数据通过传输接口与外部进行通讯。
本发明的有益效果是：
恒流充电过程可对电容的充电容量进行计算和电容器开路、充电器输出短路检测，恒压充电过程可检测电容器是否充电达到额定电容值，并将结果应用于健康分析和处理控制模块，可实现对负载、超级电容器充电机的保护及有效提升系统的可靠性。
附图说明
图1为本发明一个优选实施例的控制方法流程图；
图2为本发明所述充电控制原理框图；
图3为本发明所述充电方法的充电曲线示意图。
具体实施方式
以下结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，是一个优选实施例的控制方法流程图，该超级电容充电器的充电控制根据充电时间计算充电电流的大小，并进行电流调节，其充电过程主要分为五个阶段：充电机充电电流的设定阶段、恒流充电阶段、恒压充电阶段、超级电容自放电、涓流充电阶段。其中，在恒流、恒压充电过程中对超级电容器进行充电容量检测，电容故障异常判断处理和超级电容器的状态健康指示；所述自放电阶段用以检测超级电容或模组的漏电流，同时判断电容模组的自放电是否满足电容与电路的需求；所述涓流充电则补充自放电阶段损失的能量。
与传统电池的充电机相比，超级电容器用充电机不具备充电电压平台，拿12V的铅酸电池来讲，铅酸电池的截止电压为10V左右，则充电机以10V开始对电池进行恒流充电，而超级电容器的初始充电电压为0V，超级电容器用充电机开始对电容器从0V进行恒流充电。相应的控制策略不局限于恒流、恒压、电容自放电、涓流充电的过程，该超级电容充电机还增加了系统校验、超级电容开路，电容容量变化、及超级电容模组的自放电等智能识别、控制功能。
具体是，在电流设定过程中，用户可根据电容的容值和充电时间对充电机的充电电流进行设定。根据I*T=△U*C的电容公式，其中充电电压范围△U为已知，C为已知的额定容量，根据所要求的充电时间T，调节充电机的电流I，对超级电容器进行充电。
进一步的系统自检过程，对充电机内部进行识别，如无故障则对超级电容进行充电，在充电过程中控制处理器实时查询各种充电状态，如有故障则关闭充电器输出，程序执行状态指示程序。
整个充电过程的充电曲线如图2所示，包括：
a. 恒流充电阶段
b. 恒压充电阶段
c. 充电机开路状态
d. 涓流充电阶段
e. 恒压充电阶段
图2的充电控制具体是：先以恒流充到到额定电压，然后恒压充压、待电容两端的末期电流达到额定范围内，或者恒压一预定的时间，则关闭充电机输出，在额定的时间内观察超级电容两端的电压是否满足于超级电容或电容模组的自放电规格。涓流充电是补充由于充电机关闭输出时，超级电容或超级电容模组自放电损失的能量，补充达到额定电压后充电机再为关闭输出，以此循环的充电过程。
以下结合图2进一步讲述超级电容充电的控制过程中，如何实现恒流充电判断电容容量变化和超级电容异常（如超级电容开路、超级电容短路）的分析处理过程。
在恒流充电的过程中，根据I*T=△U*C的公式，超级电容两端的电压近似于线性增长关系，如对1法拉额定电压16伏的超级电容模组以1安培的恒定电流从0V开始充电，根据公式可以计算出充电时为16秒，同理，如果给定充电电压范围，以恒定的电流进行充电，测量充电到额定电压所用的时间，可计算出超级电容的充电容量，进而以充电容量与模组的额定容量的比值，可求得电容的变化率。超级电容开路的识别，则可以根据观察模组两端的电压变化情况进行识别，如果在恒流充电的过程中，电容两端的电压以3倍以上的时间快速达到额定电压，则可以认为是电容器内部开路所致或者连接线开路所致；超级电容短路或者负载的短路识别，同样也是在超级电容模组的恒流充电过程中完成，如前如述，在超级电容恒流的充电过程中，电容器两端的电压近似为性线的增长关系，如果在恒流状态下，单位时间内电容两端的电压不增长，则可以判定为充电机输出端短路或都超级电容内部短路。此时，必须得关闭充电机输出，提示输出的状态，进而保护负载和超级电容充电机。
进一步的，还对超级电容充电控制过程的超级电容机进行健康分析与处理，主要是对超级电容两端的电压、电流、充电能量、电容器状态（如超级电容开路、充电机负载短路、容量变化范围，自放电）等在数据显示器上进行实时显示，让用户实时了解充电机与超级电容器的状态，同时可将充电机数据通过传输接口与外部进行通讯，更有利系统的管理和有效提升系统的可靠性。
超级电容器充电控制过程的电容自放电，通过图2 中控制处理器AD1检测电容两端电压的情况，通过控制处理器AD2检测恒压阶段的电流值是否达到设定值，如达到设定值，则由控制处理器在ON/OFF口输出关闭充电机输出的信号，同时控制处理器实时的检测电容两端的电压在单位时间内是否满足电容模组自放电的要求，并将结果在数据显示器上显示出来。
该超级电容充电控制过程的电压从0V开始恒流充电的过程，主要根据图2中控制处理器的AD2进行外部电流检测，通过运算，从控制处理器器DA0输出一模拟电压信号给PWM处理器处理，使其PWM处理器输出的PWM波形作用于输出电流的状态，电容器两端始终恒流充电到超级电容器的额定电压。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (6)
1.一种超级电容器的充电控制方法，其特征在于充电过程包括：充电电流的设定阶段、恒流充电阶段、恒压充电阶段、超级电容自放电阶段和涓流充电阶段；
其中，在恒流充电阶段、恒压充电阶段还对超级电容器进行充电容量检测，并做异常判断、健康分析和处理。
2.如权利要求1所述的超级电容器的充电控制方法，其特征在于：所述充电电流的设定根据电容器的容值和充电时间计算得到。
3.如权利要求1所述的超级电容器的充电控制方法，其特征在于：所述异常判断、健康分析和处理包括超级电容器的容量变化率、开路识别和短路识别，以及关闭充电机输出并提示输出状态。
4.如权利要求3所述的超级电容器的充电控制方法，其特征在于：所述容量变化率通过充电容量与额定容量计算得到；所述开路识别和短路识别根据电压变化情况得到，具体是：在恒流充电阶段，当电容器两端电压以小于正常三分之一的时间达到额定充电电压，则判断为开路；当单位时间内电容器两端电压不增加，则判断为短路。
5.如权利要求1所述的超级电容器的充电控制方法，其特征在于：所述恒流充电阶段的初始电压为0V。
6.如权利要求1所述的超级电容器的充电控制方法，其特征在于：充电过程中还对超级电容器进行健康分析与处理，具体是：对超级电容两端的电压、充电电流、充电能量、电容器容量变化范围和自放电的数据在数据显示器上进行实时显示，同时将所述数据通过传输接口与外部进行通讯。
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