CN102684267B - 一种用于超级电容器的充电方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超级电容器的充电方法及装置。该方法是通过采样模块采用轮询的机制定时的检测超级电容器的电压和温度，并通过通讯模块将采集到的信号反馈给控制单元；控制单元的逻辑控制模块根据接收到的电压、温度信号计算出超级电容器的SOC大小。经过控制单元计算，得到超级电容器的荷电状态数值SOC，将并将之和预先设定的SOC1以及SOC2值做比较（SOC1﹥SOC2），然后根据不同的比较结果采取不同的充电模式为超级电容器充电。本发明可以根据超级电容器的荷电状态以及环境温度，灵活的对充电参数进行及时的调整，最大限度的保护电容器以及发挥超级电容器的性能。

Description

一种用于超级电容器的充电方法及装置

技术领域：

本发明涉及电源充电方法及装置技术领域，更具体地，特指一种用于超级电容器的充电方法及装置。

背景技术：

超级电容器又称为双电层电容器（EDLC），它是一种具有革命性的新型储能元器件，其特有的低内阻、高倍率、高安全性以及超低温性能可以有效的弥补铅酸电池、锂离子电池以及常规电容器性能上的不足。在绿色环保、低碳出行的生活理念逐步深入人心的大环境下，超级电容器已成为设备厂商配置电源时的首要选择。

超级电容器也有它自身的局限性，其自身很低的ESR（等效串联电阻）以及充电电流大小没有限制的特性，也给系统集成人员带来了一个问题：标准的电池充电系统并不能有效的对超级电容器进行充电。因为对于充电系统来说，超级电容器部件表现为一个虚拟的短路电子元件。一般的充电器都具备短路保护功能，在对超级电容器充电时，短路保护功能会自动切断流向超级电容器的电流；另一方面，过大的电流输出也有可能会烧毁充电器和电容，引发不必要的安全隐患。另外，超级电容器的自放电特性也和一般的储能装置有着明显的不同，当总电压下降10%后，伴随的能量损失可以达到20%。

为了解决这些技术难题，国内外众多的科研团队进行了多方面的尝试。例如见公告号为CN101657947A的中国专利文献，其公开了一种“双电层电容器的充电方法”，该方法基于储能装置测量电压与预置电压的比较，确定对电化学储能装置进一步充电或者终止充电过程。另外，见公告号为CN1813385A的中国专利文献，其公开了一种“用于对功率模块充电的快速充电电路”。该充电装置包括功率模块、能量源和控制电路。其中控制电路包括脉宽调制器和电感元件。控制电路耦合到功率模块和能量源，以针对至少部分充电时段将比所述能量源输出的电流电平高的电流电平提供给所述功率模块。再者，专利公告号为CN102105957A中国专利文献提出了一种“改善超级电容器充电效率的方法”，该方法根据超级电容器的电压信号采用不同的电流对超级电容器充电。在提高充电效率的同时，也不会降低充电的时长。

上述三个专利分别从超级电容器的荷电状态、电源转换模块、控制方法以及充电效率等几个方面对超级电容器的充电过程进行了研究，他们的成果对于提高超级电容器的使用性能、延长使用寿命和改善充电效率起到了一定的积极作用，但是仍然无法解决以下问题：

第一，不能保证超级电容器的工作电压位于全电压和半电压之间，因而超级电容器有可能会出现“亚健康”的工作状态；

第二，不能根据超级电容器的自身特点以及现场温度、电压等参数适时的调整充电电流或电压以及做出充电模式的调整；

第三，在间歇式的应用环境中，无法及时的判断超级电容器的荷电状态并提供相应的补电措施。

本发明针对上述的几个问题，对现有技术进行了改进。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题就在于克服现有技术的不足，提供一种用于超级电容器的充电方法，该方法可以在不同的充电时段采取不同的充电方式的对超级电容器进行充电。

本发明所要解决的第二个技术问题就在于提供一种采用上述方法制作的用于超级充电器的充电装置。

为解决上述第一个技术问题，本发明采用了如下的技术方案：该方法包括：A、将超级电容器与一能量源连接，由该能量源为超级电容器提供充电电源；B、定时采集超级电容器的电压和温度数据，并将采集的数据反馈到一控制单元，该控制单元根据接收的数据计算出超级电容器的荷电状态数值SOC；C、将上述数值与控制单元内预设的两个数值SOC1、SOC2进行比较，其中SOC1>SOC2；D、控制单元根据比较结果计算出超级电容器需要的充电电压和充电电流，并发出具体的调制信号给控制单元内的脉冲宽度调制模块；E、脉冲宽度调制模块将对充电脉冲宽度调整到需要的大小，并通过控制单元内的转化器为超级电容器进行充电；F、不断重复上述步骤，直至超级电容器完成充电或者终止充电。

进一步而言，上述技术方案中，所述超级电容器为超级电容器单体，或者为由超级电容器单体串/并联构成的超级电容器模组。

进一步而言，上述技术方案中，所述的步骤E中，脉冲宽度调制模块对脉冲宽度进行调整，令超级电容器可在三种模式下进行充电：第一种模式下，超级电容器在零或者接近零电压状态下进行充电，此时满足SOC<SOC2；第二种模式下，对超级电容器进行恒流恒压充电，此时满足SOC1>SOC>SOC2；第三种模式下，超级电容器在满电或接近满电状态下进行充电，此时满足SOC1<SOC。

进一步而言，上述技术方案中，超级电容器采用不间断充电，根据对超级电容器的数据采集、分析、对比后，启动相应的充电模式，最终超级电容器以第三种充电模式持续充电或者终止充电。

为解决上述第二个技术问题，本发明采用了如下的技术方案：该充电装置包括：超级电容器、为超级电容器提供电能的能量源、控制单元、采样模块，所述的超级电容器、能量源、控制单元、采样模块构成一个充电回路，其中能量源经过控制单元对超级电容器进行充电，该控制单元内包括有逻辑控制模块和脉冲宽度调制模块，采样模块对超级电容器的电压、温度数值进行采集后反馈至控制单元，通过控制单元内的逻辑控制模块计算、分析后，由脉冲宽度调制模块对充电脉冲的宽度调节到指定大小为超级电容器充电。

进一步而言，上述技术方案中，所述的能量源为交流电源，该交流电源经变压器和整流器后接入充电回路；所述控制单元采用内置有逻辑控制模块和脉冲宽度调制模块的微处理器；所述超级电容器为超级电容器单体，或者是由超级电容器单体串/并联构成的超级电容器模组。

进一步而言，上述技术方案中，所述的采样模块包括：电源取样电阻和超级电容器取样电阻，其中电源取样电阻由两个并联的电阻构成，电源取样电阻一端与交流电源输出端连接，其另一端接入微处理器一个对应的输入引脚；所述的超级电容器取样电阻有两个并联的电阻构成，该超级电容器取样电阻一端与超级电容器连接，另一端接入微处理器一个对应的输入引脚。

进一步而言，上述技术方案中，所述充电回路中还设置有一个开关元件，通过该开关元件接通或断开充电回路，以响应微处理器中脉冲宽度调制模块发出的脉宽调整指令；该开关元件与微处理器一个对应的输入引脚连接。

进一步而言，上述技术方案中，所述的超级电容器与一个电感并联，在开关元件断开状态下，由存储在电感上的电能为超级电容器充电。

进一步而言，上述技术方案中，所述开关元件与一个保护二极管连接；所述的超级电容器与另一个二极管连接。

采用上述技术方案后，本发明是根据超级电容器的性能特点以及荷电状态（SOC），提出一种可以在不同充电时段采取不同充电方式的方法及装置。在对超级电容器进行充电的过程中，采样模块采用轮询的机制定时的检测超级电容器的电压和温度，并通过通讯模块将采集到的信号反馈给控制单元；控制单元的逻辑控制模块根据接收到的电压、温度信号计算出超级电容器的SOC大小。经过控制单元计算，得到超级电容器的荷电状态数值SOC，将并将之和预先设定的SOC1以及SOC2值做比较（SOC1﹥SOC2），然后根据不同的比较结果采取不同的充电模式为超级电容器充电。

本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：本发明提供的充电方法及充电装置，可以根据超级电容器的荷电状态以及环境温度，灵活的对充电参数进行及时的调整，最大限度的保护电容器以及发挥超级电容器的性能。

附图说明：

图1是本发明的电路原理图；

图2是本发明较佳实施例的电路图；

图3是本发明三种充电模式的脉宽调整波形示意图；

图4是本发明的超级电容器充电电流及电压变化曲线图。

具体实施方式：

下面结合具体实施例和附图对本发明进一步说明。

本发明是根据超级电容器的性能特点以及荷电状态（SOC），提出一种可以在不同充电时段采取不同充电方式的方法及装置。

见图1所示，本发明所采用的方法中，包括以下步骤：

A、将超级电容器2与一能量源1连接，由该能量源1为超级电容器2提供充电电源；

B、定时采集超级电容器2的电压和温度数据，并将采集的数据反馈到一控制单元3，该控制单元3根据接收的数据计算出超级电容器2的荷电状态数值SOC；

C、将上述数值SOC与控制单元3内预设的两个数值SOC1、SOC2进行比较，其中SOC1>SOC2；

D、控制单元3根据比较结果计算出超级电容器2需要的充电电压和充电电流，并发出具体的调制信号给控制单元3内的脉冲宽度调制模块33；

E、脉冲宽度调制模块33将对充电脉冲宽度调整到需要的大小，并通过控制单元内3的转化器31为超级电容器2进行充电；

F、不断重复上述步骤，直至超级电容器2完成充电或者终止充电。

由上可知，要实现该充电方法，其充电装置包括：能量源1、超级电容器2、控制单元3、采样模块4和通讯模块7。其中控制单元3包括：转换器31、逻辑控制模块32和脉冲宽度调制模块33。

超级电容器2可采用超级电容器单体或者超级电容器模组。

在对超级电容器2进行充电的过程中，采样模块4采用轮询的机制定时的检测超级电容器的电压和温度，并通过通讯模块7将采集到的信号反馈给控制单元3；控制单元3的逻辑控制模块32根据接收到的电压、温度信号计算出超级电容器2的SOC大小。由于超级电容器不同于普通的电池，对普通的电池而言，计算其荷电状态则需要进行多样复杂的换算，而超级电容器的荷电状态（SOC）与电压构成简单的函数，可通过在逻辑控制模块32内写入相应的函数，按照一定的算法计算出来。

经过控制单元3计算，得到超级电容器2的荷电状态数值SOC，将并将之和预先设定的SOC1以及SOC2值做比较（SOC1﹥SOC2），然后根据不同的比较结果采取不同的充电模式为超级电容器2充电。

参见图3所示，如果SOC值大于SOC1，逻辑控制模块32会发出调制信号C给脉冲宽度调制模块33，脉冲宽度调制模块33根据接收到的控制信号对脉冲宽度进行调整，使得超级电容器2可以在第三充电模式下接受充电。

如果SOC值小于SOC2，逻辑控制模块32会发出调制信号A给脉冲宽度调制模块33，脉冲宽度调制模块33根据接收到的控制信号对脉冲宽度进行调整，使得超级电容器2可以在第一充电模式下接受充电。

如果SOC值小于SOC1并且大于SOC2，逻辑控制模块32会发出调制信号B给脉冲宽度调制模块33，脉冲宽度调制模块33根据接收到的控制信号对脉冲宽度进行调整，使得超级电容器2可以在第二种充电模式下接受充电。

下面对上述三种充电模式做出说明。

所述第一种充电模式系指超级电容器2在零电压或接近零电压时的充电方式，此时SOC数值小于预先设定的一个较小的数值SOC2，此充电模式下，脉宽调整对应图3中的调制信号A。

所述第二种充电模式系指恒流恒压充电模式（CC/CV），此时SOC数值大于预先设定的一个较小的数值SOC2，同时小于预先设定的一个较大的数值SOC1。此充电模式下，脉宽调整对应图3中的调制信号B。

所述第三种充电模式系指超级电容器2在满电或接近满电的状态下的充电方式，此时SOC数值大于预先设定的一个较大的数值SOC1，此充电模式下，脉宽调整对应图3中的调制信号C。

本发明所提出充电方法采用的是一种不间断的充电方式，即能量源1与充电回路之间始终通过一个开关元件Q1保持连接。当控制单元3检测到超级充电器2的SOC满足某一模式的充电条件时，就启动相应的充电模式对其进行充电。

本发明的充电方法中，一个完整的充电过程需要依次使用上述三种充电模式。初始充电阶段采取第一种充电模式；接近满充状态时，采取第三种充电模式；中间的充电过程采用CC/CV的第二种充电模式；并且，初始阶段的充电电流小于恒流充电阶段的电流大小。

由上所述可以看出，第三种充电模式是对满电或接近满电的状态下的超级电容器进行充电。此充电模式实际上是采用涓流充电模式，主要是为了弥补超级电容器2在闲置时由于自放电而带来的电压降低。该充电模式充电电流的大小是采用如下方法设置的：

逻辑控制模块32根据采样模块4相邻接的或者一定时间间隔内的多次采样结果计算出超级电容器2的dv/dt（单位时间内电压变化比值）。而后根据温度值和dv/dt的大小确定充电的电压和电流，进而发出具体的脉宽调整指令。充电过程中逻辑控制模块32对超级电容器2的电压变化进行适时评估，并以此对充电参数进行调整，保持超级电容器2的电压稳定在一定范围之内。

本发明中的能量源1可以采用发动机、交流电、电池组、太阳能电能、风能或生物能等各种可提供电源的设备或装置，通过能量源1为整个充电回路供电。例如，采用发动机和各种可再生能源形式供电设备作为能量源1时，可通过转换器11变换为直流电。所述的能量源1可提供两个输出接口，其中的一个接口通过稳压器8用于为控制单元3供电，另一个接口根据控制单元3的指令，经转化器31为超级电容器2提供能量供给。

见图2所示，这是本发明充电装置的一个较佳实施例的电路图，本实施例中，所述的能量源1为交流电源10，交流电源10经变压器5和整流器6后接入充电回路。所述控制单元3采用内置有逻辑控制模块32和脉冲宽度调制模块33的微处理器30。

所述超级电容器2可以采用一个超级电容器单体，也可以包含不止一个的超级电容器，比如彼此间互相串并连接形成的超级电容器模组。

所述的微处理器30可采用型号为MG9000系列的单片机。

本实施例中，所述的采样模块4包括：电源取样电阻和超级电容器取样电阻，其中电源取样电阻由两个并联的电阻R1、R2构成，电源取样电阻一端与交流电源10输出端连接，其另一端接入微处理器30的一个输入引脚P3；所述的超级电容器取样电阻有两个并联的电阻R3、R4构成，该超级电容器取样电阻一端与超级电容器2连接，另一端接入微处理器30的一个输入引脚P2。

所述充电回路中设置有一个开关元件Q1，通过该开关元件Q1接通或断开充电回路，以响应微处理器30中脉冲宽度调制模块发出的脉宽调整指令；该开关元件Q1与微处理器30的一个输入引脚P2连接。开关元件Q1与一个保护二极管T1连接。

所述的超级电容器2与一个电感L并联，在开关元件Q1断开状态下，由存储在电感L上的电能为超级电容器2充电。所述的超级电容器2与一个限制超级电容器2放电的二极管T2连接。

运行时，微处理器30首先根据其P1接口传来的电压信号和温度信号，计算出超级电容器2的SOC数值，并将其微处理器30内部预设的SOC1和SOC2进行比较，进而确定充电模式并将相应的脉宽调制信号发送给开关元件Q1的驱动器。最后由驱动器驱动开关元件Q1执行闭合或断开动作。直到超级电容器2满充或者持续的以第三种充电模式进行充电。

在任何一种充电模式下，开关元件Q1接通时，充电回路导通，就会有电流流过超级电容器2，对其进行充电。当开关元件Q1断开时，存储在电感L内的能量通过“电感L-超级电容器2–二极管T2”构成的一个回路，继续为超级电容器2充电。

图3为一次完整充电过程中脉宽调制情况的波形图，其给出了三种充电模式下对应的调制信号A、B、C的脉冲波形。

图4为和图3相对应的超级电容器2在充电过程中充电电流和电压变化的波形图。图3中调制信号A对应的是超级电容器2初始恒流充电时的脉宽波形图，其对应图4中充电电流变化曲线A1。图3中调制信号B对应的是超级电容器2恒压充电时的脉宽波形图，其对应图4中充电电流变化曲线B1；图3中调制信号C对应的是超级电容器2涓流补偿充电时的脉宽波形图，其对应图4中充电电流变化曲线C1。图4中曲线D1为超级电容器2在充电过程中的电压变化曲线。

本发明中的开关元件Q1可以是任一合适的电子开关，如电子机械开关，双极结型晶体管，场效应管，绝缘栅双极晶体管或者其它的晶体管。

当然，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并非来限制本发明实施范围，凡依本发明申请专利范围所述构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。

Claims (5)

1.一种用于超级电容器的充电方法，包括：

A、将超级电容器与一能量源连接，由该能量源为超级电容器提供充电电源；

B、定时采集超级电容器的电压和温度数据，并将采集的数据反馈到一控制单元，该控制单元根据接收的数据计算出超级电容器的荷电状态数值SOC；

C、将上述数值与控制单元内预设的两个数值SOC1、SOC2进行比较，其中SOC1>SOC2；

D、控制单元根据比较结果计算出超级电容器需要的充电电压和充电电流，并发出具体的调制信号给控制单元内的脉冲宽度调制模块；

E、脉冲宽度调制模块将对充电脉冲宽度调整到需要的大小，并通过控制单元内的转化器为超级电容器进行充电；

F、不断重复上述步骤，直至超级电容器完成充电或者终止充电；

所述超级电容器为超级电容器单体，或者为由超级电容器单体串/并联构成的超级电容器模组；

所述的步骤E中，脉冲宽度调制模块对脉冲宽度进行调整，令超级电容器可在三种模式下进行充电：

第一种模式下，超级电容器在零或者接近零电压状态下进行充电，此时满足SOC<SOC2；

第二种模式下，对超级电容器进行恒流恒压充电，此时满足SOC1>SOC>SOC2；

第三种模式下，超级电容器在满电或接近满电状态下进行充电，此时满足SOC1<SOC；

超级电容器采用不间断充电，根据对超级电容器的数据采集、分析、对比后，启动相应的充电模式，最终超级电容器以第三种充电模式持续充电或者终止充电，即能量源与充电回路之间始终通过一个开关元件保持连接，当控制单元检测到超级充电器的SOC满足某一模式的充电条件时，就启动相应的充电模式对其进行充电；

上述充电模式充电电流的大小是采用如下方法设置的：

在相邻接的或者一定时间间隔内的多次采样结果计算出超级电容器的单位时间内电压变化比值，而后根据温度值和单位时间内电压变化比值的大小确定充电的电压和电流，进而发出具体的脉宽调整指令。

2.一种用于超级电容器的充电装置，其特征在于：该充电装置包括：超级电容器、为超级电容器提供电能的能量源、控制单元、采样模块，所述的超级电容器、能量源、控制单元、采样模块构成一个充电回路，其中能量源经过控制单元对超级电容器进行充电，该控制单元内包括有逻辑控制模块和脉冲宽度调制模块，采样模块对超级电容器的电压、温度数值进行采集后反馈至控制单元，通过控制单元内的逻辑控制模块计算、分析后，由脉冲宽度调制模块对充电脉冲的宽度调节到指定大小为超级电容器充电；

所述的采样模块包括：电源取样电阻和超级电容器取样电阻，其中电源取样电阻由两个并联的电阻构成，电源取样电阻一端与交流电源输出端连接，其另一端接入微处理器一个对应的输入引脚；所述的超级电容器取样电阻有两个并联的电阻构成，该超级电容器取样电阻一端与超级电容器连接，另一端接入微处理器一个对应的输入引脚；

所述的超级电容器与一个电感串联，在开关元件断开状态下，由存储在电感上的电能为超级电容器充电。

所述的能量源为交流电源，该交流电源经变压器和整流器后接入充电回路；所述控制单元采用内置有逻辑控制模块和脉冲宽度调制模块的微处理器；所述超级电容器为超级电容器单体，或者是由超级电容器单体串/并联构成的超级电容器模组；

所述的能量源提供两个输出接口，其中的一个接口通过稳压器用于为控制单元供电，另一个接口根据控制单元的指令，经转化器为超级电容器提供能量供给。

3.根据权利要求2所述的一种用于超级电容器的充电装置，其特征在于：所述的能量源为交流电源，交流电源经变压器和整流器后接入充电回路。

4.根据权利要求3所述的一种用于超级电容器的充电装置，其特征在于：所述充电回路中还设置有一个开关元件，通过该开关元件接通或断开充电回路，以响应微处理器中脉冲宽度调制模块发出的脉宽调整指令；该开关元件与微处理器一个对应的输入引脚连接。

5.根据权利要求4所述的一种用于超级电容器的充电装置，其特征在于：所述开关元件与一个保护二极管连接；所述的超级电容器与另一个二极管连接。

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