CN102832661B - 一种新型串联超级电容器组动态均压装置 - Google Patents

Abstract

一种新型串联超级电容器组动态均压装置，包括硬件电路和控制器两部分；所述硬件电路包括产生平衡电流的分流电容C_b、开关网络、超级电容器组、电压测量单元；所述开关网络包括开关S₁、S₂、S₃、S₄、……S_2n-1和S_2n，所述超级电容器组包括超级电容C₁、C₂、……C_n，其中n为自然数，所述电压测量单元包括与超级电容对应个数的电压测量装置；对于任意一组开关S_2n-1和S_2n，对应超级电容C_n以及相应的电压测量装置；所述分流电容C_b的两极分别通过S_2n-1和S_2n连接超级电容C_n的两极；加在所述超级电容C_n两端的电压U_Cn由相应的电压测量装置测量，并把测量结果传给控制器；控制器输出开关控制信号，控制开关网络中的各个开关的开关状态。

Description

一种新型串联超级电容器组动态均压装置

技术领域

本发明涉及储能技术、电源领域，特指一种新型串联超级电容器组动态均压装置及其控制策略，适用于电动汽车、风力发电以及光伏发电的储能系统。

背景技术

随着新能源发电和电动汽车的发展，电能存储的重要性日益突现。目前常用的电能存储装置有：蓄电池、飞轮、超级电容、超导磁体等。超级电容器作为一种新型的储能元件，其性能优越，尤其是功率密度很高，因此可以作为辅助能源，和蓄电池或燃料电池作为电动汽车的混合动力源，这样就可以很好的弥补传统电动汽车的不足之处。超级电容器提供汽车启动、加速以及爬坡时短时的大功率，特别是电动汽车下坡或者减速的时候，由超级电容器吸收能量，实现制动能量回收，既保护蓄电池免受大电流的冲击，维护了电池的健康，同时又提高了能量回收的效率。超级电容就是电容量很大的电容，通常其容量都以F做为单位，现在已有3000F的超级电容。所以超级电容又叫法拉电容或者黄金电容。

超级电容器由于额定工作电压很小，为了满足电动汽车对于储能功率的要求，一般均需将其进行串联使用，由于各超级电容器在电容量、等效串联内阻和漏电流等参数上存在差异，导致了超级电容器组中各单体电压的不一致，进而影响超级电容器组的利用率和使用寿命，均压技术在超级电容器的实际应用中起着十分重要的作用。

超级电容器的均压技术主要有两类：能量消耗型和能量转移型。能量消耗型均压技术虽然电路简单、控制方便、节约成本，但其主要将多余能量消耗在电阻或稳压管上，能量浪费严重，发热量大。能量转移型均压技术是通过能量变换器将单体之间偏差的能量转移到组中其他单体，从而实现均压目的，在均压过程中，无谓能量消耗很少，能显著提高储能系统的效率。目前较为成熟的能量转移型均压技术有：开关电容法、开关电感法、飞渡电容法和DC/DC变换器法，其中开关电容和开关电感法中多个电感和多个电容的重量和成本都是不容忽视的，且需要占用很大的空间；而DC-DC变换器法，控制相对复杂，成本较高，飞渡电容法是目前较为先进的一种均压方法，但受其原理的制约，均压速率较慢，因此比较适宜于静态均压，而难以满足电动汽车储能系统对动态均压的要求。为了便于在下文中进一步说明本专利所述新型动态均压装置的创新点，在这里简明介绍“飞渡电容法”：“飞渡电容”法是在开关电容法的基础上提出了均压技术，该方法是一种单电容均压方法，利用一个容量较小的普通电容器作为中间储能单元进行转移能量，即“飞渡电容”，适时地检测各串联超级电容器的电压，前半个周期将普通电容始终与电压最高的超级电容器相连，由电压最高的超级电容器给普通电容充电，后半个周期将普通电容始终与电压最低的超级电容器相连，以使普通电容给电压最低的超级电容器充电，反复动作开关逐渐达到均压。飞渡电容均压方法进一步降低了能量损耗，减少了开关电容法由于多个电容的存在，而造成的重复无效的能量流动，从而加快了均压的速度，但从原理上看，还是借助一个“飞渡电容”来转移能量，由于该电容的容量较之需均压的超级电容单体的容量有着十分悬殊的差距，因此均压过程需要经历次数较多的开关网络切换，一方面增加了开关损耗，另一方面也增加了均压时间，不适用于需要快速均压的的动态均压场合。

鉴于上述分析，有必要发明一种新装置，使用简单的控制方法、较少的元器件，实现高速度、高效率的超级电容器组动态均压。

发明内容

技术问题：本发明针对现有超级电容器组动态均压技术的不足进行设计，提出了一种新型的动态均压装置，该装置部分借鉴了已有的静态均压思想，然而出发点与已有的均压技术有着显著不同，构造了新的均压电路拓扑结构，提出了新的控制方法，提高了动态均压技术的可行性，改善了动态均压的效果。与此同时，本发明中所提出的动态均压装置使用较少的元器件，减小了体积，节约了成本，降低了动态均压电路结构的复杂度，提高了均压的效率和速度，非常适合用于电动汽车储能系统。

技术方案：现有的超级电容器组动态均压技术都有自己的特点，适用于不同的使用环境、使用条件，但是，它们都有自己的弊端，不能很好的满足电动汽车储能系统的要求，并且很关键的一点是，现有的动态均压技术一般均直接移植于静态均压技术，因此对动态均压往往缺乏针对性。鉴于此，本发明灵活借鉴已有的超级电容器组均压的思想以及相关的技术，从一个新的思路出发，巧妙地构造了新的电路拓扑结构，提出新颖的控制方法，实现了小体积、高效率、低成本的超级电容器组动态均压。本发明拟解决的核心问题是：提出新的均压方法和对应所需的均压电路结构，减小均压装置的体积和成本，同时依赖于控制策略，即所谓的软件方法，来实现高效率、高精度的超级电容器组动态均压。因此，本发明提供的技术方案由两部分组成，一为新型串联超级电容器组动态均压装置的电路拓扑，包括了硬件电路和控制器；二为该装置的控制策略。该装置的电路结构比较简单，控制方案十分灵活，串联超级电容器组的动态均压效果良好，因此非常适合于电动汽车、风力发电以及光伏发电的储能系统。

本发明所述的硬件电路包括产生“平衡电流”的分流电容1、由功率开关器件阵列或继电器阵列组成的开关网络2，后接由多个超级电容器串联组成的超级电容器组3，再接监测各超级电容器单体端电压的电压测量单元4；控制器5根据实时获取的各超级电容器单体电压信号，产生控制信号，驱动开关网络进行合适的切换。本发明的新型串联超级电容器组动态均压装置的基本原理及控制方法为：硬件电路中，电压测量单元4实时监测各个超级电容器单体的端电压，将电压信号传送给控制器5，控制器5产生控制信号，驱动开关网络2中的功率开关器件或继电器，使分流电容1与相应的超级电容器并联，进行均压。详细的控制方法以及具体的实施方案将在具体实施例部分进行详述。

本技术方案具体如下：

一种串联超级电容器组动态均压装置，包括硬件电路和控制器两部分；所述硬件电路包括产生平衡电流的分流电容C_b、由功率开关器件阵列或继电器阵列组成的开关网络、由多个超级电容器串联组成的超级电容器组，监测各超级电容器单体端电压的电压测量单元；控制器根据实时获取的各超级电容器单体电压信号，产生开关控制信号，驱动开关网络进行合适的切换；

所述开关网络包括开关S₁、S₂、S₃、S₄、……S_2n-1和S_2n，所述超级电容器组包括超级电容C₁、C₂、……C_n，其中n为自然数，所述电压测量单元包括与超级电容对应个数的电压测量装置；

对于任意一组开关S_2n-1和S_2n，对应超级电容C_n以及相应的电压测量装置；所述分流电容C_b的两极分别通过S_2n-1和S_2n连接超级电容C_n的两极；加在所述超级电容C_n两端的电压U_Cn由相应的电压测量装置测量，并把测量结果传给控制器；控制器输出开关控制信号，控制开关网络中的各个开关的开关状态。

所述串联超级电容器组动态均压装置其特征是本装置的控制方法如下：

a）充电的过程：

1）通过电压测量模块检测各个超级电容器的电压值，并进行比较，找出其中电压的最大值U_max和电压的最小值U_min，用maxnum记录当前电压最高的超级电容的编号；

2）将当前电压的最大值U_max与设定的电压值进行比较；如果U_max大于或者等于设定值，则结束充电；否则，继续进行充电，并将U_max和U_min的差值与允许的最小压差U_g进行比较；

3）如果U_max和U_min的差值小于允许的最小压差U_g，则结束均压过程，否则，判断maxnum的值，并将分流电容与对应的超级电容器并联，对该电容单体的充电电流进行分流，减缓电压上升的速度，从而使其他电压较小的超级电容器电压上升相对较快，而电压最大的超级电容器电压上升较慢，此均压过程不断的循环进行，即可完成充电过程中串联超级电容器组的动态均压，最终各电容单体电压趋于一致；

对于由多个超级电容器单体组成的串联组而言，若在某一时刻有2个或2个以上的超级电容器单体端电压都等于U_max，则首先任取其中一个作为并联对象，然后重复上述充电的过程；

b）放电的过程：

1）通过电压测量模块检测各个超级电容器的电压值，进行比较，找出其中电压的最大值U_max和电压的最小值U_min，用minnum记录当前电压最低的电容器模块编号；

2）将当前电压的最小值U_min与设定的电压值进行比较，如果U_min小于或者等于设定值，则结束放电；否则，继续进行放电，并将U_max和U_min的差值与允许的最小压差U_g进行比较；

3）如果U_max和U_min的差值小于允许的最小压差U_g，则结束均压过程，否则，判断minnum的值，将分流电容与相应的超级电容器并联，实现对该超级电容器放电电流的分流，减缓电压减小的速度，从而使其他电压较大的超级电容器电压下降相对较快，而电压最小的超级电容器电压下降较慢，此均压过程不断的循环进行，即可完成放电过程中串联超级电容器组的动态均压，最终各电容单体电压差距减小；

对于由多个超级电容器单体组成的串联组而言，若在某一时刻有2个或2个以上的超级电容器单体端电压都等于U_min，则首先任取其中一个作为并联对象，然后重复上述放电的过程。

本串联超级电容器组动态均压装置通过选取适应不同工作频率的开关器件和控制器，既可工作在低频段，又可工作在高频段。本串联超级电容器组动态均压装置均压速率和均压效率都较高，能够满足动态均压的要求。本串联超级电容器组动态均压装置没有使用变压器等笨重、昂贵的器件，而且不论超级电容器的数量，均只需单个分流电容作为产生平衡电流的器件，单个电容的重量、体积相对较小，整个装置成本低，重量小；同时所述的新型串联超级电容器组动态均压装置控制方法简单，不需要复杂的闭环、PI控制等，只需监测各超级电容器单体端电压，根据选定的控制策略，产生合适的驱动信号，驱动由功率开关器件或继电器阵列组成的开关网络进行正确的切换。

本串联超级电容器组动态均压装置其核心思想与已有的动态均压装置有着显著地区别，已有的动态均压装置一般分为能量消耗型和能量转移型，出发点主要是消耗或是转移能量以实现各单体均压，而本专利中所述的新型串联超级电容器组动态均压装置则是通过控制充放电电流的大小，来实现均压。

有益效果：

1）没有使用变压器等笨重、昂贵的器件，而且不论超级电容器的数量，均只需单只电容作为能量转移器件，单个电容的重量、体积相对较小，整个装置成本低，重量小；

2）超级电容器组进行充放电的时候，通过并联电容器对端电压最大或最小的超级电容器进行分流，整个过程基本没有能量的消耗，元器件发热小；

3）使用本装置，超级电容器组的动态均压效果良好，有效地减小了超级电容器组的过充电和过放电，提高了其可靠性和利用率；整个装置中功率开关器件的控制简单，不需要使用PI、闭环等复杂的控制方法；

4）本装置的最突出的优势在于，是专门为动态均压设计，能够高速、高效地实现动态均压，同时由于在充放电过程中实现了均压，也极大地消除或是减小了静态均压的负担。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

图2为充电均压时原理示意图；

图3为放电均压时原理示意图；

图4为为了说明具体实施方式，超级电容器数量为3时的电路结构示意图；

图5为超级电容器数量为3时的充电均压技术控制程序流程图；

图6为超级电容器数量为3时的放电均压技术控制程序流程图；

图7为超级电容器数量为3时的均压充电仿真波形；

图8为超级电容器数量为3时的均压放电仿真波形；

图9为超级电容器数量为3时的均压充电实验波形；

图10为超级电容器数量为3时的均压放电实验波形。

图中：分流电容1、开关网络2、超级电容器组3、电压测量单元4、控制器5。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明，由于分流电容本身及其如何工作是本发明的关键点，在下述文字中也会着重论证分流电容的作用以及如何选择分流电容。

本发明提供了新型串联超级电容器组动态均压装置，该装置由硬件电路和控制器组成。

如附图1中所示，所述的硬件电路包括产生“平衡电流”的分流电容1、由功率开关器件阵列或继电器阵列组成的开关网络2，由多个超级电容器串联组成的超级电容器组3，监测各超级电容器单体端电压的电压测量单元4；控制器5根据实时获取的各超级电容器单体电压信号，产生控制信号，驱动开关网络进行合适的切换。

本发明的创新点在于：由图1所示电路中电压测量单元4实时监测各个超级电容器单体的端电压，将电压信号传送给控制器5，控制器5产生控制信号，驱动开关网络2中的功率开关器件或继电器，使分流电容1与相应的超级电容器并联，对充放电电流进行分流，通过控制给各超级电容单体充电的电流来实现良好的动态均压，充电均压和放电均压时的电路原理图分别如图2和图3所示。

为了进一步说明本发明中所涉及电路的具体工作方式，不失一般性，选择超级电容器组电容数量为3时的电路为例，来说明本发明的具体工作原理。电路如图4所示，超级电容器组电容数量为3。

定义三个超级电容器模块的编号分别为C₁、C₂、C₃，maxnum记录当前电压最高的电容器模块编号，minnum记录当前电压最低的电容器模块编号，充电时，分流电容始终与电压最高的超级电容器模块连接，放电时，分流电容始终与电压最低的超级电容器模块连接。动态均压技术控制程序流程图如图5和6所示。

充电时，通过电压测量模块检测三个超级电容器的电压值，进行比较，找出电压的最大值U_max和电压的最小值U_min，用maxnum记录当前电压最高的电容器模块编号。将当前电压的最大值U_max与设定的电压值进行比较，如果U_max大于或者等于设定值，则结束充电，否则，继续进行充电，并将U_max和U_min的差值与允许的最小压差U_g进行比较，如果U_max和U_min的差值小于允许的最小压差U_g，则结束均压过程，否则，判断maxnum的值，将分流电容与相应的超级电容器并联，对该电容单体的充电电流进行分流，减缓电压上升的速度，从而使其他电压较小的超级电容器电压上升相对较快，而电压最大的超级电容器电压上升较慢，此均压过程不断的循环进行，即可很好的完成充电过程中串联超级电容器组的动态均压，最终各电容单体电压趋于一致。特别注意的是，对于由多个超级电容器单体组成的串联组而言，若在某一时刻有2个或2个以上的超级电容器单体端电压都等于U_max，则首先任取其中一个作为并联对象，然后重复上述过程，由于动态均压的最终目标是U_max和U_min的差值小于允许的最小压差U_g，因此，均压过程中，端电压等于U_max超级电容单体的数量多少不影响最终均压的结果。

放电时，通过电压测量模块检测三个超级电容器的电压值，进行比较，找出电压的最大值U_max和电压的最小值U_min，用minnum记录当前电压最低的电容器模块编号。将当前电压的最小值U_min与设定的电压值进行比较，如果U_min小于或者等于设定值，则结束放电；否则，继续进行放电，并将U_max和U_min的差值与允许的最小压差U_g进行比较，如果U_max和U_min的差值小于允许的最小压差U_g，则结束均压过程，否则，判断minnum的值，将分流电容与相应的超级电容器并联，实现对该超级电容器放电电流的分流，减缓电压减小的速度，从而使其他电压较大的超级电容器电压下降相对较快，而电压最小的超级电容器电压下降较慢，此均压过程不断的循环进行，即可很好的完成放电过程中串联超级电容器组的动态均压，最终各电容单体电压差距减小。同充电情况相似，若放电均压过程中，监测到串联组中多个电容单体的端电压等于U_min，则采取类似上面充电过程中的解决方法。

根据上述分析可知，在动态均压过程中，分流电容实际上总是交替与串联组中的超级电容单体直接并联，为了确保安全操作，其电压等级应不低于超级电容单体的电压等级。此外，选择合适容量的“分流电容”也关系到动态均压的顺利进行，为此，下面对分流电容的工作状态做进一步的论证说明，并给出如何确定其容量的分析思路。首先分析充电过程：充电过程中，分流电容通过开关网络的切换轮流与串联组中监测到端电压为U_max的超级电容单体并联，一方面因为直接并联，由KVL可知，分流电容的电压始终不会高于U_max，另一方面，由图3可知，给“分流电容”充电的电流I_Cb始终是给串联组充电电流I的一部分，因而在整个均压过程中，分流电容充电电流的平均值必然小于串联组充电电流I，考虑到串联组中各单体的充电电流的均值I_Ci（i=1~n）应接近I，所以必然有I_Cb<I_Ci，故若当分流电容的容量与所并联的超级电容单体基本一致时，分流电容的端电压一定不会高于串联组中的任何超级电容单体的端电压。因此，从成本以及均压速度两个角度考虑，选择电压等级、容量均和串联组中的超级电容单体一致的超级电容器作为“分流电容”是完全适合于充电均压的，并且不存在均压过程中，“分流电容”充电溢满的情况。若选择普通电解电容作为“分流电容”，其缺点在于，因其容量很小，因而分流的“平衡电流”的均值也很小，造成了动态均压速度缓慢，甚至均压失败。

进一步，对放电均压过程进行分析：若选择电压等级、容量均和串联组中的超级电容单体一致的超级电容器作为“分流电容”，首先满足了电压方面的要求；其次考虑到放电均压过程中，“分流电容”始终与端电压为U_min的单体直接并联，因此“分流电容”的端电压必定不低于端电压为U_min的超级电容单体；再次，若均压时，“分流电容”的端电压U_Cb<U_min，则可能使被并联的电容加快放电，因而必须考虑在均压前，对“分流电容”进行预充电，充电电压为U/n（U为串联组端电压，n为串联组中电容单体数量），这样即可保证U_Cb>U_min，使得放电均压顺利进行。若取容量远高于串联组中超级电容单体的超级电容器作为“分流电容”，其缺点在于预充电过程必然缓慢，影响了均压速度，同时也提高了系统的成本。综上所述，选择电压等级、容量均和串联组中的超级电容单体基本一致（考虑到参数的离散性，必然存在微小差别）的超级电容器作为“分流电容”是适合的。

经过上述的控制策略以及选择合适的“分流电容”后，该装置可以对超级电容器组获得了很好的动态均压效果，提高了它的可靠性和利用率，并延长了它的使用寿命。根据上述对于本发明中主电路基本工作原理的描述，不难看出本发明不同于一般均压电路的一个思路在于：它在超级电容器单体两端并联分流电容对充放电电流进行分流，减小相应的超级电容器电压变化的速率，使用元器件较少，减小了装置的体积和重量，多余的能量没有消耗掉，能量利用率高，控制方法简单，节约成本。无疑，这将极大的提高超级电容器组的性能，使其更加广泛的应用于电动汽车、风力发电和光伏发电的储能系统。

分别对图4所描述的典型电路在如图5和6给出的控制策略下进行仿真和实验研究，图7、图8所示为超级电容器组动态均压仿真波形，由仿真波形可见，无论是充电还是放电过程，动态均压的效果都非常显著，图9、图10所示为所获得的实验波形，与仿真结果和前述理论分析完全一致，考虑到实验条件局限，对充放电电流和平衡电流都做了限制，在实际使用中，动态均压的时间会更短，完全可以满足实际应用的需要。由仿真结果和实验结果可以证明，本专利中所述的新型串联超级电容器组动态均压电路能够在上文中所提出的控制策略控制下，获得很好的动态均压效果。

Claims (1)

1.一种新型串联超级电容器组动态均压装置，其特征在于：包括硬件电路和控制器两部分；所述硬件电路包括产生平衡电流的分流电容C_b(1)、由功率开关器件阵列或继电器阵列组成的开关网络(2)、由多个超级电容器串联组成的超级电容器组(3)，监测各超级电容器单体端电压的电压测量单元(4)；控制器(5)根据实时获取的各超级电容器单体电压信号，产生开关控制信号，驱动开关网络进行合适的切换； 

所述开关网络包括开关S₁、S₂、S₃、S₄、……S_2n-1和S_2n，所述超级电容器组包括超级电容C₁、C₂、……C_n，其中n为自然数，所述电压测量单元包括与超级电容对应个数的电压测量装置； 

对于任意一组开关S_2n-1和S_2n，对应超级电容C_n以及相应的电压测量装置；所述分流电容C_b的两极分别通过开关S_2n-1和S_2n连接超级电容C_n的两极；加在所述超级电容C_n两端的电压U_Cn由相应的电压测量装置测量，并把测量结果传给控制器；控制器输出开关控制信号，控制开关网络中的各个开关的开关状态；

本装置的控制方法如下： 

a)充电的过程： 

1)通过电压测量模块检测各个超级电容器的电压值，并进行比较，找出其中电压的最大值U_max和电压的最小值U_min，用maxnum记录当前电压最高的超级电容的编号； 

2)将当前电压的最大值U_max与设定的电压值进行比较；如果U_max大于或者等于设定值，则结束充电；否则，继续进行充电，并将U_max和U_min的差值与允许的最小压差U_g进行比较； 

3)如果U_max和U_min的差值小于允许的最小压差U_g，则结束均压过程，否则，判断maxnum的值，并将分流电容与对应的超级电容器并联，对该电容单体的充电电流进行分流，减缓电压上升的速度，从而使其他电压较小的超级电容器电压上升相对较快，而电压最大的超级电容器电压上升较慢，此均压过程不断的循环进行，即可完成充电过程中串联超级电容器组的动态均压，最终各电容单体电压趋于一致； 

对于由多个超级电容器单体组成的串联组而言，若在某一时刻有2个或2个以上的超级电容器单体端电压都等于U_max，则首先任取其中一个作为并联对象，然后重复上述充电的过程； 

b)放电的过程： 

1)通过电压测量模块检测各个超级电容器的电压值，进行比较，找出其中电压的最大值U_max和电压的最小值U_min，用minnum记录当前电压最低的电容器模块编号； 

2)将当前电压的最小值U_min与设定的电压值进行比较，如果U_min小于或者等于设定值，则结束放电；否则，继续进行放电，并将U_max和U_min的差值与允许的最小压差U_g进行比较； 

3)如果U_max和U_min的差值小于允许的最小压差U_g，则结束均压过程，否则，判断minnum的值，将分流电容与相应的超级电容器并联，实现对该超级电容器放电电流的分流，减缓电压减小的速度，从而使其他电压较大的超级电容器电压下降相对较快，而电压最小的超级电容器电压下降较慢，此均压过程不断的循环进行，即可完成放电过程中串联超级电容器组的动态均压，最终各电容单体电压差距减小； 

对于由多个超级电容器单体组成的串联组而言，若在某一时刻有2个或2个以上的超级电容器单体端电压都等于U_min，则首先任取其中一个作为并联对象，然后重复上述放电的过程。