CN102856984B - 多并串超级电容系统均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电容均衡相关技术领域，特别是一种多并串超级电容系统均衡方法。所述超级电容由多个单体电容通过串联和/或并列方式组合而成，所述系统包括：超级电容和控制器，在每个单体电容两端分别并联一个放电电阻，每个放电电阻串联一个开关模块，每个开关模块与控制器连接，受控制器控制导通或截止，从而控制放电回路的通断。本发明通过设计被动式均衡电路，配合合适的均衡策略，提高电容组整体性能，提高电容使用率，延长电容组使用寿命。本发明的均衡方案简单、可靠、抗干扰能力强。借助串行通讯模块，大大节省控制器引脚资源。

Description

多并串超级电容系统均衡方法

技术领域

本发明涉及电容均衡相关技术领域，特别是一种多并串超级电容系统均衡方法。

背景技术

超级电容作为辅助电源应用在电动汽车和智能电网储能系统上，由于单体电容在制造过程中存在差异（制造工艺、筛选工艺、配组方法等），使用过程中，成组的单体电容之间不一致性会逐渐表现出来，在不加外部措施的条件下，不一致性会越来越大，进而会影响到电容系统的整体性能进一步下降。

超级电容在车辆或智能电站中使用时，电容管理系统一般不具备电容均衡功能，只是完成电容状态数据的采集和对电容系统做相应的充放电保护控制及管理，部分电容管理系统直接使用电池管理系统作为替代品，其均衡功能主要控制均衡开关导通，基于容量的基础上，在充电过程中对容量偏高的单体电容放电。这种均衡系统，电路没有进行隔离处理，容易受干扰产生均衡失效及对控制系统造成损坏；每个开关管的控制由一个引脚独立控制，造成控制器资源较大的浪费。均衡只选择在每次充电期间开启，均衡效率不高。

超级电容器具有很高的功率密度，非常短的充放电时间，极长的循环寿命以及高可靠性，作为辅助能源在混合能源电动汽车和智能电网的储能系统中的应用将越来越得到重视；实际使用中，需要大量单体电容进行串并联组合。由于单体电容的制造过程存在各种各样的差别，即使每块电池都是优中选优，使用过程中，电容的之间不一致还是会逐渐表现出来，在不加外部措施的条件下，不一致性会越来越大，进而会影响到电容系统的整体性能进一步下降。

发明内容

本发明提供一种多并串超级电容系统均衡方法，以解决现有技术没有对超级电容配合合适的均衡策略，超级电容的整体性能较低的技术问题。

采用的技术方案如下：

一种多并串超级电容系统均衡方法，所述超级电容由多个单体电容通过串联和/或并列方式组合而成：

所述系统包括：

超级电容和控制器，在每个单体电容两端分别并联一个放电电阻，每个放电电阻串联一个开关模块，每个开关模块与控制器连接，受控制器控制导通或截止，从而控制放电回路的通断；

所述方法包括：

步骤11，控制器采集各个单体电容两端的电压，确定超级电容中的有效电容，计算超级电容中有效电容的平均电压，根据有效电容的电压分布，记录需要均衡的单体电容，把与需要均衡的单体电容连接的开关模块的位置记录为均衡位置，执行步骤12；

步骤12，根据需要均衡的单体电容的电压与超级电容中有效电容的平均电压的差别，计算并记录每个需要均衡的单体电容需要的均衡时间，执行步骤13，其中，根据容量=电流对时间的积分，可以计算均衡时间；

步骤13，控制器根据均衡位置计算均衡信号，在预先计算的均衡方波周期起始时间，串行输出均衡信号，导通需要均衡的单体电容所对应的开关模块，对需要均衡的单体电容实施均衡控制，执行步骤14；

步骤14，在均衡方波周期内，当其中一个单体电容的均衡时间到达以后，修改均衡信号，截止需要均衡的单体电容所对应的开关模块，重复执行步骤14，直到到达均衡方波周期结束时间，执行步骤15，其中均衡方波周期根据实际工况调整；

步骤15，重复执行步骤11，直到所有有效电容在预设的均衡阀值内。

上述方法中利用电压采集线对电容进行放电均衡，从机控制器控制均衡回路的通断，均衡电流大小由电容外电压和放电电阻的阻值决定。

超级电容的SOC-OCV曲线近似为线性，SOC在0%-100%区间范围内开路电压基本是线性递增的，因此可以采用实时电压检测方式判断出电容单体之间的容量差异，对其进行均衡操作；配合脉宽调制的模式，扩大通断方波的周期，使电容电压得到充分静止后，再进行电压差异判断，提高均衡的效率。

进一步的，所述开关模块为场效应管。

进一步的，所述每个开关模块与控制器之间均设有隔离模块。

更进一步的，多个隔离模块与控制器之间还设有一个串行转换模块，多个隔离模块均与一个串行转换模块连接。

隔离模块提高了均衡电路的抗干扰性，串行转换模块提高了控制器引脚的利用率。

进一步的，所述步骤11中，确定超级电容中的有效电容采用如下方法：超级电容中的电压在预设的有效电压阈值范围内的单体电容为有效电容，或者电容在使用寿命以内的单体电容为有效电容。

进一步的：

所述控制器还包括：主板模块和从板模块；

所述步骤11具体包括：

主板模块向从板模块发送均衡判断命令，从板模块接收到均衡判断命令后，从板模块采集各个单体电容两端的电压，确定超级电容中的有效电容，计算超级电容中有效电容的平均电压，根据有效电容的电压分布，记录需要均衡的单体电容，把与需要均衡的单体电容连接的开关模块的位置记录为均衡位置，执行步骤12；

所述步骤12具体包括：

从板模块根据需要均衡的单体电容的电压与超级电容中有效电容的平均电压的差别，计算并记录每个需要均衡的单体电容需要的均衡时间，从板模块向主板模块发送均衡判断完成信息，执行步骤13；

步骤13具体包括：

主板模块接收到均衡判断完成信息，向从板模块发送均衡执行命令，从板模块接收到均衡执行命令后，从板模块根据均衡位置计算均衡信号，在预先计算的均衡方波周期起始时间，串行输出均衡信号，导通需要均衡的单体电容所对应的开关模块，对需要均衡的单体电容实施均衡控制，执行步骤14；

步骤14具体包括：

从板模块在均衡方波周期内，当其中一个单体电容的均衡时间到达以后，修改均衡信号，截止需要均衡的单体电容所对应的开关模块，重复执行步骤14，直到到达均衡方波周期结束时间，从板模块向主板模块发送均衡执行完成信息，执行步骤15；

步骤15具体包括：

主板模块接收到均衡执行完成信息，重复执行步骤11，直到所有有效电容在预设的均衡阀值内。

本发明通过设计被动式均衡电路，配合合适的均衡策略，提高电容组整体性能，提高电容使用率，延长电容组使用寿命。本发明的均衡方案简单、可靠、抗干扰能力强。借助串行通讯模块，大大节省控制器引脚资源。同时本发明的均衡方案效率高，均衡效果好。本均衡策略采用脉宽调制模式，全天候对需要均衡电容进行控制，大大提高均衡效率，得到较好的均衡效果。

附图说明

图1为本发明实施例的系统拓扑图。

图2为本发明实施例的控制器的模块结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

如图1所述为本发明实施例的系统拓扑图。所述超级电容由多个单体电容通过串联和/或并列方式组合而成，所述系统包括：

超级电容和控制器，在每个单体电容1n（n=1,2,3,…）两端分别并联一个放电电阻，每个放电电阻串联一个场效应管2n（n=1,2,3,…），每个场效应管2n与隔离模块3n（n=1,2,3,…）连接，所有的隔离模块3n依次与串行转换模块4和控制器5连接，场效应管2n受控制器5控制导通或截止，从而控制放电回路的通断。

如图2所示为本发明实施例的控制器5的模块结构图，包括主板模块21和从板模块22。

本发明实施例的方法流程：

步骤S301，主板模块21向从板模块22发送均衡判断命令，从板模块22接收到均衡判断命令后，从板模块22采集各个单体电容两端的电压，确定超级电容中的有效电容，计算超级电容中有效电容的平均电压，根据有效电容的电压分布，记录需要均衡的单体电容，把与需要均衡的单体电容连接的开关模块的位置记录为均衡位置，执行步骤S302；

确定超级电容中的有效电容采用如下方法：超级电容中的电压在预设的有效电压阈值范围内的单体电容，，或者电容在使用寿命以内的单体电容均为有效电容；

步骤S302，从板模块22根据需要均衡的单体电容的电压与超级电容中有效电容的平均电压的差别，计算并记录每个需要均衡的单体电容需要的均衡时间，从板模块22向主板模块21发送均衡判断完成信息，执行步骤S303；

步骤S303，主板模块21接收到均衡判断完成信息，向从板模块22发送均衡执行命令，从板模块22接收到均衡执行命令后，从板模块22根据均衡位置计算均衡信号，在预先计算的均衡方波周期起始时间，串行输出均衡信号，导通需要均衡的单体电容所对应的场效应管，对需要均衡的单体电容实施均衡控制，执行步骤S304；

步骤S304，从板模块22在均衡方波周期内，当其中一个单体电容的均衡时间到达以后，修改均衡信号，截止需要均衡的单体电容所对应的场效应管，重复执行步骤14，直到到达均衡方波周期结束时间，从板模块22向主板模块21发送均衡执行完成信息，执行步骤S305；

步骤S305，主板模块21接收到均衡执行完成信息，重复执行步骤S301，直到所有有效电容在预设的均衡阀值内。

作为一个例子，超级电容包括8节电池，每节电池即上述的单体电容。

执行步骤S301，主板模块21向从板模块22发送均衡判断命令，从板模块22接收到均衡判断命令后，从板模块22采集各节电池两端的电压，确定超级电容中的有效电容，计算超级电容中有效电容的平均电压，根据有效电容的电压分布，确定其中的第1、3、5节电池需要均衡，把与需要均衡的每节电池连接的开关模块的位置记录为均衡位置；

执行步骤S302，从板模块22根据需要均衡的每节电池的电压与超级电容中有效电容的平均电压的差别，确定第1、3、5节电池的均衡时间，从板模块22向主板模块21发送均衡判断完成信息；

执行步骤S303，主板模块21接收到均衡判断完成信息，向从板模块22发送均衡执行命令，从板模块22接收到均衡执行命令后，从板模块22根据均衡位置计算均衡信号，在预先计算的均衡方波周期起始时间，串行输出均衡信号00010101，均衡信号的每一位对应一节电池，“1”表示导通，“0”表示截止，导通场效应管21、23和25，对第1、3、5节电池实施均衡控制；

步骤S304，从板模块22在均衡方波周期内，当第1节每节电池的均衡时间到达以后，修改均衡信号为00010100，截止场效应管21，当第3节每节电池的均衡时间到达以后，修改均衡信号为00010000，截止场效应管23，当第5节每节电池的均衡时间到达以后，修改均衡信号为00000000，直到到达均衡方波周期结束时间，从板模块22向主板模块21发送均衡执行完成信息，执行步骤S305；

步骤S305，主板模块21接收到均衡执行完成信息，重复执行步骤S301，直到所有有效电容在预设的均衡阀值内。

Claims (5)

1.一种多并串超级电容系统均衡方法，所述超级电容由多个单体电容通过串联和/或并列方式组合而成，其特征在于：

所述系统包括：

超级电容和控制器，在每个单体电容两端分别并联一个放电电阻，每个放电电阻串联一个开关模块，每个开关模块与控制器连接，受控制器控制导通或截止，从而控制放电回路的通断；

所述方法包括：

步骤（11），控制器采集各个单体电容两端的电压，确定超级电容中的有效电容，计算超级电容中有效电容的平均电压，根据有效电容的电压分布，记录需要均衡的单体电容，把与需要均衡的单体电容连接的开关模块的位置记录为均衡位置，执行步骤（12）；

步骤（12），根据需要均衡的单体电容的电压与超级电容中有效电容的平均电压的差别，计算并记录每个需要均衡的单体电容需要的均衡时间，执行步骤（13）；

步骤（13），控制器根据均衡位置计算均衡信号，在预先计算的均衡方波周期起始时间，串行输出均衡信号，导通需要均衡的单体电容所对应的开关模块，对需要均衡的单体电容实施均衡控制，执行步骤（14）；

步骤（14），在均衡方波周期内，当其中一个单体电容的均衡时间到达以后，修改均衡信号，截止需要均衡的单体电容所对应的开关模块，重复执行步骤（14），直到到达均衡方波周期结束时间，执行步骤（15）；

步骤（15），重复执行步骤（11），直到所有有效电容在预设的均衡阀值内；

所述控制器还包括：主板模块和从板模块；

所述步骤（11）具体包括：

主板模块向从板模块发送均衡判断命令，从板模块接收到均衡判断命令后，从板模块采集各个单体电容两端的电压，确定超级电容中的有效电容，计算超级电容中有效电容的平均电压，根据有效电容的电压分布，记录需要均衡的单体电容，把与需要均衡的单体电容连接的开关模块的位置记录为均衡位置，执行步骤（12）；

所述步骤（12）具体包括：

从板模块根据需要均衡的单体电容的电压与超级电容中有效电容的平均电压的差别，计算并记录每个需要均衡的单体电容需要的均衡时间，从板模块向主板模块发送均衡判断完成信息，执行步骤（13）；

步骤（13）具体包括：

主板模块接收到均衡判断完成信息，向从板模块发送均衡执行命令，从板模块接收到均衡执行命令后，从板模块根据均衡位置计算均衡信号，在预先计算的均衡方波周期起始时间，串行输出均衡信号，导通需要均衡的单体电容所对应的开关模块，对需要均衡的单体电容实施均衡控制，执行步骤（14）；

步骤（14）具体包括：

从板模块在均衡方波周期内，当其中一个单体电容的均衡时间到达以后，修改均衡信号，截止需要均衡的单体电容所对应的开关模块，重复执行步骤（14），直到到达均衡方波周期结束时间，从板模块向主板模块发送均衡执行完成信息，执行步骤（15）；

步骤（15）具体包括：

主板模块接收到均衡执行完成信息，重复执行步骤（11），直到所有有效电容在预设的均衡阀值内。

2.根据权利要求1所述的多并串超级电容系统均衡方法，其特征在于，所述开关模块为场效应管。

3.根据权利要求1所述的多并串超级电容系统均衡方法，其特征在于，所述每个开关模块与控制器之间均设有隔离模块。

4.根据权利要求3所述的多并串超级电容系统均衡方法，其特征在于，多个隔离模块与控制器之间还设有一个串行转换模块，多个隔离模块均与一个串行转换模块连接。

5.根据权利要求1所述的多并串超级电容系统均衡方法，其特征在于，所述步骤（11）中，确定超级电容中的有效电容采用如下方法：超级电容中的电压在预设的有效电压阈值范围内的单体电容为有效电容，或者电容在使用寿命以内的单体电容为有效电容。