CN103376375A - 电容组内部连接方式辨识与参数设置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容组内部连接方式辨识方法，利用自动检测或人工设置获取的电容单体或模块数量N和通过对电容组进行充放电获取的电容组总电容C对电容组内部电容单体或模块的连接方式进行辨识，并据此实现对所述电容组工作电压和工作电流的自动设置。本发明的电容组内部连接方式自动辨识方法可以实现对内部电容单体或模块数量和/或连接方式更改后的电容组内部连接方式的自动识别和对相关控制参数的自动设置、无需现场操作、及时记录电容组内部电容单体或模块数量和/或连接方式变化以及电容组总电容变化时的相关信息。

Description

电容组内部连接方式辨识与参数设置方法

技术领域

本发明涉及由多个电容单体或模块串并联组成的电容组，具体涉及一种适用于由多个电容单体或模块串并联组成的电容组内部连接方式的辨识方法。

背景技术

近年来，以超级电容为代表的大容量电容作为储能装置能够在四象限运行的电机传动系统可以存储电机再生运行时产生的再生能量并可在电机电动运行时提供所储存的再生能量，可以降低电能消耗、削减功率峰值、用作应急电源等，因此在电梯、起重机、电动车等行业中的应用逐步扩大，如：中国发明专利授权说明书CN1984831B(申请号：CN200580023344.3，授权日：2010年12月08日)和中国发明专利申请说明书CN101817471A(申请号：CN201010156180.4，公开日：2010年09月01日)。

对于应用者而言，其实际应用的电容通常是由多个电容单体或模块构成的电容组，每个电容单体或模块都有其额定容量、额定电压及额定电流，这样在应用电容组时须确保施加在电容组上的电压与电流在各个电容单体或模块上所产生的电压和电流不超过每个电容单体或模块的额定电压及额定电流，从而保证整个电容组的安全。由于能够施加于电容组上的安全电压和电流与每个电容单体或模块的额定容量、额定电压及额定电流以及各个电容单体或模块的连接方式和数量密切相关，而在工程实践中每个电容单体或模块的额定容量、额定电压及额定电流通常是已知的，电容单体或模块的连接方式和数量则会在一定场合中发生变化，如应用于电梯的电容组可能会根据电梯的实际客流情况通过增减电容单体或模块的数量来调整电容组的容量，此时就需要对系统中电容组的相关参数进行修改。

对于电容组相关参数的修改，可以采用在相关软件中进行直接修改、然后将编译后的软件重新烧写处理器(如DSP、MCU等)方式实现，但该修改方式存在操作步骤繁琐、花费时间长、对操作人员要求较高、不利于现场操作及软件权限管理等缺点。

另外，对于使用中的电容组，电容组的电容单体或模块数量和实际电容可能会发生变化：一种是因为电容单体或模块的失效而导致电容组的实际电容量发生变化并进而导致系统异常，这种情况通常会影响电容组的实际功能，需要进行及时处理以避免产生事故的发生，另一种则是由外界因素导致电容组的电容量和/或电容单体或模块数量发生变化，如电容单体或模块间的接线松动等导致的连接断开，或是因部分电容单体或模块数量的人为改变等，这种情况电容组并未出现异常且在修改相关参数后系统可正常实现其原有功能，但通常希望对该变化进行记录已备查阅。不论是出现上述哪种变化，都需要对电容组的内部电容单体或模块的连接和数量进行自动辨识，并进而对相关参数进行自动设置。

因此，开发一种能够对电容组内部电容单体或模块数量和连接方式进行自动辨识并进而自动设置其相关参数、同时克服现场修改方式存在的操作步骤繁琐、花费时间长、对操作人员要求较高、不利于现场操作及软件权限管理等缺点的电容组内部连接方式辨识与参数设置方法就成为一个有待解决的重要问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够对电容组内部电容单体或模块数量和连接方式进行自动辨识并进而自动设置其相关参数的电容组内部连接方式辨识与参数设置方法，该方法能够克服现场修改方式存在的操作步骤繁琐、花费时间长、对操作人员要求较高、不利于现场操作及软件权限管理等缺点，同时还能够辨识电容组内部电容单体或模块是否出现异常和数量是否出现变化。

为达到上述目的，本发明的电容组内部连接方式辨识与参数设置方法的技术方案为：利用组成所述电容组的电容单体或模块数量N和总电容C对所述电容组内部电容单体或模块的连接方式进行辨识，所述电容单体或模块数量N是通过采用自动检测各个电容单体或模块的监控信号、人工设置和参数写入中的任意一种方式来得到所述电容单体或模块的数量N，所述电容组的总电容C是在对所述电容组进行充放电并检测到其端电压变化量的基础上通过计算得到所述电容组的总电容C，所述辨识方法对于所述电容组内部电容单体或模块连接方式的辨识步骤包括：S1、穷举乘积等于所述电容单体或模块数量N的所有可能的串联数S与并联数P的组合；S2、计算对应每一种组合的连接方式的所述电容组的计算总电容C_k，k∈[1，m]，其中m为所述电容单体或模块数量N的串联数S与并联数P的所有可能组合的数量；S3、比较步骤S2得到的所述电容组的计算总电容C_k和所述电容组的总电容C，并找出与所述总电容C最接近的所述电容组的计算总电容C_j；S4、根据与所述总电容C最接近的所述电容组的计算总电容C_j确定所述电容组的串联数S与并联数P组合。所述辨识方法对所述电容组内部电容单体或模块连接方式进行辨识的规律为：S’＝(N×C₀/C)^1/2，S＝Round(S’)，P＝N/S，或者P’＝(N×C/C₀)^1/2，P＝Round(P’)，S＝N/P，其中S和P分别是所述电容组的串联数和并联数，C和C₀分别是所述电容组的总电容和所述电容单体或模块的额定电容，Round(*)为取整函数。在所述电容组内部连接方式辨识与参数设置方法辨识出所述电容组的串联数S与并联数P组合后，还可进一步对所述电容组工作电压和工作电流进行设置：U＝U₀·S，I＝I₀·P，其中U和I分别是所述电容组的工作电压和工作电流，U₀和I₀分别是所述电容组内部电容单体或模块的额定工作电压和额定工作电流；当所述计算总电容C_j与所述总电容C之差大于某一阈值时，则判定所述电容组异常，生成异常信号；当S与S’的差值和/或P与P’的差值大于某一阈值时，或者P与S中任意一个为非整数时，则判定所述电容组异常，生成异常信号；当所述电容组的总电容C的本次结果与上次结果之差大于某一阈值且所述电容单体或模块数量N不变或所述电容组的总电容C的本次结果与上次结果之差不大于某一阈值且所述电容单体或模块数量N变化时，则判定所述电容组异常，生成异常信号；当所述电容组的总电容C的本次结果与上次结果之差大于某一阈值且所述电容单体或模块数量N发生变化时，基于变化后的所述电容组的总电容C和所述电容单体且模块数量N，采取如下方式作进一步判断：方式1：采取权利要求4所述步骤1～3得到与所述总电容C最接近的所述电容组的计算总电容C_j，若所述计算总电容C_j与所述总电容C之差不大于某一阈值，则判定所述电容组的单体或模块数量发生变化、功能正常，并利用权利要求4所述步骤4重新确定所述电容组的串联数S与并联数P组合，基于新的串联数S与并联数P重新设置所述电容组工作电压和工作电流，否则判定所述电容组异常，生成异常信号；方式2：采取权利要求5所述规律计算S、S’和P或P、P’和S，若S与S’的差值和/或P与P’的差值不大于某一阈值且P与S均为整数，则判定所述电容组的单体或模块数量发生变化、功能正常，并基于计算出的串联数S与并联数P重新设置所述电容组工作电压和工作电流，否则判定所述电容组异常，生成异常信号。所述阈值为预先设定的恒定常值，或是根据所述电容组的端电压检测精度、所述电容单体或模块数量N和所述电容组的总电容C中的一种或多种而变化的变量；当判定结果为所述电容组的单体或模块数量发生变化、功能正常时，记录所述电容组的单体或模块数量、连接方式、串联数S与并联数P、总电容C中的一项或多项的当前及上次辨识结果，或进一步记录上次与本次辨识的日期与时间。

本发明可以达到的有益效果为：

a)自动辨识电容组内部电容单体或模块数量和/或连接方式的变化；

b)在电容组内部电容单体或模块数量和/或连接方式发生变化自动对电容组相关参数进行设置；

c)有效克服现场修改方式存在的操作步骤繁琐、花费时间长、对操作人员要求较高、不利于现场操作及软件权限管理等缺点；

d)有效辨识电容组内部电容单体或模块是否出现异常和数量是否出现变化；

e)及时记录电容组内部电容单体或模块数量和/或连接方式变化以及电容组总电容变化时的相关信息。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明的电容组内部连接方式辨识与参数设置方法所应用电容组的一种拓扑结构图；

图2是本发明的电容组内部连接方式辨识与参数设置方法所应用电容组的另一种拓扑结构图。

图3是本发明的电容组内部连接方式辨识与参数设置方法的一示意性实施流程图。

具体实施方式

在实际应用中，电容组都是由相同规格的电容单体或模块经串并联组合而成，其拓扑结构通常可分为如图1所示的先串联后并联结构方式和如图2所示的先并联后串联结构方式。由图1和图2可知，电容组的串联数S、并联数P和电容单体或模块数量N则满足如下条件：

N＝P·S    (1)

由电容串并联计算公式可得到电容组的总电容量C为：

C＝C₀·P/S    (2)

其中，C₀为电容组的电容单体或模块数量的电容。

本发明的电容组内部连接方式辨识与参数设置方法同时适用于上述说明中的、如图1或图2所示拓扑结构的电容组。

实施例一

本发明的电容组内部连接方式辨识与参数设置方法的核心在于利用组成所述电容组的电容单体或模块数量N和总电容C对所述电容组内部电容单体或模块的连接方式进行辨识，并在基于辨识结果进行相关参数的自动设定、确定所述电容组的电容单体或模块数量N和总电容C变化原因以及记录变化发生前后的相关信息，其实施过程包括如下内容：

√获取所述电容组的电容单体或模块数量N。

根据所述电容组的电容单体或模块是否具备监控信号，其电容单体或模块数量N的获取可以采取如下方式中的任意一种：

方式1：对于构成电容组的电容单体或模块，为了保证使用安全，通常都会提供监控信号供控制系统，设计良好的控制系统会监控每一个电容单体或模块，如最常用的温度监控信号，该信号通常由一个温敏电阻产生，经过适当处理后即可得到相应电容单体或模块的温度。控制系统通过监控各个电容单体或模块的温度监控信号即可辨识出电容组的电容单体或模块数量N；

方式2：对于没有提供监控信号的电容单体或模块，可采用手动输入方式(如：跨接设置、拨码盘等)、通信设置等方式使控制系统获取数量N。

√计算电容组容量C

对电容组进行充电或放电，对充放电电流进行积分的同时记录电容组的端电压变化量ΔU，然后利用下式计算电容组的总电容C：

$C=\frac{1}{\mathrm{\ΔU}}\∫\mathrm{idt}---\left(3\right)$

式中i为流经电容组的电流。

需要指出的是，在进行上述电容组的充电或放电时，除了按照电容组的常规方式进行充放电外，还可以采用固定时间间隔、固定充放电电流或固定电压变化量这三种方式中的任意一种或多种进行充放电控制，藉此提高检测精度，进而提高电容组C的计算结果精确度。

在充放电结束后按照式(3)计算可得到电容组的总电容量C。为提高电容组C的计算结果精确度，还可以重复进行上述充放电过程，并利用得到的多次检测结果多次计算之后以其平均值作为最终的电容组C。

√计算串联数S与并联数P

利用上述步骤中得到的电容单体或模块数量N和总电容量C，依照如下两种方法中的任意一种计算电容组的串联数S与并联数P：

方法1：

由式(1)(2)相除得到：

$\frac{N}{C}=\frac{S^2}{C_0}---\left(4\right)$

经整理，可得：

S’＝(N·C₀/C)^1/2    (5)

将S’进行如下取整运算后得电容组的串联数S：

S＝Round(S’)    (6)

结合式(1)与(6)可得到电容组的并联数P：

P＝N/S    (7)

方法2：

参照方法1，很容易得到如下电容组的串联数S与并联数P：

P’＝(N·C/C₀)^1/2，P＝Round(P’)，S＝N/P    (8)

√电容组工作状态的辨识

根据组成电容组的电容单体或模块及其连接情况，可将电容组的工作状态分为如下三种：

状态a、电容单体或模块及其连接正常，电容单体或模块数量N和电容组的总电容C保持不变，称之为系统正常；

状态b、组成电容组的一个或多个电容单体或模块失效和/或其连接出现异常(如短路、断路等)和/或监控信号或其至控制系统的信号传输出现异常，表现为辨识出的电容单体或模块数量N不变但电容组的总电容C发生变化或电容单体或模块数量N发生变化但电容组的总电容C不变或电容单体或模块数量N和电容组的总电容C同时发生变化但二者间不匹配，将该种因系统出现异常而导致的情况称之为系统异常；

状态c、组成电容组的各个电容单体或模块功能及其连接正常，但因某种原因而对其电容单体或模块进行了增加或减少，从而导致其数量N和总电容量C都发生变化，但变化后的数量N与总电容量C相匹配，将该种情况称之为数量发生变化、功能正常。

上述状态中的“变化”的判定可以采用当前结果与上次结果之差与某阈值间的大小关系来实现。

电容组的电容单体或模块数量N与总电容量C是否匹配的判定方法为：当按照式(5)～式(8)重新计算S、S’和P或P、P’和S，若S与S’的差值和/或P与P’的差值不大于某一阈值且P与S均为整数时，判定电容组的电容单体或模块数量N与总电容量C相匹配，否则判定为不匹配。

在上述电容组工作状态中，只要辨识出的电容单体或模块数量N和电容组的总电容C保持不变，即可判定系统正常，处于状态a，下面重点说明对于状态b和状态c的判定方法。对于状态b和状态c的判定，可采取如下方法中的一种或多种：

方法1：当S与S’的差值和/或P与P’的差值大于某一阈值时，或者P与S中任意一个为非整数时，则判定所述电容组异常，生成异常信号。

方法2：当所述电容组的总电容C的本次结果与上次结果之差大于某一阈值且所述电容单体或模块数量N不变，或所述电容组的总电容C的本次结果与上次结果之差不大于某一阈值且所述电容单体或模块数量N变化时，则判定所述电容组异常，生成异常信号。

方法3：当所述电容组的总电容C的本次结果与上次结果之差大于某一阈值且所述电容单体或模块数量N发生变化时，基于变化后的所述电容组的总电容C和所述电容单体且模块数量N相匹配，则判定所述电容组处于状态c，否则处于状态b，生成异常信号。

上述阈值为预先设定的恒定常值，或是根据所述电容组的端电压检测精度、所述电容单体或模块数量N和所述电容组的总电容C中的一种或多种而变化的变量。

√参数计算与设置

在所述电容组内部连接方式辨识与参数设置方法辨识出所述电容组的串联数S与并联数P组合后，如果判定电容组处于工作状态c，则按照下式对所述电容组工作电压和工作电流进行设置：

U＝U₀·S，I＝I₀·P

其中U和I分别是所述电容组的工作电压和工作电流，U₀和I₀分别是所述电容组内部电容单体或模块的额定工作电压和额定工作电流。

需要指出的是，在进行电容组的工作电压电流参数U与I的设置时，除了要考虑电容组内部电梯单体或模块的数量和连接方式外，还应考虑系统的在其他限制条件，如电容组的充放电电路的电气容量等。

√相关信息记录

当电容组发生变化(如单体或模块数量N、总电容C、连接方式等)时，控制系统记录所述电容组的单体或模块数量、连接方式、串联数S与并联数P、总电容C中的一项或多项的当前及上次辨识结果，或进一步记录上次与本次辨识的日期与时间，以便用于对电容组更改情况的检查等。

图3所示为实施例一所述的本发明的电容组内部连接方式辨识与参数设置方法的一示意性实施流程图，主要包括如下步骤：

Step1：在实施时，首先需要获取电容组的单体或模块数量N和总电容C；

Step2：判断电容组的单体或模块数量N是否发生变化，如果电容组的单体或模块数量N没有发生变化，转入Step3，否则转入Step5；

Step3：判断电容组的总电容C是否发生变化，如果电容组的总电容C没有发生变化，转入Step4，否则转入Step6；

Step4：判定电容组处于状态a，即系统正常；

Step5：判断电容组的总电容C是否发生变化，如果电容组的总电容C没有发生变化，转入Step6，否则转入Step8；

Step6：判定电容组处于状态b，即系统异常，转入Step7；

Step7：采取必要应对措施，转入Step12；

Step8：基于新参数N和C计算串联数S与并联数P；

Step9：判断电容组的单体或模块数量N与总电容C是否匹配，如果电容组的单体或模块数量N与总电容C匹配，转入Step10，否则转入Step6；

Step10：判定电容组处于状态c，即电容组的单体或模块数量N发生变化、功能正常，转入Step11；

Step11：基于新的电容组的串联数S与并联数P重新设置电容组的相关参数，转入Step12；

Step12：相关信息记录。

实施例二

实施例二与实施例一的电容组内部连接方式辨识与参数设置方法相似，二者的区别在于电容组的串联数S与并联数P的计算方法和电容组的电容单体或模块数量N与总电容量C匹配与否的判定方法。

下面仅就实施例二与实施例一的不同处加以说明。

本实施例中，在已知电容组的电容单体或模块数量N与总电容量C的情况下，串联数S与并联数P的计算方法如下：

S1、穷举乘积等于所述电容单体或模块数量N的所有可能的串联数S与并联数P的组合；

S2、计算对应每一种组合的连接方式的所述电容组的计算总电容C_k，k∈[1，m]，其中m为所述电容单体或模块数量N的串联数S与并联数P的所有可能组合的数量；

S3、比较步骤S2得到的所述电容组的计算总电容C_k和所述电容组的总电容C，并找出与所述总电容C最接近的所述电容组的计算总电容C_j；

S4、根据与所述总电容C最接近的所述电容组的计算总电容C_j确定所述电容组的串联数S与并联数P组合。

本实施例中，电容组的电容单体或模块数量N与总电容量C是否匹配的判定方法为：当所述计算总电容C_j与所述总电容C之差不大于某一阈值时，判定电容组的电容单体或模块数量N与总电容量C相匹配，否则判定为不匹配。所述阈值为预先设定的恒定常值，或是根据所述电容组的端电压检测精度、所述电容单体或模块数量N和所述电容组的总电容C中的一种或多种而变化的变量。

Claims (13)

1.一种电容组内部连接方式辨识与参数设置方法，其特征在于，利用组成所述电容组的电容单体或模块数量N和总电容C对所述电容组内部电容单体或模块的连接方式进行辨识。

2.根据权利要求1所述电容组内部连接方式辨识与参数设置方法，其特征在于，所述电容单体或模块数量N是通过采用自动检测各个电容单体或模块的监控信号、人工设置和参数写入中的任意一种方式来得到所述电容单体或模块的数量N。

3.根据权利要求1所述电容组内部连接方式辨识与参数设置方法，其特征在于，所述电容组的总电容C是在对所述电容组进行充放电并检测到其端电压变化量的基础上通过计算得到所述电容组的总电容C。

4.根据权利要求1所述电容组内部连接方式辨识与参数设置方法，其特征在于，所述辨识方法对于所述电容组内部电容单体或模块连接方式的辨识包括如下步骤：

S1、穷举乘积等于所述电容单体或模块数量N的所有可能的串联数S与并联数P的组合；

S2、计算对应每一种组合的连接方式的所述电容组的计算总电容C_k，k∈[1，m]，其中m为所述电容单体或模块数量N的串联数S与并联数P的所有可能组合的数量；

S3、比较步骤S2得到的所述电容组的计算总电容C_k和所述电容组的总电容C，并找出与所述总电容C最接近的所述电容组的计算总电容C_j；

S4、根据与所述总电容C最接近的所述电容组的计算总电容C_j确定所述电容组的串联数S与并联数P组合。

5.根据权利要求1所述电容组内部连接方式辨识与参数设置方法，其特征在于，所述述辨识方法依照如下规律对所述电容组内部电容单体或模块连接方式进行辨识：

S’＝(N·C₀/C)^1/2，S＝Round(S’)，P＝N/S，或者

P’＝(N·C/C₀)^1/2，P＝Round(P’)，S＝N/P

其中S和P分别是所述电容组的串联数和并联数，C和C₀分别是所述电容组的总电容和所述电容单体或模块的额定电容，Round(*)为取整函数。

6.根据权利要求4或5所述电容组内部连接方式辨识与参数设置方法，其特征在于，在所述电容组内部连接方式辨识与参数设置方法辨识出所述电容组的串联数S与并联数P组合后，还可进一步对所述电容组工作电压和工作电流进行设置：U＝U₀·S，I＝I₀·P，其中U和I分别是所述电容组的工作电压和工作电流，U₀和I₀分别是所述电容组内部电容单体或模块的额定工作电压和额定工作电流。

7.根据权利要求4所述电容组内部连接方式辨识与参数设置方法，其特征在于，当所述计算总电容C_j与所述总电容C之差大于某一阈值时，则判定所述电容组异常，生成异常信号。

8.根据权利要求5所述电容组内部连接方式辨识与参数设置方法，其特征在于，当S与S’的差值和/或P与P’的差值大于某一阈值时，或者P与S中任意一个为非整数时，则判定所述电容组异常，生成异常信号。

9.根据权利要求所述电容组内部连接方式辨识与参数设置方法，其特征在于，所述电容组的总电容C是在对所述电容组进行充放电并检测到其端电压变化量的基础上通过计算得到所述电容组的总电容C；

当所述电容组的总电容C的本次计算结果与上次计算结果之差大于某一阈值且所述电容单体或模块数量N不变或所述电容组的总电容C的本次计算结果与上次计算结果之差不大于某一阈值且所述电容单体或模块数量N变化时，则判定所述电容组异常，生成异常信号。

10.根据权利要求4所述电容组内部连接方式辨识与参数设置方法，其特征在于，当所述电容组的总电容C的本次结果与上次结果之差大于某一阈值且所述电容单体或模块数量N发生变化时，基于变化后的所述电容组的总电容C和所述电容单体且模块数量N，采取所述步骤1～3得到与所述总电容C最接近的所述电容组的计算总电容C_j，若所述计算总电容C_j与所述总电容C之差不大于某一阈值，则判定所述电容组的单体或模块数量发生变化、功能正常，并利用权利要求4所述步骤4重新确定所述电容组的串联数S与并联数P组合，基于新的串联数S与并联数P重新设置所述电容组工作电压和工作电流，否则判定所述电容组异常，生成异常信号。

11.根据权利要求5所述电容组内部连接方式辨识与参数设置方法，其特征在于，当所述电容组的总电容C的本次结果与上次结果之差大于某一阈值且所述电容单体或模块数量N发生变化时，基于变化后的所述电容组的总电容C和所述电容单体且模块数量N，

采取所述规律计算S、S’和P或P、P’和S，若S与S’的差值和/或P与P’的差值不大于某一阈值且P与S均为整数，则判定所述电容组的单体或模块数量发生变化、功能正常，并基于计算出的串联数S与并联数P重新设置所述电容组工作电压和工作电流，否则判定所述电容组异常，生成异常信号。

12.根据权利要求7至11中任何一项所述电容组内部连接方式辨识与参数设置方法，其特征在于，所述阈值为预先设定的恒定常值，或是根据所述电容组的端电压检测精度、所述电容单体或模块数量N和所述电容组的总电容C中的一种或多种而变化的变量。

13.根据权利要求2或3所述电容组内部连接方式辨识与参数设置方法，其特征在于，当所述电容组的总电容C和/或其单体或模块数量N发生变化时，记录变化发生前后的所述电容组的单体或模块数量、连接方式、串联数S与并联数P、总电容C中的一项或多项，或进一步记录变化发生前后的日期与时间。

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