CN104300685B - 一种大规模超级电容储能模块监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大规模超级电容储能模块监控系统，用于对超级电容器进行监控管理，所述的监控系统包括电量采集模块、保护与报警模块、电压均衡模块和下位机控制模块，所述的超级电容器、电量采集模块、电压均衡模块和下位机控制模块依次连接，所述的保护与报警模块分别连接超级电容器和下位机控制模块；电量采集模块采集超级电容器的状态信号，下位机控制模块根据接收到的状态信号发送相应的控制信号控制保护与报警模块或电压均衡模块动作。与现有技术相比，本发明可实时监控超级电容工作状态，为大规模超级电容模块的使用对象提供更详细的数据参考，提高了超级电容模块的安全性和可靠性。

Description

一种大规模超级电容储能模块监控系统

技术领域

本发明涉及一种储能元件管理系统，尤其是涉及一种大规模超级电容储能模块监控系统。

背景技术

随着能源危机和环境恶化问题的不断加剧，世界各国开始大力发展太阳能和风能等可再生清洁能源的开发与利用技术。由于此类能源具有波动性大和不连续的特点，因此需要以先进的电能存储技术作为支撑。在此背景下，各种电能存储器件如：锂离子电池、飞轮电池、超导电磁线圈和电化学超级电容器等受到研究者的广泛重视。其中，电化学超级电容器因具有功率密度大、工作温度范围宽、循环寿命长等优点，在可再生清洁能源发电、电压补偿、电动汽车节能运行和城市轨道交通制动能量回收等领域具有广阔的应用前景。

由于超级电容器单体电压较低，在具有工程实际意义的运用场合需要很多单体进行串并联组合构成储能系统，以满足储能系统的功率和能量要求。现有的超级电容管理系统一般具有必要的电量监测，阈值报警，简单的单体过压均衡和SOC预估等功能，上述功能基本满足大规模超级电容器使用时的管理要求。为使用户可以充分了解每个单体的工作情况，需要一套功能完善的系统进行管理，不仅可以显示基本的电压电流温度等电量信息，还需要通过合适的数据处理手段实时估算出超级电容SOC、剩余能量和模型参数，结合寿命曲线及老化标准预估超级电容器使用期限，为超级电容模块的使用对象提出合理的检修或更换建议，从而为超级电容器的优化使用和安全工作提供保障。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可实时监控超级电容工作状态、提高超级电容模块的安全性和可靠性的大规模超级电容储能模块监控系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种大规模超级电容储能模块监控系统，用于对超级电容器进行监控管理，所述的监控系统包括电量采集模块、保护与报警模块、电压均衡模块和下位机控制模块，所述的超级电容器、电量采集模块、电压均衡模块和下位机控制模块依次连接，所述的保护与报警模块分别连接超级电容器和下位机控制模块；

电量采集模块采集超级电容器的状态信号，并通过电压均衡模块传输给下位机控制模块，下位机控制模块根据接收到的状态信号发送相应的控制信号控制保护与报警模块或电压均衡模块动作。

所述的电量采集模块包括分别与超级电容器连接的单体电压检测单元、温度检测单元和电流检测单元。

所述的超级电容器通过充放电开关连接有外部充放电电路，所述的保护与报警模块与充放电开关连接，当保护与报警模块检测到超级电容器总电压超出最大值或低于最小值时自动切断充放电开关，同时给出报警信号。

所述的下位机控制模块的功能包括：

a)根据接收到的状态信号估算超级电容器的SOC；

b)根据某超级电容器单体电压值、该单体与邻近单体的压差以及实时估算的SOC，判断该超级电容器单体是否达到均衡条件，若是，则通过电压均衡模块使能对应的均压电路；

c)根据接收到的状态信号判断超级电容器是否存在过压、欠压、过温现象，若是，则向保护与报警模块发送控制信号启动保护动作；

d)对超级电容器的经典RC模型参数利用最小二乘法进行在线辨识。

所述的状态信息包括超级电容器的单体电压、各节点温度和充放电电流。

该监控系统还包括上位机处理模块，该上位机处理模块与下位机控制模块通信连接。

所述的上位机处理模块的功能包括：

1)向下位机控制模块发送请求，获得并显示超级电容器的单体电压、各节点温度、充放电电流、实时估算SOC和剩余能量；

2)根据单体电压、电流数据采用粒子群算法或差分进化算法进行模型参数辨识；

3)根据模型参数辨识得到的结果与所监控超级电容器的寿命曲线相对应，如未知其寿命曲线，可根据所监控超级电容器的老化判断标准做判断，实时预测超级电容器的使用期限。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明针对大规模应用场合，克服了一般超级电容管理系统功能比较单一的缺陷，在必要的电量监测和报警等超级电容管理系统功能的基础上，下位机控制模块集成了经典RC模型在线辨识和实时SOC预估等功能；同时在上位机处理模块的设计上，集成了SOC和剩余能量在线预估、模型参数辨识和老化预警等功能，为大规模超级电容模块的使用对象提供更详细的数据参考，可实时监控超级电容工作状态，提高超级电容模块的安全性和可靠性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的功能示意图；

图3为本发明的工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种大规模超级电容储能模块监控系统，用于对超级电容器1进行监控管理，所述的监控系统包括电量采集模块3、保护与报警模块2、电压均衡模块4和下位机控制模块5，所述的超级电容器1、电量采集模块3、电压均衡模块4和下位机控制模块5依次连接，所述的保护与报警模块2分别连接超级电容器1和下位机控制模块5；电量采集模块3采集超级电容器1的状态信号，并通过电压均衡模块4传输给下位机控制模块5，下位机控制模块5根据接收到的状态信号发送相应的控制信号控制保护与报警模块2或电压均衡模块4动作。

电量采集模块3包括分别与超级电容器连接的单体电压检测单元、温度检测单元和电流检测单元。单体电压检测单元和温度检测单元基于电池管理芯片设计，电流检测单元基于霍尔电流传感器设计。

保护与报警模块2分为硬件和软件两部分，硬件部分独立于下位机控制单元，软件部分由下位机控制单元给出控制信号，分级阈值设计，在超级电容储能模块出现过压、欠压、过温等现象时启动保护动作，并给出相应的报警信号。超级电容器1通过充放电开关连接有外部充放电电路，硬件部分保护与报警模块与充放电开关连接，当保护与报警模块检测到超级电容器总电压超出最大值或低于最小值时自动切断充放电开关，同时给出报警信号。

下位机控制模块5基于DSP设计，其功能包括：

a)根据接收到的状态信号估算超级电容器的SOC，所述的状态信息包括超级电容器的单体电压、各节点温度和充放电电流；

b)根据某超级电容器单体电压值、该单体与邻近单体的压差以及实时估算的SOC，判断该超级电容器单体是否达到均衡条件，若是，则通过电压均衡模块使能对应的均压电路；

c)根据接收到的状态信号判断超级电容器是否存在过压、欠压、过温现象，若是，则向保护与报警模块发送控制信号启动保护动作；

d)对超级电容器的经典RC模型参数利用最小二乘法或其它简单辨识算法进行在线辨识。

该监控系统还包括上位机处理模块6，该上位机处理模块6与下位机控制模块5通信连接。所述的上位机处理模块6的功能包括：

1)向下位机控制模块发送请求，获得并显示超级电容器的单体电压、各节点温度、工作电流、实时估算SOC和剩余能量；

2)根据单体电压、电流数据采用粒子群算法、差分进化算法或其它进化算法进行模型参数辨识；

3)根据模型参数辨识得到的结果与所监控超级电容器的寿命曲线相对应，如未知其寿命曲线，可根据所监控超级电容器的老化判断标准做判断，实时预测超级电容器的使用期限。

上位机处理模块的总体软件设计方案如图2所示。通过对各种功能进行合理划分，将不同软件功能安排在相应的子界面中。用户统一从主界面调用相应的子界面来完成不同的功能。

上位机处理模块软件完成的功能主要包括超级电容器运行工况的实时监测与控制和数据处理分析两部分功能。其中实时监测与控制部分包括实时数据传输与控制、运行工况显示功能；数据处理和分析部分包括数据存储、数据预处理、荷电状态和剩余能量预估、模型参数辨识、寿命老化估计功能。

1、数据处理与分析部分

1)数据存储：存储超级电容储能模块工作信息，包括电压、电流、温度、充放电工作次数、报警信息等。

2)数据处理：包括对采集的数据进行分频、滤波处理。分频能减少数据长度，降低对系统硬件的要求和计算成本；滤波能有效降低噪声对采样数据的影响，为参数辨识工作提供基础。

3)荷电状态和剩余能量预估：根据预处理后的数据，实时估算超级电容各单体和模块当前荷电状态和剩余能量，并对不同放电工况进行放电预评估。

4)模型参数辨识：采集得到的数据经过模型的选择，通过合适的辨识算法，对辨识得到的参数进行反解，求得所选模型对应的实际物理参数。

5)寿命老化估计：根据辨识得到的实际物理参数，结合适用超级电容器的寿命曲线和老化标准预估超级电容器使用期限，为使用对象提出合理的检修或更换建议。

2、实时监测部分功能描述

1)实时数据传输与控制：作为基本功能，以实现下位机控制模块和上位机处理模块数据的基本交互。

2)运行工况显示：实时显示各超级电容单体电压，工作电流、各节点温度，实时估算各单体SOC和剩余能量，并显示模块整体SOC和剩余能量。

下位机控制模块基于DSP设计，如图3所示，其控制程序分为以下几步执行：

1、上电，执行初始化程序，包括DSP芯片内部时钟，看门狗初始化等，同时检测与电池管理芯片通信是否正常，并初始化电池管理芯片.

2、初始化完成后，系统进入待机状态。在待机状态下，系统主要实现的功能有：

1)每隔一段时间，采集各单体电压、各节点温度并保存到相应位置；

2)设置各单体过压、欠压阈值，判断是否有单体过压或欠压，是否有节点温度超出阈值。如果有则产生相应的报警信号，并记录相应的报警信息；

3)在上位机处理模块给出命令的情况下，向上位机处理模块发送当前各单体电压、SOC、各节点温度以及相应的报警信息。

3、在待机状态下，接收到超级电容充放电的工作命令则进入工作状态，在工作状态下，系统主要实现的功能有：

1)每隔一段时间，采集各单体电压、各节点温度、充放电电流并保存到相应位置；

2)实时采集充放电电流，利用开路电压法和安时计量法实时估算当前各单体SOC，综合各单体的SOC并结合当前的充放电电流给出恰当的使用时间预估。

3)在某工况结束后，根据实时采集的各单体电压和电流信息，用最小二乘法辨识出各单体经典RC模型中各参数的值。

4)在上位机处理模块给出命令的情况下，向上位机处理模块发送当前各单体电压、SOC、各节点温度、充放电电流以及相应的报警信息。

4、在工作状态下，接收到超级电容结束充放电的工作命令则返回到待机状态。

Claims (6)

1.一种大规模超级电容储能模块监控系统，用于对超级电容器进行监控管理，其特征在于，所述的监控系统包括电量采集模块、保护与报警模块、电压均衡模块和下位机控制模块，所述的超级电容器、电量采集模块、电压均衡模块和下位机控制模块依次连接，所述的保护与报警模块分别连接超级电容器和下位机控制模块；

电量采集模块采集超级电容器的状态信号，并通过电压均衡模块传输给下位机控制模块，下位机控制模块根据接收到的状态信号发送相应的控制信号控制保护与报警模块或电压均衡模块动作；

所述的下位机控制模块的功能包括：

a)根据接收到的状态信号估算超级电容器SOC；

b)根据某超级电容器单体电压值、该单体与邻近单体的压差以及实时估算的超级电容器SOC，判断该超级电容器单体是否达到均衡条件，若是，则通过电压均衡模块使能对应的均压电路；

c)根据接收到的状态信号判断超级电容器是否存在过压、欠压、过温现象，若是，则向保护与报警模块发送控制信号启动保护动作；

d)对超级电容器的经典RC模型参数利用最小二乘法进行在线辨识。

2.根据权利要求1所述的一种大规模超级电容储能模块监控系统，其特征在于，所述的电量采集模块包括分别与超级电容器连接的单体电压检测单元、温度检测单元和电流检测单元。

3.根据权利要求1所述的一种大规模超级电容储能模块监控系统，其特征在于，所述的超级电容器通过充放电开关连接有外部充放电电路，所述的保护与报警模块与充放电开关连接，当保护与报警模块检测到超级电容器总电压超出最大值或低于最小值时自动切断充放电开关，同时给出报警信号。

4.根据权利要求1所述的一种大规模超级电容储能模块监控系统，其特征在于，所述的状态信号包括超级电容器的单体电压、各节点温度和充放电电流。

5.根据权利要求4所述的一种大规模超级电容储能模块监控系统，其特征在于，该监控系统还包括上位机处理模块，该上位机处理模块与下位机控制模块通信连接。

6.根据权利要求5所述的一种大规模超级电容储能模块监控系统，其特征在于，所述的上位机处理模块的功能包括：

1)向下位机控制模块发送请求，获得并显示超级电容器的单体电压、各节点温度、充放电电流、实时估算的超级电容器SOC和剩余能量；

2)根据单体电压、电流数据采用粒子群算法或差分进化算法进行超级电容器等效模型的模型参数辨识；

3)根据模型参数辨识得到的结果与所监控超级电容器的寿命曲线相对应，如未知其寿命曲线，可根据所监控超级电容器的老化判断标准做判断，实时预测超级电容器的使用期限。