CN105576796A - 一种具有自匹配功能的低功耗超级电容器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有自匹配功能的低功耗超级电容系统，包括若干超级电容器，若干放电回路，电压检测模块和控制器，通过控制器和电压检测模块对超级电容器的工作状态进行监控和运算，来调整与超级电容器连接的放电回路，有效实现串联的超级电容器组的自匹配低功耗控制；具有自匹配功能的低功耗超级电容器系统的制造成本低，运行损耗小，超级电容器的最高运行电压一致，系统寿命高，可靠性强。

Description

一种具有自匹配功能的低功耗超级电容器系统

技术领域

本发明涉及超级电容器系统，具体涉及一种具有自匹配功能的低功耗超级电容器系统。

背景技术

超级电容器是一种介于传统电容器与电池之间，具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容。电荷存储电能；但是在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次，其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量；其具有能量密度高，使用寿命长，工作温度范围宽等技术特点，在轨道交通，特种电源和军工设备等领域都得到了应用。

单个超级电容器的输出电压一般低于3.0V，无法直接应用在需要高电压的工业应用领域；在实际工程应用中，通常将超级电容器单体进行串联，提升超级电容器系统的使用电压，在一些高功率应用场合，还可再通过并联的方式提升超级电容器系统的输出功率；然而，串联后的超级电容器存在均压问题；串联后的超级电容器间的电容容值不同，等效并联放电电阻不同，在超级电容器系统工作时组内的超级电容器单体电压会存在一定的偏差，且电压偏差随着工作时间的增加而增大；对于超级电容器而言，工作电压每上升0.1V，工作寿命就会降低一半，使得成本大大增加；因此，如何平衡串联超级电容器单体间的电压成为了超级电容器应用的关键技术。

发明专利CN101060253A可充电电池监控及平衡电路公开了平衡电路、电子设备及平衡多个电池的电压的方法；该方法在每一个电池上设置监控电路，当两个电池的电压差大于电池平衡门限时，平衡电路提供一个平衡信号，控制放电电路对电池单体进行放电；但是，当上述电压平衡技术存在以下问题：

1、门限电压不适合超级电容器单体电压调节。超级电容器在充放电过程中，电压幅值的变化量远大于电池单体的电压变化量。若超级电容器单体的电压差门限值较低，则放电电路长期工作，造成系统的能量浪费以及器件寿命的降低；电压差门限值较高，则放电电路基本失效，无法完成电压平衡任务。

2、不具备自调整功能。随着电容器等动力电池的持续使用，动力电池间的电参数将产生差异化。若始终针对出厂参数进行控制，可能导致参数失配，引起超级电容器等动力电池提前失效。

发明内容

本发明提供一种具有自匹配功能，实现实时自匹配参数优化功能的低功耗超级电容器系统。

本发明通过以下技术方案实现：一种具有自匹配功能的低功耗超级电容器系统，包括若干超级电容器，若干放电回路，电压检测模块和控制器，所述超级电容器与所述放电回路连接，每个超级电容器连接一个放电回路，所述超级电容器串联组成超级电容器组；所述电压检测模块连接所述超级电容器组，用于对超级电容器工作电压进行检测；所述电压检测模块还连接所述控制器，用于上传检测数据；所述控制器与若干放电回路连接，通过检测到的数据计算调节放电回路来实现超级电容器的低功耗均压控制；所述电压检测模块包括模数转换模块和信号传输模块，所述模数转换模块用于对超级电容器工作电压进行检测，所述信号传输模块用于将检测数据传输到控制器；所述超级电容器为电化学双电层电容器；所述放电回路包括若干开关和若干电阻，通过改变开关的开通占空比实现放电功率的控制；所述电阻为放电电阻。

一种具有自匹配功能的低功耗超级电容器系统的控制方法，步骤如下：

A）电压检测模块检测超级电容器两端的电压，当检测到一次完整的充电过程结束后，控制器计算每个超级电容器的电压变化量，并根据电压变化量计算得到超级电容器组的电容容值比；

B）超级电容器的相对容值与超级电容器的放电速率成正比，控制器通过电容容值比计算得出超级电容器组放电功率比的目标值，并通过放电电路调整相对应超级电容器的放电速率；

C）结合遗传算法，不断调整超级电容器的放电速率，使得超级电容器的自放电系数与其电容值保持一致，优化超级电容器系统的自匹配参数，实现超级电容器系统的自匹配低功耗控制。

本发明通过控制器和电压检测模块对超级电容器的工作状态进行监控和运算，来调整与超级电容器连接的放电回路，有效实现串联的超级电容器组的自匹配低功耗控制；具有自匹配功能的低功耗超级电容器系统的制造成本低，运行损耗小，超级电容器的最高运行电压一致，系统寿命高，可靠性强。

本发明的有益之处在于：1）控制器能实时计算超级电容器的电气参数，调整放电回路，实现对于超级电容器性能的实时追踪，确保了各个超级电容器能基本同时达到最高运行电压；解决了部分超级电容器老化引起的参数变化带来的系统控制失效问题；2）本系统能够根据超级电容器系统的工作电压曲线，计算超级电容器的容值、寄生并联电阻等电气参数，控制放电回路功率，以最低功耗实现超级电容器的电压控制和管理；3）本系统下的超级电容器系统，在产品的使用寿命周期内，能够根据实际的装置运行情况，不断地优化超级电容器系统的参数，进而优化超级电容器系统的使用寿命；4）本系统结构简单，在控制上易于实现，而且控制成本低。

附图说明

图1为本发明的系统框示图。

图2为本发明的相对容值的计算流程图。

图3为本发明自放电系统调整的流程图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式，对本发明作进一步描述。

见图1至图3，一种具有自匹配功能的低功耗超级电容器系统，包括若干超级电容器，若干放电回路，电压检测模块和控制器，所述超级电容器与所述放电回路连接，每个超级电容器连接一个放电回路，所述超级电容器串联组成超级电容器组；所述电压检测模块连接所述超级电容器组，用于对超级电容器工作电压进行检测；所述电压检测模块还连接所述控制器，用于上传检测数据；所述控制器与若干放电回路连接，通过检测到的数据计算调节放电回路来实现超级电容器的低功耗均压控制；所述电压检测模块包括模数转换模块和信号传输模块，所述模数转换模块用于对超级电容器工作电压进行检测，所述信号传输模块用于将检测数据传输到控制器；所述超级电容器为电化学双电层电容器；所述放电回路包括若干开关和若干电阻，通过改变开关的开通占空比实现放电功率的控制；所述电阻为放电电阻。

一种具有自匹配功能的低功耗超级电容器系统的控制方法，步骤如下：

A）电压检测模块检测超级电容器两端的电压，当检测到一次完整的充电过程结束后，控制器计算每个超级电容器的电压变化量，并根据电压变化量计算得到超级电容器组的电容容值比；

B）超级电容器的相对容值与超级电容器的放电速率成正比，控制器通过电容容值比计算得出超级电容器组放电功率比的目标值，并通过放电电路调整相对应超级电容器的放电速率；

C）结合遗传算法，不断调整超级电容器的放电速率，使得超级电容器的自放电系数与其电容值保持一致，优化超级电容器系统的自匹配参数，实现超级电容器系统的自匹配低功耗控制。

本实施方式中，所述超级电容器串联形成超级电容器组，所述超级电容器为电化学双电层电容器；所述电压检测模块包括模数转换模块和信号传输模块，由模数转换模块对超级电容器工作电压进行检测，并通过信号传输模块将检测数据上传至控制器；所述放电回路包括若干开关和若干放电电阻，能通过改变开关的开通占空比，可以实现对于放电功率的控制；所述控制器，采用了实时自匹配参数优化算法，能够根据超级电容器系统的工作特性，自动调节超级电容器的放电工作回路，在确保超级电容器的最高运行电压一致的条件下，实现了超级电容器的低功耗均压控制。首先，根据超级电容器放电的电压差，计算得到同一串超级电容器的电容容值比；根据电容容值比，计算超级电容器放电功率比的目标值，并调整对应超级电容器单体的放电率；结合遗传算法，不断重复上述控制循环，最终优化超级电容器系统的自匹配参数，实现超级电容器的低功耗、高可靠性控制。

本实施方式中，见图2，计算超级电容器的相对容值C_rn；首先，电压监测模块始终检测超级电容器两端的电压；当检测到一次完整的充电过程结束后，由控制器计算每一个超级电容器的电压变化量。由于超级电容器组属于串联结构，因此流过超级电容器的电流相等；由可知，电容器的容值与电压变化量成反比；因此，可以根据电压变化量求得超级电容器的相对容值C_rn。

本实施方式中，超级电容器存在自放电现象，但是每个超级电容器的自放电强度不相同，导致了系统内超级电容器间的电压不一致，不利于超级电容器的最大容量使用；为了改善该现象，在超级电容器两端加入自放电回路，通过改变自放电回路中开关占空比，调节超级电容器的整体自放电系数K_cn；见图3，首先检测超级电容器的待机过程，在待机过程中，超级电容器两端的电压下降的原因在于超级电容器的自放电；若要最大限度地利用超级电容器的储能容量，则需要使串联的超级电容器的电压同时达到最高；由该条件可知，超级电容器的放电速率K_cn也需同相对容值C_rn保持正比；通过比较现有的放电速率K_cn与C_rn，调整系统中的放电回路，从而使得超级电容器的自放电系数与其电容值保持一致。

本实施方式中，系统根据检测到的数据和实际运行参数不断调整相对容值C_rn和自放电系数K_cn来实现超级电容器系统的自匹配低功耗控制，使得超级电容器的自放电功耗降低，保证超级电容器的老化能够得到有效减缓。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种具有自匹配功能的低功耗超级电容器系统，其特征在于：包括若干超级电容器，若干放电回路，电压检测模块和控制器，所述超级电容器与所述放电回路连接，每个超级电容器连接一个放电回路，所述超级电容器串联组成超级电容器组；所述电压检测模块连接所述超级电容器组，用于对超级电容器工作电压进行检测；所述电压检测模块还连接所述控制器，用于上传检测数据；所述控制器与若干放电回路连接，通过检测到的数据计算调节放电回路来实现超级电容器的低功耗均压控制；所述电压检测模块包括模数转换模块和信号传输模块，所述模数转换模块用于对超级电容器工作电压进行检测，所述信号传输模块用于将检测数据传输到控制器。

2.根据权利要求1所述的一种具有自匹配功能的低功耗超级电容器系统，其特征在于：所述超级电容器为电化学双电层电容器。

3.根据权利要求1所述的一种具有自匹配功能的低功耗超级电容器系统，其特征在于：所述放电回路包括若干开关和若干电阻，通过改变开关的开通占空比实现放电功率的控制。

4.根据权利要求3所述的一种具有自匹配功能的低功耗超级电容器系统，其特征在于：所述电阻为放电电阻。

5.一种具有自匹配功能的低功耗超级电容器系统的控制方法，其特征在于步骤如下：

A）电压检测模块检测超级电容器两端的电压，当检测到一次完整的充电过程结束后，控制器计算每个超级电容器的电压变化量，并根据电压变化量计算得到超级电容器组的电容容值比；

B）超级电容器的相对容值与超级电容器的放电速率成正比，控制器通过电容容值比计算得出超级电容器组放电功率比的目标值，并通过放电电路调整相对应超级电容器的放电速率；

C）结合遗传算法，不断调整超级电容器的放电速率，使得超级电容器的自放电系数与其电容值保持一致，优化超级电容器系统的自匹配参数，实现超级电容器系统的自匹配低功耗控制。