CN107860979B - 一种测试超级电容器储能系统容量、内阻的方法及系统 - Google Patents

一种测试超级电容器储能系统容量、内阻的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种测试超级电容器储能系统容量、内阻的方法及系统，该方法包括步骤：S1.控制装置定期采集超级电容器储能系统的电压及电流数据，对采集的电压及电流数据进行转换，并将转换后的电压及电流数据传输至计算机；S2.计算机根据接收的电压及电流数据，计算所述超级电容器储能系统的容量及内阻。本发明实施例提出一种测试超级电容器储能系统容量、内阻的方法及系统，该测量系统中，通过励磁电源控制系统传输的数据精度极高，且数据采集较密，计算结果准确性高；测试结果可靠性较高且可检测系统实时情况便于及时维护；该方法对整个系统的容量、内阻进行监测可以得知系统寿命损耗情况及系统可靠性。

Description

一种测试超级电容器储能系统容量、内阻的方法及系统
技术领域
本发明涉及超级电容器测试技术领域，尤其涉及一种测试超级电容器储能系统容量、内阻的方法及系统。
背景技术
电能是人类生活中最重要的能源，随着经济的发展，人民生活水平不断提高，电力用户对电能质量提出了更高要求。在提高电能质量方面，储能元件正发挥着越来越大的作用。超级电容器是一种新型储能元件，有储电能力高，功率密度大的优点，可以快速充放电，是一种高效实用的储能元件。随着超级电容器在各领域的应用越来越广泛，其寿命也是大众关注的焦点，超级电容器中，体现其寿命的两个参数是容量和内阻，所以测试超级电容器储能系统的容量、内阻是控制其寿命的重要基础和必要手段。
以下为现有技术中关于超级电容器的容量及内阻检测的相关专利文献：
如公开号为CN204462257U的专利文献公开的“超级电容器容量和直流内阻检测装置”，该实用新型公开了一种可同时对多只超级电容器单体进行检测的超级电容器容量和直流内阻检测装置，包括一个主控制器及多个功率控制单元，主控制器的输入端连接有上位机触摸屏，每个功率控制单元分别由采样电路、控制电路和放电电路构成，其特殊之处是：主控制器自带有A/D转换器和两路CAN通信接口，采样电路由电流传感器构成，电流传感器的末端与主控制器的A/D转换器接口连接；控制电路由通过高速光电耦合器接在主控制器输出端的MOSFET驱动器构成；放电电路包括由串联的大功率电感L1和电容C2、与电容C2并联的起阻抗匹配作用的电阻R3组成的电流平波电路、钳位电阻R1、放电电阻R2、MOSFETQ1和二极管D1。
上述专利文献中技术的缺点是只针对超级电容器单体、模块的静电容量、内阻进行测试，并未涉及系统的容量、内阻的测试。在现阶段新能源储能技术应用中，当一个超级电容器储能系统中存在多个单体超级电容器时，测量时难度很大，后期维护时耗时长，需要对每个超级电容器模块进行拆卸和排查，不仅效率低且增加了全周期寿命成本。
发明内容
针对以上问题，本发明实施例提供了一种测试超级电容器储能系统容量、内阻的方法及系统，可针对系统的容量、内阻进行测试，在保证测试精度的同时，能提高测试效率。
第一方面，本发明实施例提供了一种测试超级电容器储能系统容量、内阻的方法，包括步骤：
S1.控制装置定期采集超级电容器储能系统的电压及电流数据，对采集的电压及电流数据进行转换，并将转换后的电压及电流数据传输至计算机；
S2.计算机根据接收的电压及电流数据，计算所述超级电容器储能系统的容量及内阻。
进一步地，步骤S1中，所述电压及电流数据采集间隔为1ms。
进一步地，步骤S1中，控制装置将接收的电压及电流数据由模拟信号转换为数字信号，并通过光通信将转换后的电压及电流数据传输至计算机。
进一步地，步骤S2中，利用积分的方式将电荷量进行汇总，并计算单位时间内超级电容器储能系统释放的电荷量总和，计算公式如下：
Figure BDA0001403887060000021
其中，q为单位时间内超级电容器储能系统释放的电荷量总和；
I为实时采集的电流值。
进一步地，步骤S2中，所述超级电容器储能系统的容量计算公式如下：
Figure BDA0001403887060000031
其中，C为超级电容器储能系统的容量；
q为单位时间内超级电容器储能系统释放的电荷量总和；
Umax为采集到的最大电压值；
Umin为采集到的最小电压值；
R*Imin为所述超级电容器储能系统的内阻消耗的电压。
进一步地，步骤S2中，所述超级电容器储能系统的内阻计算公式如下：
Figure BDA0001403887060000032
其中，R为超级电容器储能系统的内阻；
Umax为采集到的最大电压值；
Imax为采集到的最大电流值；
Ui为超级电容器储能系统放电15ms后采集到的电压值。
进一步地，步骤S2之后还包括：于计算机界面展示计算得出的所述超级电容器储能系统的容量及内阻。
第二方面，本发明实施例提供了一种测试超级电容器储能系统容量、内阻的系统，包括：控制装置及计算机；
所述控制装置与超级电容器储能系统及计算机连接，所述控制装置用于定期采集超级电容器储能系统的电压及电流数据，对采集的电压及电流数据进行转换，并将转换后的电压及电流数据传输至计算机；
所述计算机用于根据接收的电压及电流数据，计算所述超级电容器储能系统的容量及内阻。
进一步地，所述控制装置包括：信号板、控制器、外围设备接口板及稳压电源；
所述信号板与超级电容器储能系统内的电压传感器及电流传感器连接，所述信号板用于对所述电压传感器及电流传感器获取的电压及电流数据进行定期采集；
所述控制器与所述信号板连接，所述控制器用于对信号板采集的电压及电流数据进行不同串口转换；
所述外围设备接口板与所述控制器及计算机连接，所述外围设备接口板用于与计算机进行通信；
所述稳压电源分别与所述信号板、控制器及外围设备接口板连接，所述稳压电源用于供电。
进一步地，所述计算机包括：计算单元及展示界面；
所述计算单元用于根据接收的电压及电流数据，计算所述超级电容器储能系统的容量及内阻；
所述展示界面用于展示计算得出的所述超级电容器储能系统的容量及内阻。
本发明实施例提出一种测试超级电容器储能系统容量、内阻的方法及系统，该测量系统中，通过励磁电源控制系统传输的数据精度极高，且数据采集较密，计算结果准确性高；测试结果可靠性较高且可检测系统实时情况便于及时维护；该方法对整个系统的容量、内阻进行监测可以得知系统寿命损耗情况及系统可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例一中一种测试超级电容器储能系统容量、内阻的方法流程图；
图2为本发明实施例二中一种测试超级电容器储能系统容量、内阻的系统结构图；
图3为本发明实施例二中控制装置原理示意图；
图4为本发明实施例二中一种测试超级电容器储能系统容量、内阻的系统工作原理示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
本发明实施例通过励磁电源控制系统对超级电容器储能系统运行的实时参数进行监控，并进行高精度计算。当超级电容器模块进行不同的串并联后组成储能系统，在不同工况下，高功率输出均不同并造成不同程度的损耗。随着设备使用的频率越来越高，储能系统的寿命也会衰减，而体现系统寿命的两个参数是容量和内阻。在现阶段新能源储能设备应用中，系统寿命无法监控，即容量、内阻无法测试，因此无法得知寿命损耗。通过本测试方法可测出此参数，这样以来对超级电容储能系统的寿命情况可以及时掌控，以便后期维护设备，节约全周期寿命成本。
以下为本发明具体实施例。
实施例一
图1为本实施例中一种测试超级电容器储能系统容量、内阻的方法流程图，如图1所示，本实施例中一种测试超级电容器储能系统容量、内阻的方法包括步骤：
S1.控制装置定期采集超级电容器储能系统的电压及电流数据，对采集的电压及电流数据进行转换，并将转换后的电压及电流数据传输至计算机；
本步骤中，超级电容器储能系统中的电压传感器、电流传感器实时获取该超级电容器储能系统的电压及电流数据，所述电压及电流数据为模拟信号，并将获取的电压及电流数据传输至励磁电源控制系统中。
励磁电源控制系统中的控制装置接收电压传感器及电流传感器发送的电压及电流数据，对所述数据进行定期采集，并对采集得到的数据进行不同串口转换。
具体的，所述电压及电流数据采集间隔为1ms。
具体的，控制装置将接收的电压及电流数据由模拟信号转换为数字信号，并通过光通信将转换后的电压及电流数据传输至计算机。
S2.计算机根据接收的电压及电流数据，计算所述超级电容器储能系统的容量及内阻。
本步骤中，计算机接收励磁电源控制系统中的控制装置发送的转换后的电压及电流数据，并根据所述数据计算所述超级电容器储能系统的容量及内阻。
当计算机端采集到系统放电数据后，电压随着时间变化跌落。采集数据时间间隔为1ms，由于放电电流每一时刻都在变化，可利用积分的方式将电荷量进行汇总，即可求出单位时间内超级电容器系统释放的电荷量总和，可根据下式计算：
Figure BDA0001403887060000061
其中，q为单位时间内超级电容器储能系统释放的电荷量总和；
I为实时采集的电流值，不是固定值。
超级电容器内部为多阶结构，当电流通过时会产生瞬间的压降，且内阻会消耗系统内部的一部分电压，则系统电容量可根据下式计算：
Figure BDA0001403887060000062
其中，C为超级电容器储能系统的容量；
q为单位时间内超级电容器储能系统释放的电荷量总和；
Umax为采集到的最大电压值；
Umin为采集到的最小电压值；
R*Imin为所述超级电容器储能系统的内阻消耗的电压，当系统放完电后，系统会产生一部分压降使系统电压上升，而此时这部分电压则是由多阶的那部分内阻引起的，所以需要减掉系统回升的一部分电压。
系统内阻影响储能系统的输出功率，当储能系统充满电后，在放电瞬间会产生一个跌落的压降，采集时间较短且跌落电压为瞬间值，采集数据的密集度也决定了数据的准确性，在系统开始放电时，此时放电电流为最大值，计算公式如下式：
Figure BDA0001403887060000071
其中，R为超级电容器储能系统的内阻；
Umax为采集到的最大电压值；
Imax为采集到的最大电流值；
Ui为超级电容器储能系统放电15ms后采集到的电压值。
Ui为系统开始放电15ms后所对应的电压，而此刻所对应的电流为最大电流。
本实施例中，步骤S2之后还包括：于计算机界面展示计算得出的所述超级电容器储能系统的容量及内阻。
本实施例提出一种测试超级电容器储能系统容量、内阻的方法，本实施例中，励磁电源控制系统所传输的数据精度极高，且数据采集较密，计算结果准确性高；本发明测试出的容量、内阻可靠性较高且可检测系统实时情况便于及时维护；对容量、内阻进行监测可以得知系统寿命损耗情况及系统可靠性。
实施例二
图2为本实施例中一种测试超级电容器储能系统容量、内阻的系统结构图，如图2所示，本实施例中一种测试超级电容器储能系统容量、内阻的系统包括：控制装置200及计算机300；
此外，图2中还包括：超级电容器储能系统中的电压传感器及电流传感器100；
所述电压传感器及电流传感器100与所述控制装置200连接，所述电压传感器及电流传感器100用于定期采集超级电容器储能系统的电压及电流数据，并发送至控制装置200；
所述控制装置200与所述计算机300连接，所述控制装置200用于对接收的电压及电流数据进行定期采集，对采集的电压及电流数据进行不同串口转换，并将转换后的电压及电流数据传输至计算机300；
所述计算机300用于根据接收的电压及电流数据，计算所述超级电容器储能系统的容量及内阻。
所述控制装置200包括：信号板210、控制器220、外围设备接口板230及稳压电源240；
图3为本实施例中控制装置原理示意图，如图3所示，所述信号板210与所述控制器220连接，所述信号板210用于对接收的电压及电流数据进行定期采集；
所述控制器220与所述外围设备接口板230连接，所述控制器220用于对采集的电压及电流数据进行不同串口转换；
所述外围设备接口板230与所述计算机300连接，所述外围设备接口板230用于与计算机300进行通信；
所述稳压电源240分别与所述信号板210、控制器220及外围设备接口板230连接，所述稳压电源240用于供电。
所述计算机300包括：计算单元310及展示界面320；
所述计算单元310用于根据接收的电压及电流数据，计算所述超级电容器储能系统的容量及内阻；
所述展示界面320用于展示计算得出的所述超级电容器储能系统的容量及内阻。
图4为本实施例中一种测试超级电容器储能系统容量、内阻的系统工作原理示意图，如图4所示，超级电容器储能系统中的电压、电流传感器将模拟信号传输至励磁电源控制系统中，控制系统将采集到的数据经过不同串口转换，通过光通信将数字量信号传输至计算机进行计算。
其中数据采集间隔为1ms；
计算机将采集到的数据按照公式(1)(2)(3)可计算出系统的容量、内阻，并将结果显示在计算机界面。
本实施例提出一种测试超级电容器储能系统容量、内阻的系统，本实施例中，励磁电源控制系统所传输的数据精度极高，且数据采集较密，计算结果准确性高；本发明测试出的容量、内阻可靠性较高且可检测系统实时情况便于及时维护；对容量、内阻进行监测可以得知系统寿命损耗情况及系统可靠性。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种测试超级电容器储能系统容量、内阻的方法，其特征在于，包括步骤：
S1.控制装置定期采集超级电容器储能系统的电压及电流数据，对采集的电压及电流数据进行转换，并将转换后的电压及电流数据传输至计算机；
S2.计算机根据接收的电压及电流数据，计算所述超级电容器储能系统的容量及内阻；
其中，所述超级电容器储能系统的容量计算公式如下：
Figure FDA0002417405040000011
其中，C为超级电容器储能系统的容量；
q为单位时间内超级电容器储能系统释放的电荷量总和；
Umax为采集到的最大电压值；
Umin为采集到的最小电压值；
R*Imin为所述超级电容器储能系统的内阻消耗的电压；
所述超级电容器储能系统的内阻计算公式如下：
Figure FDA0002417405040000012
其中，R为超级电容器储能系统的内阻；
Umax为采集到的最大电压值；
Imax为采集到的最大电流值；
Ui为超级电容器储能系统放电15ms后采集到的电压值。
2.如权利要求1所述的一种测试超级电容器储能系统容量、内阻的方法，其特征在于，步骤S1中，所述电压及电流数据采集间隔为1ms。
3.如权利要求1所述的一种测试超级电容器储能系统容量、内阻的方法，其特征在于，步骤S1中，控制装置将接收的电压及电流数据由模拟信号转换为数字信号，并通过光通信将转换后的电压及电流数据传输至计算机。
4.如权利要求2所述的一种测试超级电容器储能系统容量、内阻的方法，其特征在于，步骤S2中，利用积分的方式将电荷量进行汇总，并计算单位时间内超级电容器储能系统释放的电荷量总和，计算公式如下：
Figure FDA0002417405040000021
其中，q为单位时间内超级电容器储能系统释放的电荷量总和；I为实时采集的电流值。
5.如权利要求1所述的一种测试超级电容器储能系统容量、内阻的方法，其特征在于，步骤S2之后还包括：于计算机界面展示计算得出的所述超级电容器储能系统的容量及内阻。
6.一种测试超级电容器储能系统容量、内阻的系统，其特征在于，包括：控制装置及计算机；
所述控制装置与超级电容器储能系统及计算机连接，所述控制装置用于定期采集超级电容器储能系统的电压及电流数据，对采集的电压及电流数据进行转换，并将转换后的电压及电流数据传输至计算机；
所述计算机用于根据接收的电压及电流数据，计算所述超级电容器储能系统的容量及内阻；
其中，所述超级电容器储能系统的容量计算公式如下：
Figure FDA0002417405040000022
其中，C为超级电容器储能系统的容量；
q为单位时间内超级电容器储能系统释放的电荷量总和；
Umax为采集到的最大电压值；
Umin为采集到的最小电压值；
R*Imin为所述超级电容器储能系统的内阻消耗的电压；
所述超级电容器储能系统的内阻计算公式如下：
Figure FDA0002417405040000031
其中，R为超级电容器储能系统的内阻；
Umax为采集到的最大电压值；
Imax为采集到的最大电流值；
Ui为超级电容器储能系统放电15ms后采集到的电压值。
7.如权利要求6所述的一种测试超级电容器储能系统容量、内阻的系统，其特征在于，所述控制装置包括：信号板、控制器、外围设备接口板及稳压电源；
所述信号板与超级电容器储能系统内的电压传感器及电流传感器连接，所述信号板用于对所述电压传感器及电流传感器获取的电压及电流数据进行定期采集；
所述控制器与所述信号板连接，所述控制器用于对信号板采集的电压及电流数据进行不同串口转换；
所述外围设备接口板与所述控制器及计算机连接，所述外围设备接口板用于与计算机进行通信；
所述稳压电源分别与所述信号板、控制器及外围设备接口板连接，所述稳压电源用于供电。
8.如权利要求6所述的一种测试超级电容器储能系统容量、内阻的系统，其特征在于，所述计算机包括：计算单元及展示界面；
所述计算单元用于根据接收的电压及电流数据，计算所述超级电容器储能系统的容量及内阻；
所述展示界面用于展示计算得出的所述超级电容器储能系统的容量及内阻。
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