CN107910910B - 一种超级电容协同重构被动均压装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超级电容协同重构被动均压装置及方法，该装置包括：模拟量采集模块、控制模块、被动均压模块、可重构超级电容组模块和电源转换模块。本发明运用低纹波重构算法离线分析得到重构方案，然后在线重构超级电容组，可以在充电过程中依次减少串联的超级电容单体，降低直流总线的电压，进而降低直流总线的纹波电压。同时采用开关均压电阻式的被动均压，运用协同控制算法控制并联在超级电容两端的开关均压电阻，通过开关的通断，将超级电容中多余的电荷转移到均压电阻上面，重复此过程，直至所有的超级电容都一致性达到相同的预期值。

Description

一种超级电容协同重构被动均压装置及方法

技术领域

本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种超级电容协同重构被动均压装置及方法。

背景技术

在超级电容器的应用中,由于其额定电压很低(不到3V),常需要大量的串联。在恒定电流充电的过程中串联超级电容组的端电压呈线性增加，对充电设备的元器件的功率等级有很高的要求，增加了充电的成本。

理想状态时，每个超级电容单体性能应该是一致的，即每个超级电容单体的电压是一样的。但是，由于制造误差、自放电速率等因素，电容器单体之间的电压是有差异的。如果不采取必要的均压措施,可能会造成某些单体已经过充，而某些单体的尚未完全储能的情况，严重影响超级电容器的性能和寿命。

发明内容

本发明针对上述存在的现有问题，提出了一种超级电容协同重构被动均压装置及方法，运用低纹波重构算法离线分析得到重构方案，然后在线重构超级电容组，可以在充电过程中依次减少串联的超级电容单体，降低直流总线的电压，进而降低直流总线的纹波电压。同时采用开关均压电阻式的被动均压，运用协同控制算法控制并联在超级电容两端的开关均压电阻，通过开关的通断，将超级电容中多余的电荷转移到均压电阻上面，重复此过程，直至所有的超级电容都一致性达到相同的预期值。本发明的研发由国家自然科学基金项目61379111，61672537，61672539，61402538，61403424，61602529，61502055和61503048提供部分支持。

本发明提供了一种超级电容协同重构被动均压装置，包括：模拟量采集模块，用于实时采集超级电容单体电压和可重构超级电容组模块所在的直流总线电压；

控制模块，用于按照预设重构规则确定重构方案，并根据可重构超级电容组模块所在的直流总线电压和重构方案向可重构超级电容组模块发出重构指令；

被动均压模块，用于根据超级电容单体电压和预设被动均压规则向可重构超级电容组模块发出均压指令；

可重构超级电容组模块，用于根据所述控制模块发送的重构指令，改变串联开关、并联开关和短路开关的断开或闭合调整超级电容单体之间的串并联关系，同时，根据所述被动均压模块发送的均压指令，改变均压电阻开关的断开或闭合进行被动均压；

电源转换模块，用于将外部输入电源电压转换为适合所述模拟量采集模块、控制模块、被动均压模块和可重构超级电容组模块正常运转的工作电压；

其中，所述预设重构规则为将超级电容单体总个数N因数分解为m对因数，得到m个重构结构，再以m个重构结构为基础，根据所述可重构超级电容组所在的直流总线的实时电压与初始电压以及重构结构的对应关系，确定重构方案，N和m均为正整数；

所述预设被动均压规则为当超级电容单体的实时电压与参考电压的差值为负数时，闭合所述超级电容单体对应的均压电阻开关。

进一步的，所述重构方案为：

以RC(Se₁,Pe₁)作为可重构超级电容组模块开始充电时的初始结构；

每当达到切换条件时，将可重构超级电容组模块的结构依次从RC(Se_i,Pe_i)切换到RC(Se_j,Pe_j)；

以RC(Se_m,Pe_m)作为可重构超级电容组模块结束充电时的最终结构；

其中，所述切换条件为

式中V_dc为可重构超级电容组模块所在的直流总线的实时电压，V₀为可重构超级电容组模块所在直流总线的初始电压，j＝i+1且Se_i＞Se_j,i＝1,2,…,m-1,j＝2,3,…,m；

RC(Se_k,Pe_k)表示每Se_k个超级电容单体串联成一个串联组，再将得到的Pe_k个串联组进行并联，k＝1,2,…,m,N＝Se_k*Pe_k，N为6的整数倍，RC(Se₁,Pe₁)表示所有超级电容单体依次串联，RC(Se_m,Pe_m)表示所有超级电容单体均为并联。

所述预设重构规则即为发明人研究得出的低纹波重构算法。例如，当超级电容单体总个数为6时，因数分解得到(6,1)、(3,2)、(2,3)、(1,6)共4对组合，从而得到4种重构结构：

(1)将6个超级电容单体串联，简记RC(6,1)；

(2)先将每3个的超级电容单体串联得到2个串联组，再将2个串联组并联，简记RC(3,2)；

(3)先将每2个的超级电容单体串联得到3个串联组，再将3个串联组并联，简记RC(2,3)；

(4)将6个超级电容单体并联，简记RC(1,6)。

相对应的重构方案则为：

以RC(6,1)作为可重构超级电容组模块充电开始时的初始结构；

当

时，将可重构超级电容组模块的结构从RC(6,1)切换为RC(3,2)；

当

时，将可重构超级电容组模块的结构从RC(3,2)切换到RC(2,3)；

当

时，将可重构超级电容组模块的结构从RC(2,3)切换到RC(1,6)。

进一步的，所述被动均压模块包括：

协同电压跟踪子模块，用于根据预设被动均压规则判断是否闭合均压电阻开关，当需要闭合均压电阻开关时，向可重构超级电容组模块发送均压指令；

补偿子模块，用于确定均压电阻开关在开关闭合到对应超级电容单体完成充电的时间段内的PWM波占空比，从而控制均压电阻开关闭合时长；

其中，协同电压跟踪子模块采用的计算公式为：

且l≠h，

式中，ε_h为超级电容单体实时电压与参考电压u₀的差值，N为超级电容单体总个数，u₀为参考电压，

u_l为第l个超级电容单体的实时电压；

补偿子模块采用的计算公式为：

式中，d_h为第h个超级电容单体对应的PWM波占空比，t为从均压电阻开关闭合到差值ε_h为0所经历的时间段，k_h为积分系数，取值为1，T_h为积分时间常数，取值为60。

发明人采用协同电压跟踪子模块确定均压电阻开关是否需要闭合进行被动均压，从而使相邻超级电容之间的电压能够保持一致性，采用补偿子模块确定均压电阻开关的闭合时长，从而提高系统的动态性能和稳定性。

进一步的，所述可重构超级电容组模块包括超级电容单体、串联开关、并联开关、短路开关、均压电阻开关和均压电阻；

其中，所述超级电容单体的总个数为6的整数倍；

所述1个均压电阻开关、1个均压电阻和2个并联开关均与1个超级电容单体相连接；

每2个超级电容单体之间串联有1个串联开关，并联有1个短路开关。

本发明方案中超级电容单体的总个数N必须为6的整数倍，此时，所需的串联开关个数为N-1，短路开关所需个数为N-1，并联开关所需个数为2N，均压电阻和均压电阻开关所需的个数均为N。

进一步的，所述均压电阻的阻值R确定公式为：

其中，N为超级电容单体总个数，V_max为超级电容单体充电满额电压，I为充电电流。

为了达到最佳均压效果，每个均压电阻的电阻值必须满足上述公式，其中，超级电容单体充电满额电压由本领域技术人员根据实际情况灵活确定，一般为2V。

进一步的，所述模拟量采集模块包括：

数据交换子模块，用于与所述控制模块进行数据交换；

SPI通信子模块，用于通过数据交换子模块实现与所述控制模块进行SPI通信；

电平转换子模块，用于获取外部电压信号传感器获取到的超级电容单体电压和可重构超级电容组所在的直流总线电压。

进一步的，所述控制模块包括：

模拟量获取子模块，用于获取所述模拟量采集模块采集到的超级电容单体电压信号和可重构超级电容组所在的直流总线电压信号；

滤波处理子模块，用于对所述模拟量获取子模块获取到的电压信号进行滤波处理；

重构子模块，用于按照预设重构规则确定重构方案，并根据可重构超级电容组模块端电压和重构方案生成重构指令；

输出控制子模块，用于将重构子模块生成的重构指令发送给所述可重构超级电容组模块。

进一步的，所述电源转换模块包括：

EMI滤波子模块，用于滤除外部电源中的高频干扰信号得到稳定的输入电源；

直流/直流转换子模块，用于将外部电源电压转换成适合所述模拟量采集模块、控制模块、被动均压模块和可重构超级电容组模块正常运转的工作电压；

短路保护子模块，用于为所述超级电容协同重构被动均压装置提供短路保护。

本发明还提供了一种超级电容协同重构被动均压方法，包括：

步骤S1：按照预设重构规则确定重构方案；

步骤S2：实时采集超级电容单体电压和可重构超级电容组所在的直流总线电压；

步骤S3：根据可重构超级电容组所在的直流总线电压和重构方案对可重构超级电容组进行重构操作，同时，根据超级电容单体电压和预设被动均压规则对超级电容单体进行被动均压操作；

步骤S4：当可重构超级电容组中的所有超级电容单体电压达到一致时停止充电；

其中，所述预设重构规则为将超级电容单体总个数N因数分解为m对因数，得到m个重构结构，再以m个重构结构为基础，根据所述可重构超级电容组所在的直流总线的实时电压与初始电压以及重构结构的对应关系，确定重构方案，N和m均为正整数；

所述重构操作为根据重构方案改变串联开关、并联开关和短路开关的断开或闭合调整超级电容单体之间的串并联关系；

所述预设被动均压规则为当超级电容单体的实时电压与参考电压的差值为负数时，闭合所述超级电容单体对应的均压电阻开关；

超级电容单体的实时电压与参考电压的差值计算公式为：

且l≠h

式中，ε_h为超级电容单体实时电压与参考电压u₀的差值，N为超级电容单体总个数，

u_l为第l个超级电容单体的实时电压；

所述被动均压操作为确定均压电阻开关在开关闭合到对应超级电容单体完成充电的时间段内的PWM波占空比，从而控制均压电阻开关闭合时长；

PWM波占空比计算公式为：

式中，d_h为第h个超级电容单体对应的PWM波占空比，t为从均压电阻开关闭合到差值ε_h为0所经历的时间段，k_h为积分系数，取值为1，T_h为积分时间常数，取值为60；

所述可重构超级电容组包括超级电容单体、串联开关、并联开关、短路开关、均压电阻开关和均压电阻；

其中，所述超级电容单体的总个数为6的整数倍；

所述1个均压电阻开关、1个均压电阻和2个并联开关均与1个超级电容单体相连接；

每2个超级电容单体之间串联有1个串联开关，并联有1个短路开关。

进一步的，所述重构方案为：

步骤S11：以RC(Se₁,Pe₁)作为可重构超级电容组模块开始充电时的初始结构；

步骤S12：每当达到切换条件时，将可重构超级电容组模块的结构依次从RC(Se_i,Pe_i)切换到RC(Se_j,Pe_j)；

步骤S13：以RC(Se_m,Pe_m)作为可重构超级电容组模块结束充电时的最终结构；

其中，所述切换条件为

式中V_dc为可重构超级电容组模块所在的直流总线的实时电压，V₀为可重构超级电容组模块所在直流总线的初始电压，j＝i+1且Se_i＞Se_j,i＝1,2,…,m-1,j＝2,3,…,m；

RC(Se_k,Pe_k)表示每Se_k个超级电容单体串联成一个串联组，再将得到的Pe_k个串联组进行并联，k＝1,2,…,m,N＝Se_k*Pe_k，N为6的整数倍，RC(Se₁,Pe₁)表示所有超级电容单体依次串联，RC(Se_m,Pe_m)表示所有超级电容单体均为并联。

有益效果

本发明提供的一种超级电容协同重构被动均压装置及方法，运用低纹波重构算法离线分析得到重构方案，然后在线重构超级电容组，可以在充电过程中依次减少串联的超级电容单体，降低直流总线的电压，进而降低直流总线的纹波电压。同时采用开关均压电阻式的被动均压，运用协同控制算法控制并联在超级电容两端的开关均压电阻，通过开关的通断，将超级电容中多余的电荷转移到均压电阻上面，重复此过程，直至所有的超级电容都一致性达到相同的预期值。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的一种超级电容协同重构被动均压装置的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的一种超级电容协同重构被动均压装置的电源模块示意图；

图3是本发明实施例一提供的一种超级电容协同重构被动均压装置的可重构超级电容组模块示意图；

图4是本发明实施例一提供的可重构超级电容组模块中超级电容单体并联时相应开关状态示意图；

图5是本发明实施例一提供的可重构超级电容组模块中超级电容单体串联时相应开关状态示意图；

图6是本发明实施例一提供的一种超级电容协同重构被动均压装置的被动均压模块控制流程示意图；

图7是本发明实施例二提供的一种超级电容协同重构被动均压方法的流程示意图。

具体实施方式

为了方便更好地理解本发明的内容，下面结合具体实施例进行进一步阐述。

实施例一

图1是本发明实施例一提供的一种超级电容协同重构被动均压装置的结构示意图，包括：

模拟量采集模块100，用于实时采集超级电容单体电压和可重构超级电容组模块所在的直流总线电压；

控制模块200，用于按照预设重构规则确定重构方案，并根据可重构超级电容组模块所在的直流总线电压和重构方案向可重构超级电容组模块发出重构指令；

被动均压模块300，用于根据超级电容单体电压和预设被动均压规则向可重构超级电容组模块发出均压指令；

可重构超级电容组模块400，用于根据所述控制模块发送的重构指令，改变串联开关、并联开关和短路开关的断开或闭合调整超级电容单体之间的串并联关系，同时，根据所述被动均压模块发送的均压指令，改变均压电阻开关的断开或闭合进行被动均压；

电源转换模块500，用于将外部输入电源电压转换为适合所述模拟量采集模块、控制模块、被动均压模块和可重构超级电容组模块正常运转的工作电压。

其中，所述预设重构规则为将超级电容单体总个数N因数分解为m对因数，得到m个重构结构，再以m个重构结构为基础，根据所述可重构超级电容组所在的直流总线的实时电压与初始电压以及重构结构的对应关系，确定重构方案，N和m均为正整数；所述预设被动均压规则为当超级电容单体的实时电压与参考电压的差值为负数时，闭合所述超级电容单体对应的均压电阻开关。

所述重构方案为：

以RC(Se₁,Pe₁)作为可重构超级电容组模块开始充电时的初始结构；

每当达到切换条件时，将可重构超级电容组模块的结构依次从RC(Se_i,Pe_i)切换到RC(Se_j,Pe_j)；

以RC(Se_m,Pe_m)作为可重构超级电容组模块结束充电时的最终结构；

其中，所述切换条件为

式中V_dc为可重构超级电容组模块所在的直流总线的实时电压，V₀为可重构超级电容组模块所在直流总线的初始电压，j＝i+1且Se_i＞Se_j,i＝1,2,…,m-1,j＝2,3,…,m；

RC(Se_k,Pe_k)表示每Se_k个超级电容单体串联成一个串联组，再将得到的Pe_k个串联组进行并联，k＝1,2,…,m,N＝Se_k*Pe_k，N为6的整数倍，RC(Se₁,Pe₁)表示所有超级电容单体依次串联，RC(Se_m,Pe_m)表示所有超级电容单体均为并联。

所述的被动均压模块具体包括了：协同电压跟踪子模块，用于根据预设被动均压规则判断是否闭合均压电阻开关；补偿子模块，用于确定均压电阻开关在开关闭合到对应超级电容单体完成充电的时间段内的PWM波占空比，从而控制均压电阻开关闭合时长；

其中，协同电压跟踪子模块采用的计算公式为：

且l≠h，

式中，ε_h为超级电容单体实时电压与参考电压u₀的差值，N为超级电容单体总个数，u₀为参考电压，

u_l为第l个超级电容单体的实时电压；

补偿子模块采用的计算公式为：

式中，d_h为第h个超级电容单体对应的PWM波占空比，t为从均压电阻开关闭合到为0所经历的时间段，k_h为积分系数，取值为1，T_h为积分时间常数，取值为60。

所述预设重构规则即为发明人研究得出的低纹波重构算法。例如，当超级电容单体总个数为6时，因数分解得到(6,1)、(3,2)、(2,3)、(1,6)共4对组合，从而得到4种重构结构：

(1)将6个超级电容单体串联，简记RC(6,1)；

(2)先将每3个的超级电容单体串联得到2个串联组，再将2个串联组并联，简记RC(3,2)；

(3)先将每2个的超级电容单体串联得到3个串联组，再将3个串联组并联，简记RC(2,3)；

(4)将6个超级电容单体并联，简记RC(1,6)。

相对应的重构方案则为：

以RC(6,1)作为可重构超级电容组模块充电开始时的初始结构；

当

时，将可重构超级电容组模块的结构从RC(6,1)切换为RC(3,2)；

当

时，将可重构超级电容组模块的结构从RC(3,2)切换到RC(2,3)；

当时，将可重构超级电容组模块的结构从RC(2,3)切换到RC(1,6)。

故在整个充电过程中，可重构超级电容组模块的结构会经历依次由RC(6,1)切换到RC(3,2)，再切换到RC(2,3)，最后切换到RC(1,6)的过程，当切换为RC(1,6)后所有超级电容单体均为并联结构，只需再充电一段时间，就可以使得所有超级电容单体达到一致的电压值。

在上述的重构过程中，还伴随着被动均压的过程。协同电压跟踪子模块会实时监测超级电容单体的电压情况，一旦符合预设被动均压规则，则向可重构超级电容组模块中的均压电阻开关发送均压指令，均压电阻开关根据指令随即闭合，使得超级电容单体上多余的电荷转移到均压电阻上，从而调整超级电容单体的电压。为了更好的控制均压电阻的均压效果，本发明采用PID控制器作为补偿子模块，通过计算均压电阻开关的PWM波占空比来确定开关的闭合时长，从而更加灵活精准地调控超级电容单体的电压。具体控制过程如图6所示。

在本实施例中，可重构超级电容组模块包括超级电容单体、串联开关、并联开关、短路开关、均压电阻开关和均压电阻；其中，所述超级电容单体的总个数为6的整数倍；所述1个均压电阻开关、1个均压电阻和2个并联开关均与1个超级电容单体相连接；每2个超级电容单体之间串联有1个串联开关，并联有1个短路开关。如图3所示，可重构超级电容组模块一共包含6个超级电容单体(即图中的SC₁到SC₆)，每个超级电容单体的一端连接有一个并联开关(即图中的S_p,1到S_p,6)，每个超级电容单体的另一端连接有另一个并联开关(即图中的S_d,1到S_d,6)同时，每个超级电容单体上还并联有一个均压电阻开关(即图中的S_B,1到S_B,6)和一个均压电阻(即如中的R；如图可知，均压电阻和均压电阻开关为串联)，在每两个超级电容单体之间还串联有一个串联开关(即图中的S_r,1到S_r,i)，并联有一个短路开关(即图中的S_l,1到S_l,i)，故在实施例中，6个超级电容单体一共搭配了12个并联开关、6个均压电阻和6个均压电阻开关、5个串联开关和5个短路开关，因此，当超级电容单体的总个数为N(N必须为6的整数倍)时，需要串联开关个数为N-1，短路开关所需个数为N-1，并联开关所需个数为2N，均压电阻和均压电阻开关所需的个数均为N。为了达到最佳均压效果，每个均压电阻的电阻值必须满足公式其中，R为均压电阻阻值，N为超级电容单体总个数，Vmax为超级电容单体充电满额电压，该充电满额电压由本领域技术人员根据实际情况灵活确定，一般为2V，I为充电电流。

如图4所示，将每个超级电容单体的两个并联开关闭合，将短路开关和串联开关断开时，6个超级电容单体即构成相互并联的电路；如图5所示，将并联开关S_p,i和串联开关S_r，i闭合，将并联开关S_d,i和短路开关S_l,i断开，6个超级电容单体就构成了互相串联的电路。由此可见，通过调节上述各个类型的开关，可以改变超级电容单体之间的串并联关系。

在实施例一中，所述模拟量采集模块包括：数据交换子模块，用于与所述控制模块进行数据交换，具体采用双RAM接口实现；SPI通信子模块，用于通过数据交换子模块实现与所述控制模块进行SPI通信，具体采用SPI控制芯片实现；电平转换子模块，用于获取外部电压信号传感器获取到的超级电容单体电压和可重构超级电容组所在的直流总线电压，具体采用常见的电平转换器实现。SPI通信子模块通过电平转换子模块连接到用于采集电压信息的传感器，同时，SPI通信子模块通过双RAM接口与控制模块向连接。

所述控制模块包括：模拟量获取子模块，用于获取所述模拟量采集模块采集到的超级电容单体电压信号和可重构超级电容组所在的直流总线电压信号；滤波处理子模块，用于对所述模拟量获取子模块获取到的电压信号进行滤波处理，具体可以采用滑动平均滤波法处理电压信号；重构子模块，用于按照预设重构规则确定重构方案，并根据可重构超级电容组模块端电压和重构方案生成重构指令，具体可以采用DSP28335芯片实现；输出控制子模块，用于将重构子模块生成的重构指令发送给所述可重构超级电容组模块。重构子模块接收模拟量获取子模块发送的电压信息，并根据内置的重构规则生成重构指令，并将重构指令发送给输出控制子模块，随后输出控制子模块将重构指令分发到可重构超级电容组模块中的各个开关上，各个开关根据重构指令动作。

如图2所示，电源转换模块包括：EMI滤波子模块401，用于滤除外部电源中的高频干扰信号得到稳定的输入电源；直流/直流转换子模块402，用于将外部电源电压转换成适合所述模拟量采集模块、控制模块、被动均压模块和可重构超级电容组模块正常运转的工作电压；短路保护子模块403，用于为所述超级电容协同重构被动均压装置提供短路保护。在实施例一中，电源转换模块将列车提供的110V工作电源，转换成5V工作电源给控制模块供电，转换成24V工作电源，给PWM供电。

综上所述，本发明提供的一种超级电容协同重构被动均压装置，运用低纹波重构算法离线分析得到重构方案，然后在线重构超级电容组，可以在充电过程中依次减少串联的超级电容单体，降低直流总线的电压，进而降低直流总线的纹波电压。同时采用开关均压电阻式的被动均压，运用协同控制算法控制并联在超级电容两端的开关均压电阻，通过开关的通断，将超级电容中多余的电荷转移到均压电阻上面，重复此过程，直至所有的超级电容都一致性达到相同的预期值。

实施例二

图7是本发明实施例二提供的一种超级电容协同重构被动均压方法的流程示意图，包括：

步骤S1：按照预设重构规则确定重构方案；

步骤S2：实时采集超级电容单体电压和可重构超级电容组所在的直流总线电压；

步骤S3：根据可重构超级电容组所在的直流总线电压和重构方案对可重构超级电容组进行重构操作，同时，根据超级电容单体电压和预设被动均压规则对超级电容单体进行被动均压操作；

步骤S4：当可重构超级电容组中的所有超级电容单体电压达到一致时停止充电；

其中，所述预设重构规则为将超级电容单体总个数N因数分解为m对因数，得到m个重构结构，再以m个重构结构为基础，根据所述可重构超级电容组所在的直流总线的实时电压与初始电压以及重构结构的对应关系，确定重构方案，N和m均为正整数；

所述重构操作为根据重构方案改变串联开关、并联开关和短路开关的断开或闭合调整超级电容单体之间的串并联关系；

所述预设被动均压规则为当超级电容单体的实时电压与参考电压的差值为负数时，闭合所述超级电容单体对应的均压电阻开关；

超级电容单体的实时电压与参考电压的差值计算公式为：

且l≠h

式中，ε_h为超级电容单体实时电压与参考电压u₀的差值，N为超级电容单体总个数，

u_l为第l个超级电容单体的实时电压；

所述被动均压操作为确定均压电阻开关在开关闭合到对应超级电容单体完成充电的时间段内的PWM波占空比，从而控制均压电阻开关闭合时长；

PWM波占空比计算公式为：

式中，d_h为第h个超级电容单体对应的PWM波占空比，t为从均压电阻开关闭合到差值ε_h为0所经历的时间段，k_h为积分系数，取值为1，T_h为积分时间常数，取值为60；

所述可重构超级电容组包括超级电容单体、串联开关、并联开关、短路开关、均压电阻开关和均压电阻；

其中，所述超级电容单体的总个数为6的整数倍；

所述1个均压电阻开关、1个均压电阻和2个并联开关均与1个超级电容单体相连接；

每2个超级电容单体之间串联有1个串联开关，并联有1个短路开关。

具体而言，所述重构方案为：

步骤S11：以RC(Se₁,Pe₁)作为可重构超级电容组模块开始充电时的初始结构；

步骤S12：每当达到切换条件时，将可重构超级电容组模块的结构依次从RC(Se_i,Pe_i)切换到RC(Se_j,Pe_j)；

步骤S13：以RC(Se_m,Pe_m)作为可重构超级电容组模块结束充电时的最终结构；

其中，所述切换条件为

式中V_dc为可重构超级电容组模块所在的直流总线的实时电压，V₀为可重构超级电容组模块所在直流总线的初始电压，j＝i+1且Se_i＞Se_j,i＝1,2,…,m-1,j＝2,3,…,m；

RC(Se_k,Pe_k)表示每Se_k个超级电容单体串联成一个串联组，再将得到的Pe_k个串联组进行并联，k＝1,2,…,m,N＝Se_k*Pe_k，N为6的整数倍，RC(Se₁,Pe₁)表示所有超级电容单体依次串联，RC(Se_m,Pe_m)表示所有超级电容单体均为并联。

关于上述方法实施例中各个步骤的具体实施细节和描述可参照上述装置实施例中各个模块的具体工作原理的相应部分的描述，此处不再赘述。

综上所述，本发明提供的一种超级电容协同重构被动均压方法，运用低纹波重构算法离线分析得到重构方案，然后在线重构超级电容组，可以在充电过程中依次减少串联的超级电容单体，降低直流总线的电压，进而降低直流总线的纹波电压。同时采用开关均压电阻式的被动均压，运用协同控制算法控制并联在超级电容两端的开关均压电阻，通过开关的通断，将超级电容中多余的电荷转移到均压电阻上面，重复此过程，直至所有的超级电容都一致性达到相同的预期值。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超级电容协同重构被动均压装置，其特征在于，包括：

模拟量采集模块，用于实时采集超级电容单体电压和可重构超级电容组模块所在的直流总线电压；

控制模块，用于按照预设重构规则确定重构方案，并根据可重构超级电容组模块所在的直流总线电压和重构方案向可重构超级电容组模块发出重构指令；

被动均压模块，用于根据超级电容单体电压和预设被动均压规则向可重构超级电容组模块发出均压指令；

可重构超级电容组模块，用于根据所述控制模块发送的重构指令，改变串联开关、并联开关和短路开关的断开或闭合调整超级电容单体之间的串并联关系，同时，根据所述被动均压模块发送的均压指令，改变均压电阻开关的断开或闭合进行被动均压；

电源转换模块，用于将外部输入电源电压转换为适合所述模拟量采集模块、控制模块、被动均压模块和可重构超级电容组模块正常运转的工作电压；

其中，所述预设重构规则为将超级电容单体总个数N因数分解为m对因数，得到m个重构结构，再以m个重构结构为基础，根据所述可重构超级电容组所在的直流总线的实时电压与初始电压以及重构结构的对应关系，确定重构方案，N和m均为正整数；

所述预设被动均压规则为当超级电容单体的实时电压与参考电压的差值为负数时，闭合所述超级电容单体对应的均压电阻开关；

所述重构方案为：

以RC(Se₁,Pe₁)作为可重构超级电容组模块开始充电时的初始结构；

每当达到切换条件时，将可重构超级电容组模块的结构依次从RC(Se_i,Pe_i)切换到RC(Se_j,Pe_j)；

以RC(Se_m,Pe_m)作为可重构超级电容组模块结束充电时的最终结构；

其中，所述切换条件为

式中V_dc为可重构超级电容组模块所在的直流总线的实时电压，V₀为可重构超级电容组模块所在直流总线的初始电压，j＝i+1且Se_i＞Se_j,i＝1,2,…,m-1,j＝2,3,…,m；

RC(Se_k,Pe_k)表示每Se_k个超级电容单体串联成一个串联组，再将得到的Pe_k个串联组进行并联，k＝1,2,…,m,N＝Se_k*Pe_k，N为6的整数倍，RC(Se₁,Pe₁)表示所有超级电容单体依次串联，RC(Se_m,Pe_m)表示所有超级电容单体均为并联；

所述被动均压模块包括：

协同电压跟踪子模块，用于根据预设被动均压规则判断是否闭合均压电阻开关，当需要闭合均压电阻开关时，向可重构超级电容组模块发送均压指令；

补偿子模块，用于确定均压电阻开关在开关闭合到对应超级电容单体完成充电的时间段内的PWM波占空比，从而控制均压电阻开关闭合时长；

其中，协同电压跟踪子模块采用的计算公式为：

且l≠h，

式中，ε_h为超级电容单体实时电压与参考电压u₀的差值，N为超级电容单体总个数，

u_l为第l个超级电容单体的实时电压，u_h为第h个超级电容单体的实时电压；

补偿子模块采用的计算公式为：

式中，d_h为第h个超级电容单体对应的PWM波占空比，t为从均压电阻开关闭合到差值ε_h为0所经历的时间段，k_h为积分系数，取值为1，T_h为积分时间常数，取值为60。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述可重构超级电容组模块包括超级电容单体、串联开关、并联开关、短路开关、均压电阻开关和均压电阻；

其中，所述超级电容单体的总个数为6的整数倍；

1个均压电阻开关、1个均压电阻和2个并联开关均与1个超级电容单体相连接；

每2个超级电容单体之间串联有1个串联开关，并联有1个短路开关。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述均压电阻的阻值R确定公式为：

其中，N为超级电容单体总个数，V_max为超级电容单体充电满额电压，I为充电电流。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述模拟量采集模块包括：

数据交换子模块，用于与所述控制模块进行数据交换；

SPI通信子模块，用于通过数据交换子模块实现与所述控制模块进行SPI通信；

电平转换子模块，用于获取外部电压信号传感器获取到的超级电容单体电压和可重构超级电容组所在的直流总线电压。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述控制模块包括：

模拟量获取子模块，用于获取所述模拟量采集模块采集到的超级电容单体电压信号和可重构超级电容组所在的直流总线电压信号；

滤波处理子模块，用于对所述模拟量获取子模块获取到的电压信号进行滤波处理；

重构子模块，用于按照预设重构规则确定重构方案，并根据可重构超级电容组模块端电压和重构方案生成重构指令；

输出控制子模块，用于将重构子模块生成的重构指令发送给所述可重构超级电容组模块。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述电源转换模块包括：

EMI滤波子模块，用于滤除外部电源中的高频干扰信号得到稳定的输入电源；

直流/直流转换子模块，用于将外部电源电压转换成适合所述模拟量采集模块、控制模块和可重构超级电容组模块正常运转的工作电压；

短路保护子模块，用于为所述超级电容协同重构被动均压装置提供短路保护。

7.一种超级电容协同重构被动均压方法，其特征在于，包括：

步骤S1：按照预设重构规则确定重构方案；

步骤S2：实时采集超级电容单体电压和可重构超级电容组所在的直流总线电压；

步骤S3：根据可重构超级电容组所在的直流总线电压和重构方案对可重构超级电容组进行重构操作，同时，根据超级电容单体电压和预设被动均压规则对超级电容单体进行被动均压操作；

步骤S4：当可重构超级电容组中的所有超级电容单体电压达到一致时停止充电；

其中，所述预设重构规则为将超级电容单体总个数N因数分解为m对因数，得到m个重构结构，再以m个重构结构为基础，根据所述可重构超级电容组所在的直流总线的实时电压与初始电压以及重构结构的对应关系，确定重构方案，N和m均为正整数；

所述重构操作为根据重构方案改变串联开关、并联开关和短路开关的断开或闭合调整超级电容单体之间的串并联关系；

所述预设被动均压规则为当超级电容单体的实时电压与参考电压的差值为负数时，闭合所述超级电容单体对应的均压电阻开关；

超级电容单体的实时电压与参考电压的差值计算公式为：

且l≠h

式中，ε_h为超级电容单体实时电压与参考电压u₀的差值，N为超级电容单体总个数，

u_l为第l个超级电容单体的实时电压，u_h为第h个超级电容单体的实时电压；

所述被动均压操作为确定均压电阻开关在开关闭合到对应超级电容单体完成充电的时间段内的PWM波占空比，从而控制均压电阻开关闭合时长；

PWM波占空比计算公式为：

式中，d_h为第h个超级电容单体对应的PWM波占空比，t为从均压电阻开关闭合到差值ε_h为0所经历的时间段，k_h为积分系数，取值为1，T_h为积分时间常数，取值为60；

所述可重构超级电容组包括超级电容单体、串联开关、并联开关、短路开关、均压电阻开关和均压电阻；

其中，所述超级电容单体的总个数为6的整数倍；

1个均压电阻开关、1个均压电阻和2个并联开关均与1个超级电容单体相连接；

每2个超级电容单体之间串联有1个串联开关，并联有1个短路开关；

所述重构方案为：

步骤S11：以RC(Se₁,Pe₁)作为可重构超级电容组模块开始充电时的初始结构；

步骤S12：每当达到切换条件时，将可重构超级电容组模块的结构依次从RC(Se_i,Pe_i)切换到RC(Se_j,Pe_j)；

步骤S13：以RC(Se_m,Pe_m)作为可重构超级电容组模块结束充电时的最终结构；

其中，所述切换条件为

式中V_dc为可重构超级电容组模块所在的直流总线的实时电压，V₀为可重构超级电容组模块所在直流总线的初始电压，j＝i+1且Se_i＞Se_j,i＝1,2,…,m-1,j＝2,3,…,m；

RC(Se_k,Pe_k)表示每Se_k个超级电容单体串联成一个串联组，再将得到的Pe_k个串联组进行并联，k＝1,2,…,m,N＝Se_k*Pe_k，N为6的整数倍，RC(Se₁,Pe₁)表示所有超级电容单体依次串联，RC(Se_m,Pe_m)表示所有超级电容单体均为并联。

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