CN108988455A - 一种基于协同控制的超级电容电压均衡方法及其均衡装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于协同控制的超级电容电压均衡方法及其均衡装置，包括：步骤1：在充电过程周期性采集每个超级电容单体的端电压；每个超级电容单体相互串接，且每个超级电容单体分别并联一组串接的开关电阻和开关；步骤2：根据每次采集到的每个超级电容单体的端电压实时进行均衡处理，均衡过程为：将当前采集到的每个超级电容单体的端电压和平均端电压输入至一致性跟踪器得到每个超级电容单体的误差信号；将每个误差信号分别输入误差补偿器得到每个超级电容单体的均衡控制信号；根据每个超级电容单体的均衡控制信号控制每个开关的开闭。本发明通过所述方法控制超级电容单体与开关电阻之间的电荷转移来实现超级电容单体的电压均衡。

Description

一种基于协同控制的超级电容电压均衡方法及其均衡装置

技术领域

本发明属于超级电容技术领域，具体涉及一种基于协同控制的超级电容电压均衡方法及其均衡装置。

背景技术

在超级电容器的实际应用中,由于其单体电压的限制(0-2.7V),常需要进行单体的串联。理想状态时，同型号的超级电容参数和性能应该是完全一致的，即每个超级电容单体的充放电曲线完全一致。但是，由于制造工艺、老化等因素导致超级电容单体参数和性能是有差别的。如果不对超级电容单体采取均衡处理,可能会使得串联超级电容组中某些单体过充或者储能不足，严重影响超级电容和储能系统的性能和寿命。但现有的均衡技术没有进行超级电容单体之间的协同，在均衡过程中会出现电压的振荡，或是某些单体的过充，不能达到真正的电压均衡，减少系统的储能特性，造成单体的快速老化。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于协同控制的超级电容电压均衡方法及其均衡装置，通过对串联电容组进行单体电压的一致性跟踪，进而控制与超级电容并联的开关的开断实现调节超级电容单体的电压，最终实现串联超级电容组单体电压的真正均衡，提高系统性能并延长超级电容使用寿命。

一方面，本发明提供的一种基于协同控制的超级电容电压均衡方法，包括如下步骤：

步骤1：对超级电容单体进行充电，并在充电期间周期性采集每个超级电容单体的端电压；

其中，每个超级电容单体相互串接，且每个超级电容单体分别并联一个均衡元件，所述均衡元件为串接的开关电阻和开关；

周期性采集端电压为首先采集初始端电压，再以初始端电压采集时间为起始时刻并每间隔一个周期采集一下每个超级电容单体的端电压；

步骤2：根据每次采集到的每个超级电容单体的端电压实时进行均衡处理；

其中，重复步骤1和步骤2直至所有超级电容单体都达到额定电压，若均达到额定电压则结束充电；

其中，当前采集到各个超级电容单体的端电压后，进行均衡处理的过程均如下：

a：依据当前周期采集到的每个超级电容单体的端电压计算出平均端电压；

b：将计算出的平均端电压以及每个超级电容单体的端电压输入至一致性跟踪器得到每个超级电容单体的误差信号；

c：将每个超级电容单体的误差信号分别输入误差补偿器得到每个超级电容单体对应的均衡控制信号；

其中，均衡控制信号为每个超级电容单体的均衡元件中开关的开闭控制信号；

d：根据每个超级电容单体的均衡控制信号控制每个电容单体的均衡元件中开关的开闭，实现超级电容单体与开关电阻的导通控制，以便控制超级电容单体与开关电阻之间的电荷转移来实现超级电容单体的电压均衡。

每个超级电容单体配置一个均衡元件，因此，均衡元件中的开关电阻和开关并联在超级电容单体的两端，若开关导通，可以使得超级电容单体上的电荷转移到开关电阻上。本发明通过巧妙设计的均衡元件，可以有效且低成本的实现电荷转移；基于该原理本方法在充电过程中周期性检测相邻电压，采用一边充电一边均衡的方式，通过在单体进行一致性协同，不会出现电压振荡或过充的现象，超级电容单体间的电压均衡效果好，能最终实现超级电容单体SOC的一致性，提高储能效率，延长单体寿命。其中，本发明巧妙地将一致性跟踪器与误差补偿器结合起来，误差补偿器考虑一致性跟踪器的误差信号的积分和微分特性，相较于直接利用一致性跟踪器的误差信号进行控制的方式，本发明具有更快的跟随性能以及消除稳态误差。

进一步优选，步骤b中每个超级电容单体的误差信号的获取方式如下：

式中，δ_i为得到的超级电容单体i的误差信号，g_i是跟随牵引增益。a_i是均衡增益。且g_i+a_i＝1，Z_Vg为额定的期望端电压，Z_Vi为超级电容单体i的端电压，为当前周期所有超级电容单体的平均端电压。

进一步优选，步骤c中每个超级电容单体对应的均衡控制信号的获取方式如下：

式中，Δ(t)_i为超级电容单体i对应的控制开关闭合的时长在开关开闭控制信号周期时长的占比，k_p为误差补偿器的增益，τ_i和τ_d分别为误差补偿器的积分参数、微分参数，为误差信号的微分。

例如，误差补偿器输出的是PWM信号，Δ(t)_i则为超级电容单体i对应的控制开关闭合的时长在一个PWM信号周期的占比。其中，PWM信号的周期与采集端电压的周期是相等的，即从控制环路来说，从采集到给出控制信号是在同一个周期内完成的。误差补偿器可使用简单而实用的比例-积分-微分(PID)控制器来进行调节，例如除了上述时域的表述方式，从频域的角度来说，该误差补偿器的设计公式如下：

其中，s_i为一致性跟踪器的输出δ_i的Laplace变换后的信号，该误差补偿器生成的信号Δ(s)_i经过Laplace反变换后即送到信号驱动模块产生被动均衡电路模块开关的开闭驱动信号来调节超级电容的充电速率，充电速度是依靠控制开关的闭合时间来调节。

进一步优选，所述误差补偿器输出的均衡控制信号为PWM信号。

另一方面，本发明提供的一种基于上述方法的均衡装置，包括：协同控制模块、信号驱动模块、被动均衡电路模块、传感采集模块以及供电电源模块；

其中，协同控制模块、信号驱动模块、被动均衡电路模块依次连接，协同控制模块和被动均衡电路模块均与传感采集模块连接；

所述协同控制模块，用于超级电容电压被动均衡控制；

所述信号驱动模块，用于对协同控制模块的均衡控制信号进行转换得到每个超级电容单体的均衡元件中开关的开闭驱动信号；

所述被动均衡电路模块包括相互串接的超级电容单体以及每个超级电容单体的均衡元件；

所述传感采集模块，用于采集所述被动均衡电路模块中每个超级电容单体的端电压；

所述供电电源模块，用于给所述均衡装置的元件供电。

应当知道，上述模块是功能性划分，在实际实现过程中，可以将上述一个或多个模块的功能集中在同一个硬件元件中来实现，本发明对此不进行具体的限定。传感采集模块采集的端电压信号传送给协同控制模块，协同控制模块采用上述均衡方法得到控制信号，再将控制信号传输给信号驱动模块进行电平转换得到每个超级电容单体上均衡元件中开关的开闭驱动信号，进而控制开关的开闭，实现超级电容单体上的电荷转移实现均衡控制。

进一步优选，所述协同控制模块中设有一致性跟踪器和误差补偿器。

进一步优选，所述协同控制模块为DSP2808控制器，所述协同控制模块通过GPIO口连接所述信号驱动模块，信号驱动模块的输出信号包括：开闭驱动信号以及超级电容电压、电流采集信号。

本发明针对均衡元件中开关的开闭控制优选开闭驱动信号，即将误差补偿器生成的均衡控制信号Δ(t)_i转换为PWM信号，用来确定开关的闭合。

进一步优选，所述协同控制模块的数量与超级电容单体的数量相等。

每个超级电容单体匹配一个协同控制模块，可以实现超级电容的分布式电压均衡。

进一步优选，所述传感采集模块包括：用于实现与外部编码器数据交互的双口RAM、用于实现与协同控制模块通信的通信芯片、用于实现数据采集与电平转换的传感器、以及用于实现信号滤波的低通滤波电路；

其中，所述传感器、低通滤波电路连接、双口RAM以及协同控制模块相互连接。

进一步优选，所述通信芯片为SPI通信芯片。

有益效果

1、以往的充电均衡方法只考虑了本单体的充电状况，没有考虑其他单体的充电状况，因此会出现某些单体充满后而其他单体还没有充满的情形，会出现一定的程度的过充，并且在均衡过程中由于开关电阻阻值参数的影响，可能出现振荡。而本发明提供的均衡方法和均衡装置针对每个超级电容单体进行均衡时，不单单考虑到本单体的充电状态，还考虑到其他超级电容单体的充电状况，其针对每个超级电容单体进行均衡控制时，是基于当前时刻本单体的端电压及其所有单体的端电压作为考虑因子进行控制的，因此有效地解决了现有技术超级电容单体存在过充的问题。且通过周期性的检测，采用一边充电一边均衡的方式进行一致性协同控制，不会出现电压振荡或过充的现象，超级电容单体间的电压均衡效果好，能最终实现超级电容单体SOC的一致性，提高储能效率，延长单体寿命。

2、本发明巧妙地将一致性跟踪器与误差补偿器结合起来，误差补偿器考虑一致性跟踪器的误差信号的积分和微分特性，相较于直接利用一致性跟踪器的误差信号进行控制的方式，本发明具有更快的跟随性能以及消除稳态误差。

3、本发明给每个超级电容单体配置一个均衡元件，因此，均衡元件中的开关电阻和开关并联在超级电容单体的两端，若开关导通，可以使得超级电容单体上的电荷转移到开关电阻上。本发明通过巧妙设计的均衡元件，可以有效且低成本的实现电荷转移。

4、采用本发明所述的均衡方法和均衡装置，对于开关电阻的选择没有特殊要求，提高了本装置的适用性。

附图说明

图1是本发明提供的均衡装置的模块示意图；

图2是本发明提供的供电电源模块的示意图；

图3是本发明提供的均衡方法的流程图；

图4是本发明提供的均衡装置的电路示意图；

其中，附图标记的进一步说明如下：

1、协同控制模块，2、被动均衡电路模块，3、信号驱动模块，4、传感采集模块，5、电源供电模块。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。参见图1，本实施例提供的一种基于协同控制的超级电容电压均衡装置包括：协同控制模块1、被动均衡电路模块2、信号驱动模块3、传感采集模块4和电源供电模块5。如图4所示，被动均衡电路模块2包括相互串接的超级电容单体以及每个超级电容单体的均衡元件，均衡元件包括串接的开关电阻和开关。本实施例中控制开关开闭的信号为PWM信号，因此开关可以采用现有的半导体开关。通过开关和电阻进行超级电容单体的均衡，即是否接入电阻来控制超级电容充电速率或者储能能量的大小。

其中，协同控制模块1采用通用输出端口连接信号驱动模块3，信号驱动模块3连接到被动均衡电路模块2中超级电容单体所并联的开关上，协同控制模块1通过信号驱动模块3输出控制被动均衡电路模块2的开关控制信号，控制超级电容单体并联的开关的闭合，通过单体电压的差异进行调节，实现超级电容单体多余能量的释放；协同控制模块1通过总线通信控制器与传感采集模块4相连读取超级电容单体的电压信号；然后超级电容单体的电压送至协同控制模块1作为协同控制算法调节的依据，从而实现超级电容单体的电压一致性均衡。电源供电模块5为整个均衡系统提供电源。

协同控制模块1：用于超级电容电压被动均衡控制。本实施例中，协同控制模块1的数量与被动均衡电路模块2中超级电容单体的数量相同，即每个超级电容单体匹配一个协同控制模块1，协同控制模块1中设有一致性跟踪器和误差补偿器，本实施例中一致性跟踪器和误差补偿器是通过协同控制模块1内部的程序软件来实现的。本实施例中协同控制模块1选择为DSP2808控制器，该DSP2808控制器通过GPIO口连接所述信号驱动模块3。

信号驱动模块3：受协同控制模块1的控制信号，进行电平转换将其转化为均衡电路开关的驱动信号，可以控制均衡元件中开关的通断，将超级电容中多余的电荷转移到并联的开关电阻上面。本实施例中，信号驱动模块3的输出信号包括：开闭驱动信号以及超级电容电压采集信号。

传感采集模块4包括：用于实现与外部编码器数据交互的双口存储单元RAM、用于实现与协同控制模块1通信的通信芯片、用于实现数据采集与电平转换的传感器、以及用于实现信号滤波的低通滤波电路。传感器采集超级电容电压数据经过低通滤波器得到噪声较少的数据，其通信芯片连接到用于采集模拟量的传感器，协同控制模块1通过外部地址数据总线和一双端口存储单元来与通信芯片连接，可以通过通信总线为协同控制模块1提供超级电容的电压数据。本实施例中通信芯片为SPI通信芯片。

电源供电模块5：直流24V电压通过电源转换模块后为整个均衡系统提供电源，转换为±15V的正负电压为传感采集模块4供电。转换为5V的电源用来给协同控制模块1供电。如图2所示，直流24V电源首先经过EMI滤波模块滤除高频干扰信号，然后通过DC-DC转换出稳定的±15V电源，来给传感采集模块4供电；转换出的5V电源处理后供协同控制模块1的DSP使用。

如图3所示，基于上述均衡装置，本发明提供的均衡方法包括如下步骤：

步骤1：对超级电容单体进行充电，并周期性采集每个超级电容单体的端电压；

其中，每个超级电容单体相互串接，且每个超级电容单体分别并联一个均衡元件，所述均衡元件为串接的开关电阻和开关；

周期性采集端电压为首先采集初始端电压，再以初始端电压采集时间为起始时刻并每间隔一个周期采集一次端电压；其中，将初始端电压可以视为0周期下采集的端电压。

步骤2：根据每次采集到的每个超级电容单体的端电压实时进行均衡处理，

重复步骤1和步骤2直至所有超级电容单体都达到额定电压，若均达到额定电压则结束充电。

需要说明的是，本实施例中每次采集到每个超级电容单体的端电压后均进行均衡处理。

其中，每次采集到各个超级电容单体的端电压后，进行均衡处理的过程均如下：

a：依据当前周期采集到的每个超级电容单体的端电压计算出平均端电压；

b：将计算出的平均端电压以及每个超级电容单体的端电压输入至一致性跟踪器得到每个超级电容单体的误差信号；

其中，在充电过程中，比较每个超级电容单体的端电压和所有单体的平均端电压，若这两个电压不相等，意味着出现了不均衡。为了便于说明该协同一致性控制方法，选取超级电容组中的某一单体作为实例，如第i个超级电容单体，而其他单体的处理方法与其相同。一致性跟踪器可由如下公式表示：

式中，δ_i为得到的超级电容单体i的误差信号，g_i是跟随牵引增益。a_i是均衡增益。且g_i+a_i＝1，如果要求跟踪速度快，则跟随牵引增益g_i适当增加，如果要求均衡速度快，则均衡增益a_i适当增加。Z_Vg为额定的期望端电压，其由超级电容器件参数决定，是超级电容充满时的标称电压。Z_Vi为超级电容单体i的端电压，为当前周期所有超级电容单体的平均端电压。

一致性电压跟踪器可以很清楚表示均衡系统的一致性目标，不仅描述目标的一致性，并且表述了超级电容单体之间的信息交互。从式(1)可知，超级电容均衡系统要达到电压的一致性，需要达到两个条件，第一，所有超级电容单体的端电压达到目标电压；第二，所有超级电容单体的电压相同。

为保证均衡效果，一致性电压跟踪器产生的误差信号并不直接送往信号驱动模块用于均衡元件的开关控制，而是再通过一个误差补偿器，该误差补偿器接受一致性电压跟踪器的误差信号，再经过计算输出均衡控制信号，该均衡控制信号再送到信号驱动模块生成均衡元件中开关的开闭驱动信号，因此如下步骤c：

c：将每个超级电容单体的误差信号分别输入误差补偿器得到每个超级电容单体对应的均衡控制信号；

其中，均衡控制信号为每个超级电容单体的均衡元件中开关的开闭信号；

d：根据每个超级电容单体的均衡控制信号控制每个电容单体的均衡元件中开关的开闭，实现超级电容单体与开关电阻的导通控制，以便控制超级电容单体与开关电阻之间的电荷转移来实现超级电容单体的电压均衡。

具体是将均衡控制信号输入至信号驱动模块进行电平转换得到开闭驱动信号，本实施例中，误差补偿器给出的均衡控制信号为PWM信号。

每个超级电容单体对应的均衡控制信号的获取方式如下：

式中，Δ(t)_i为超级电容单体i对应的控制开关闭合的时长在PWM信号的占比。其中，频域下的表述形式如下：：

其中，s_i为一致性跟踪器的输出δ_i的Laplace变换后的信号，该误差补偿器生成的信号Δ(s)_i过Laplace反变换后即送到信号驱动模块产生均衡电路开关信号来调节超级电容的充电速率，其调节充电速率只要是通过控制开关的闭合时间来调节。

本项目的开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。

需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于协同控制的超级电容电压均衡方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：对超级电容单体进行充电，并在充电期间周期性采集每个超级电容单体的端电压；

其中，每个超级电容单体相互串接，且每个超级电容单体分别并联一个均衡元件，所述均衡元件包括串接的开关电阻和开关；

周期性采集端电压为首先采集初始端电压，再以初始端电压采集时间为起始时刻并每间隔一个周期采集一下每个超级电容单体的端电压；

步骤2：根据每次采集到的每个超级电容单体的端电压实时进行均衡处理；

其中，重复步骤1和步骤2直至所有超级电容单体都达到额定电压，若均达到额定电压则结束充电；

其中，当前采集到各个超级电容单体的端电压后，进行均衡处理的过程均如下：

a：依据当前周期采集到的每个超级电容单体的端电压计算出平均端电压；

b：将计算出的平均端电压以及每个超级电容单体的端电压输入至一致性跟踪器得到每个超级电容单体的误差信号；

c：将每个超级电容单体的误差信号分别输入误差补偿器得到每个超级电容单体对应的均衡控制信号；

其中，均衡控制信号为每个超级电容单体的均衡元件中开关的开闭控制信号；

d：根据每个超级电容单体的均衡控制信号控制每个电容单体的均衡元件中开关的开闭，实现超级电容单体与开关电阻的导通控制，以便控制超级电容单体与开关电阻之间的电荷转移来实现超级电容单体的电压均衡。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤b中每个超级电容单体的误差信号的获取方式如下：

式中，δ_i为得到的超级电容单体i的误差信号，g_i是跟随牵引增益。a_i是均衡增益。且g_i+a_i＝1，Z_Vg为额定的期望端电压，Z_Vi为超级电容单体i的端电压，为当前周期所有超级电容单体的平均端电压。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤c中每个超级电容单体对应的均衡控制信号的获取方式如下：

式中，Δ(t)_i为超级电容单体i对应的控制开关闭合的时长在开关开闭控制信号周期时长的占比，k_p为误差补偿器的增益，τ_i和τ_d分别为误差补偿器的积分参数、微分参数，为误差信号的微分。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述误差补偿器输出的均衡控制信号为PWM信号。

5.一种基于权利要求1-4任一项所述方法的均衡装置，其特征在于：包括：协同控制模块、信号驱动模块、被动均衡电路模块、传感采集模块以及供电电源模块；

其中，协同控制模块、信号驱动模块、被动均衡电路模块依次连接，协同控制模块和被动均衡电路模块均与传感采集模块连接；

所述协同控制模块，用于超级电容单体的电压被动均衡控制；

所述信号驱动模块，用于对协同控制模块的均衡控制信号进行转换得到每个超级电容单体的均衡元件中开关的开闭驱动信号；

所述被动均衡电路模块包括相互串接的超级电容单体以及每个超级电容单体的均衡元件；

所述供电电源模块，用于给所述均衡装置的元件供电。

6.根据权利要求5所述的均衡装置，其特征在于：所述协同控制模块中设有一致性跟踪器和误差补偿器。

7.根据权利要求5所述的均衡装置，其特征在于：所述协同控制模块为DSP2808控制器，所述协同控制模块通过GPIO口连接所述信号驱动模块，信号驱动模块的输出信号包括：开闭驱动信号以及超级电容电压、电流采集信号。

8.根据权利要求5所述的均衡装置，其特征在于：所述协同控制模块的数量与超级电容单体的数量相等。

9.根据权利要求5所述的均衡装置，其特征在于：所述传感采集模块包括：用于实现与外部编码器数据交互的双口RAM、用于实现与协同控制模块通信的通信芯片、用于实现数据采集与电平转换的传感器、以及用于实现信号滤波的低通滤波电路；

其中，所述传感器、低通滤波电路连接、双口RAM以及协同控制模块相互连接。

10.根据权利要求9所述的均衡装置，其特征在于：所述通信芯片为SPI通信芯片。