CN110120694A - 超级电容智能均衡装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超级电容智能均衡装置，包括驱动模块和均衡模块，驱动模块对智能控制模块输出的高频PWM控制信号进行隔离和放大后施加到均衡模块的功率开关管上；均衡模块与电容器组相连，由若干个相同的均衡单元组成，每个单体电容器对应一个均衡单元，每个均衡单元均包含一个电子变压器、两个功率开关管，且根据变压器的电磁隔离作用，将均衡单元分为变压器原边电路和变压器副边电路，变压器原边与一个功率开关管、一个单体电容器串联构成变压器原边电路，变压器副边与另一个功率开关管、电容器组串联构成变压器副边电路。本发明能够快速有效地使单体电容器状态不平衡的电容器组达到比较平衡的状态，提高了电容器组的实际使用容量。

Description

超级电容智能均衡装置

技术领域

本发明属于储能技术领域，具体涉及一种超级电容智能均衡技术。

背景技术

与蓄电池和传统物理电容器相比，超级电容器具有功率密度高、循环寿命长、工作温限宽、免维护、绿色环保等特点，因此其应用越来越广泛。在辅助峰值功率、备用电源、存储再生能量、替代电源等领域，超级电容器以其优异的性能被认为是当前最有应用前景的储能方式之一。当前超级电容器的单体电压不高(一般为1-4V)，因此在实际应用中，超级电容器一般要串联或并联使用，以提供更多的能量和更大的功率。由于超级电容器在制造过程中参数具有不一致性，在使用过程中这种不一致性会越来越明显。在电容器组充放电过程中，当任意一个单体电容器的电压过高或过低时都会导致对整组电容器的充放电停止。由此可见，如果电容器组中的单体电容器电压不均衡，那么整组电容器的使用容量会大大降低；同时其寿命也会大大缩短。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种超级电容智能均衡装置，解决电容器组中的单体电容器电压不均衡的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：超级电容智能均衡装置，包括采样模块、智能控制模块、驱动模块和均衡模块,所述采样模块与电容器组相连，采集电容器组中各个单体电容器的电压、连接状态和电容器组电流的信息,所述智能控制模块由微控制器、输入电路和输出电路组成，输入电路连接采集模块，将采集到的数据传输给微控制器，输出电路与驱动模块相连，将微控制器的控制信号传输给驱动模块，微控制器根据采集模块的采样值判断电容器组在充电或放电时各个单体电容器的荷电状态是否在规定的范围内，控制驱动模块对低电压单体电容器进行充电或对高电压单体电容器进行放电,所述驱动模块连接在智能控制模块和均衡模块之间，对智能控制模块输出的高频PWM控制信号进行隔离和放大后施加到均衡模块的功率开关管上；所述均衡模块与电容器组相连，由若干个相同的均衡单元组成，每个单体电容器对应一个均衡单元，每个均衡单元均包含一个电子变压器、两个功率开关管，且根据变压器的电磁隔离作用，将均衡单元分为变压器原边电路和变压器副边电路，变压器原边与一个功率开关管、一个单体电容器串联构成变压器原边电路，变压器副边与另一个功率开关管、电容器组串联构成变压器副边电路。

可选的，每个功率开关管均反向并联一个续流二极管。

可选的，每个均衡单元的变压器副边电路均并联连接，电路的一端与电容器组的正极连接,另一端与电容器组的负极连接。

可选的，每个均衡单元中的变压器原边电路和变压器副边电路均设置保护电路。

可选的，保护电路包括过压保护电路、过流保护电路，其中过压保护电路与功率开关管并联，过流保护电路与功率开关管串联。

可选的，每个均衡单元的变压器原边电路均连接一个信号隔离电路和一个信号功率放大电路，隔离方式采用光电隔离或电磁隔离。

可选的，在驱动功率不够时，每个均衡单元的变压器原边电路均连接一个电源隔离模块，且功率开关管的地与单体电容器的负极相连。

可选的，变压器副边电路的功率开关管的驱动有如下两种方式：

1)采用非隔离方式：电容器组的地与智能控制模块的地直接相连，智能控制模块的控制信号直接经过信号放大电路施加到变压器副边电路的功率开关上；

2)采用隔离方式：电容器组的地与智能控制模块的地不连接，智能控制模块的控制信号经过信号隔离放大电路后施加到变压器副边电路的功率开关管上。

本发明采用上述技术方案，具有如下有益效果：

1、当第n个单体电容器的电压过高时，经过采样模块的采样和智能控制模块的计算后，就对与此单体电容器相连接的均衡单元的变压器T(n)原边功率开关VT(2n-1)施加PWM驱动信号，当VT(2n-1)的PWM驱动信号为高电平时VT(2n-1)开通，单体电容器、变压器原边绕组、VT(2n-1)形成串联电路，此时单体电容器对变压器充电，电容器的化学能转化为磁场能储存在变压器中；当VT(2n-1)的PWM驱动信号为低电平时储存在变压器中的磁场能通过由变压器副边绕组、电容器组、VD(2n)组成的电路对电容器组充电。均衡单元按照PWM的周期性变化周而复始地工作，这样此单体电容器的能量就被转移到整个电容器组中，整组电容器的荷电状态趋于平衡。

当第n个单体电容器的电压过低时，就对与此单体电容器相连接的均衡单元的变压器T(n)副边功率开关VT(2n)施加PWM驱动信号，当VT(2n)的PWM驱动信号为高电平时VT(2n)开通，电容器组、变压器副边绕组、VT(2n)形成串联电路，此时电容器组对变压器充电，电容器组的化学能转化为磁场能储存在变压器中；当VT(2n)的PWM驱动信号为低电平时，储存在变压器中的磁场能通过由变压器原边绕组、单体电容器、VD(2n-1)组成的电路对单体电容器充电。均衡单元按照PWM的周期性变化周而复始地工作，这样此电容器组的能量就被转移到荷电状态低的单体电容器中，整组电容器的荷电状态趋于平衡。

因而能够对超级电容组进行主动无损均衡，均衡电流大、效率高、损失小，能够快速有效地使单体电容器状态不平衡的电容器组达到比较平衡的状态，提高了电容器组的实际使用容量，延长了电容器组的使用寿命。

2、当电感性负载的电流有突然的变化或减少时，电感二端会产生突变电压，可能会破坏其他元件。配合续流二极管时，其电流可以较平缓地变化，避免突波电压的发生。

3、由于功率开关管串联在感性电路中，因此每个均衡单元中的变压器原边电路和变压器副边电路均设置保护电路，保护电路包括过压保护电路、过流保护电路和过温保护电路，可以进行过压、过流和过热保护。

4、每个均衡单元的变压器原边电路均连接一个电源隔离模块，可以在驱动功率不够时使用。

本发明的具体技术方案及其有益效果将会在下面的具体实施方式中结合附图进行详细的说明。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

图1为智能均衡装置原理框图；

图2为智能均衡装置中的一个均衡单元；

图3为均衡单元中变压器原边电路及其驱动电路；

图4为均衡单元中变压器副边电路及其驱动电路方案一；

图5为均衡单元中变压器副边电路及其驱动电路方案二；

图中：1-采集模块，2-智能控制模块，3-驱动模块，4-均衡模块，5-均衡单元，6-变压器原边电路，7-变压器副边电路，8-变压器原边驱动电路，9-变压器副边非隔离驱动电路，10-变压器副边隔离驱动电路。

具体实施方式

如图1所示，超级电容智能均衡装置由采样模块1、智能控制模块2、驱动模块3、均衡模块4组成。

采样模块1与电容器组相连，采集电容器组中各个单体电容器的电压、温度、连接状态和电容器组电流等信息。

智能控制模块2由微控制器、输入电路和输出电路组成，输入电路连接采集模块，将采集到的数据传输给微控制器，输出电路与驱动模块相连，将微控制器的控制信号传输给驱动模块，微控制器根据采集模块的采样值判断电容器组在充电或放电时各个单体电容器的荷电状态是否在规定的范围内(这个判断方法根据电容器的类型会有不同，具体判断方法可以参考现有技术)，控制驱动模块对低电压单体电容器进行充电或对高电压单体电容器进行放电。

驱动模块3连接在智能控制模块2和均衡模块4之间，对智能控制模块输出的高频PWM控制信号进行隔离和放大后施加到均衡模块的功率开关管上。

均衡模块4与电容器组相连，由若干个相同的均衡单元5组成，每个单体电容器对应一个均衡单元，每个均衡单元5均由一个电子变压器T、两个功率开关管VT、两个续流二极管VD和保护电路组成。

充电机为电容器组充电或者电容器组给负载供电。

其中，驱动模块3分为变压器原边驱动电路8和变压器副边驱动电路，变压器原边驱动电路8由信号隔离电路和信号功率放大电路组成，每个信号隔离电路和信号功率放大电路对应一个功率开关管，只有在驱动功率不够时，每个均衡单元的变压器原边电路均再连接一个电源隔离模块；变压器副边驱动电路分为两种，采用非隔离方式时由信号放大电路组成变压器副边非隔离驱动电路9，每个信号放大电路对应一个功率开关管，采用隔离方式时由信号隔离放大电路组成变压器副边隔离驱动电路10，每个信号隔离放大电路对应一个功率开关管，智能控制模块的控制信号经过信号隔离放大电路后施加到变压器副边电路的功率开关管上的驱动功率不够时，再连接一个变压器副边驱动电路的共用电源隔离模块，该变压器副边驱动电路的共用电源隔离模块为变压器副边的多个功率开关管共用。

如图2所示，以变压器作为单体电容器和电容器组之间进行能量交换的核心，根据变压器的电磁隔离作用，可将均衡单元分为变压器原边电路6和变压器副边电路7，电子变压器原边与一个功率开关管、一个单体电容器串联构成变压器原边电路6，电子变压器副边与另一个功率开关管、电容器组串联构成变压器副边电路7，每个功率开关管上均反向并联一个续流二极管。

具体地，根据图1所示，单体电容器数量为N，为了直观显示电路原理将电容器组中的第n(1≤n≤N)个单体电容器镜像地映射到电路左侧，如图2所示，第n个均衡单元由变压器T(n)、功率开关管VT(2n-1)、续流二极管VD(2n-1)、功率开关管VT(2n)、续流二极管VD(2n)和功率开关管的保护电路组成。变压器T(n)原边绕组、VT(2n-1)和单体电容器cell(n)组成串联回路，VD(2n-1)与VT(2n-1)并联，与变压器原边绕组相连的电路称为变压器原边电路；变压器T(n)副边绕组、VT(2n)和电容器组组成串联回路，VD(2n)与VT(2n)并联，与变压器副边绕组相连的电路称为变压器副边电路。各个均衡单元串联后再与电容器组并联。

如图3所示，每个变压器原边电路6的功率开关管的地与单体电容器的负极相连，即各个变压器原边电路的功率开关管的地均独立，每个均衡单元的变压器原边电路均连接一个信号隔离电路和信号功率放大电路，隔离方式采用光电隔离或电磁隔离，如果驱动功率不够必须加隔离电源，此时每个均衡单元的变压器原边电路均连接一个电源隔离模块。

每个均衡单元的变压器副边电路7均并联连接，电路的一端与电容器组的正极连接,另一端与电容器组的负极连接，即各个均衡单元的变压器副边电路的功率开关管的地都为电容器组的负极。此时，变压器副边电路的功率开关管的驱动有两种方式：

1)采用非隔离方式：如图4所示，电容器组的地与智能控制模块的地直接相连，智能控制模块的控制信号直接经过信号放大电路施加到变压器副边电路的功率开关上；

2)采用隔离方式：如图5所示，电容器组的地与智能控制模块的地不连接，智能控制模块的控制信号经过信号隔离放大电路后施加到变压器副边电路的功率开关管上，隔离方式采用光电隔离或电磁隔离。当驱动功率不够时，需要连接一个变压器副边驱动电路的共用电源隔离模块。

由于功率开关管串联在感性电路中，因此每个均衡单元中的变压器原边电路和变压器副边电路均要设置保护电路，保护电路包括过压保护电路、过流保护电路和过温保护电路，其中过压保护电路与功率开关管并联，过流保护电路与功率开关管串联。当然，本领域技术人员可以理解是，保护电路可以采取多种形式，包含现有技术中各种保护电路。

均衡模块的特点是以变压器作为单体电容器与电容器组之间进行能量交换的核心。当均衡单元的变压器原边电路的功率开关管被驱动时，就对与之串联的单体电容器放电，放出的能量回馈到整个电容器组；当均衡单元的变压器副边电路的功率开关管被驱动时，变压器就对与此均衡单元连接的变压器原边电路的单体电容器充电，充电能量来源于电容器组。此均衡模块能同时对多个单体电容器进行充(补)电或放电，均衡效率高；通过控制PWM的占空比可以控制均衡电流的大小，控制灵活。

具体的均衡原理如图2所示，当第n个单体电容器的电压过高时，经过采样模块的采样和智能控制模块的计算后，就对与此单体电容器相连接的均衡单元的变压器T(n)原边功率开关VT(2n-1)施加PWM驱动信号，当VT(2n-1)的PWM驱动信号为高电平时VT(2n-1)开通，单体电容器、变压器原边绕组、VT(2n-1)形成串联电路，此时单体电容器对变压器充电，电容器的化学能转化为磁场能储存在变压器中；当VT(2n-1)的PWM驱动信号为低电平时储存在变压器中的磁场能通过由变压器副边绕组、电容器组、VD(2n)组成的电路对电容器组充电。均衡单元按照PWM的周期性变化周而复始地工作，这样此单体电容器的能量就被转移到整个电容器组中，整组电容器的荷电状态趋于平衡。

当第n个单体电容器的电压过低时，经过采样模块的采样和控制模块的计算后，就对与此单体电容器相连接的均衡单元的变压器T(n)副边功率开关VT(2n)施加PWM驱动信号，当VT(2n)的PWM驱动信号为高电平时VT(2n)开通，电容器组、变压器副边绕组、VT(2n)形成串联电路，此时电容器组对变压器充电，电容器组的化学能转化为磁场能储存在变压器中；当VT(2n)的PWM驱动信号为低电平时，储存在变压器中的磁场能通过由变压器原边绕组、单体电容器、VD(2n-1)组成的电路对单体电容器充电。均衡单元按照PWM的周期性变化周而复始地工作，这样此电容器组的能量就被转移到荷电状态低的单体电容器中，整组电容器的荷电状态趋于平衡。

各个均衡单元中变压器的原边绕组和副边绕组的匝数比为1：N，N为电容器组中单体电容器个数。假设变压器原边绕组对单体电容器的平均放电电流为I1，则变压器副边绕组对电容器组的充电电流为I1/N；同理，假设变压器原边绕组对单体电容器的平均充电电流为I2，则变压器副边绕组对电容器组的放电电流为I2/N。由此可知，各个均衡模块中与变压器原边绕组串联的单体电容器可以有很大充电电流I1和放电电流I2，均衡速度快。各个均衡单元之间相互独立，可以同时对多个单体电容器进行充电或放电，均衡效率高。

当只考虑通过对单体电容器进行放电实现均衡时，变压器副边电路的功率开关管VT(2n)可以省掉，只保留VD(2n)。

当只考虑通过对单体电容器进行充电实现均衡时，变压器原边电路的功率开关管VT(2n-1)可以省掉，只保留VD(2n-1)。

通过控制PWM信号的占空比可以控制均衡电流的大小。当占空比增加时，均衡的平均电流增加，当占空比减小时均衡的平均电流减小。均衡电路的占空比不能高于0.5。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (8)

1.超级电容智能均衡装置，其特征在于:包括采样模块、智能控制模块、驱动模块和均衡模块,所述采样模块与电容器组相连，采集电容器组中各个单体电容器的电压、连接状态和电容器组电流的信息,所述智能控制模块由微控制器、输入电路和输出电路组成，输入电路连接采集模块，将采集到的数据传输给微控制器，输出电路与驱动模块相连，将微控制器的控制信号传输给驱动模块，微控制器根据采集模块的采样值判断电容器组在充电或放电时各个单体电容器的荷电状态是否在规定的范围内，控制驱动模块对低电压单体电容器进行充电或对高电压单体电容器进行放电,所述驱动模块连接在智能控制模块和均衡模块之间，对智能控制模块输出的高频PWM控制信号进行隔离和放大后施加到均衡模块的功率开关管上；所述均衡模块与电容器组相连，由若干个相同的均衡单元组成，每个单体电容器对应一个均衡单元，每个均衡单元均包含一个电子变压器、两个功率开关管，且根据变压器的电磁隔离作用，将均衡单元分为变压器原边电路和变压器副边电路，变压器原边与一个功率开关管、一个单体电容器串联构成变压器原边电路，变压器副边与另一个功率开关管、电容器组串联构成变压器副边电路。

2.根据权利要求1所述的超级电容智能均衡装置，其特征在于：每个功率开关管均反向并联一个续流二极管。

3.根据权利要求1所述的超级电容智能均衡装置，其特征在于：每个均衡单元的变压器副边电路均并联连接，电路的一端与电容器组的正极连接,另一端与电容器组的负极连接。

4.根据权利要求1所述的超级电容智能均衡装置，其特征在于：每个均衡单元中的变压器原边电路和变压器副边电路均设置保护电路。

5.根据权利要求4所述的超级电容智能均衡装置，其特征在于：保护电路包括过压保护电路、过流保护电路，其中过压保护电路与功率开关管并联，过流保护电路与功率开关管串联。

6.根据权利要求1所述的超级电容智能均衡装置，其特征在于：每个均衡单元的变压器原边电路均连接一个信号隔离电路和一个信号功率放大电路，隔离方式采用光电隔离或电磁隔离。

7.根据权利要求6所述的超级电容智能均衡装置，其特征在于：在驱动功率不够时，每个均衡单元的变压器原边电路均连接一个电源隔离模块，且功率开关管的地与单体电容器的负极相连。

8.根据权利要求7所述的超级电容智能均衡装置，其特征在于：变压器副边电路的功率开关管的驱动有如下两种方式：

1)采用非隔离方式：电容器组的地与智能控制模块的地直接相连，智能控制模块的控制信号直接经过信号放大电路施加到变压器副边电路的功率开关上；

2)采用隔离方式：电容器组的地与智能控制模块的地不连接，智能控制模块的控制信号经过信号隔离放大电路后施加到变压器副边电路的功率开关管上。