CN112186845B - 一种超级电容器储能系统的滑模引导控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超级电容器储能系统充电的滑模引导控制方法及装置，其方法为：从超级电容器储能系统中选择充电曲线最低的超级电容单体作为引导节点，任选一个最小生成树作为超级电容器储能系统充电的通信拓扑；在超级电容器储能系统充电期间，周期性采集每个超级电容单体的端电压，并将端电压数据按照通信拓扑关系发送给本地以及下级超级电容单元的控制器；每个超级电容单元的控制器在每个周期得到本地以及上级超级电容单体的端电压数据时，计算电压跟踪误差并基于滑模控制生成开关控制信号；将开关控制信号转换为驱动信号，以驱动本地超级电容单元中开关的通断。本发明可减小电压偏差，提高系统的可靠性，而且有效提高能效，有良好的可扩展性。

Description

一种超级电容器储能系统的滑模引导控制方法及装置
技术领域
本发明涉及超级电容技术领域，具体涉及一种超级电容器储能系统的滑模引导控制方法及装置。
背景技术
在实际应用中，超级电容器通常作为固定模块串联连接，以满足应用场景的电压要求。由于制造公差，超级电容器通常会受到电压不平衡的影响，这可能导致一些超级电容器在充电过程中过度充电，以至由多个超级电容器构成的超级电容器储能系统的可靠性和寿命退化。因此，平衡电路通常应用于超级电容器储能系统，以消除不平衡，提高系统的可靠性。现有的超级电容器平衡电路可以归纳为两类，即主动平衡电路和无源平衡电路。有源平衡电路通过有源元件(如电容器、电感或DC-DC变换器)将能量从高压电池转移到低压电池。
有源平衡电路具有较高的能量效率，但这种有源平衡电路体积大，成本较高。在无源平衡电路中，无源元件，例如电阻器，被用来消散高压电池的多余能量。虽然能量效率相对较低，但无源平衡电路在系统规模和成本预算有限的应用中得到了广泛的应用，特别是在低功耗应用中。具体来说，开关电阻电路由于其在性能和成本上的良好折衷，在实际中已成为一种流行的平衡电路。开关电阻电路的一种经典的电池平衡充电方法是分散控制法。其中，开关的状态是通过比较相应的电池电压和参考电压来确定的。如果电池电压高于基准，则开关将打开；然后充电电流预计将分流到平衡电阻，电池电压稳定在参考电压。尽管分散控制方法已被广泛应用在实践中，该方法有两个局限性：1)由于平衡电阻的热效应会引起电压偏差，电池容易过度充电；2)由于充电过程中电池的高压特性，能量效率相对较低。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于，提供一种超级电容器储能系统的滑模引导控制方法及装置，在不延长充电时间的前提下，不仅提高了能量效率，减少能量浪费更加环保，而且降低了电压偏差防止过充，提高了超级电容器的寿命和储能系统的可靠性。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种超级电容器储能系统充电的滑模引导控制方法，包括：
从超级电容器储能系统中选择充电曲线最低的超级电容单体作为引导节点，任选一个最小生成树作为超级电容器储能系统充电的通信拓扑；
在超级电容器储能系统充电期间，周期性采集其中每个超级电容单体的端电压，并将端电压数据按照通信拓扑关系发送给本地以及下级超级电容单元的控制器；
其中，超级电容器储能系统包括若干相互串联的超级电容单元，每个超级电容单元包括1个超级电容单体、1个开关和1个开关电阻，开关电阻与开关串联后再与超级电容单体并联；
每个超级电容单元的控制器在每个周期得到本地以及上级超级电容单体的端电压数据时，均按照以下关系式生成开关控制信号：
Figure GDA0003456330400000021
Figure GDA0003456330400000022
其中，Sk为本地超级电容单元的开关控制信号，δk为本地超级电容单体的电压跟踪误差，sign()为开关逻辑符号函数，Kp表示控制器比例系数，Ki表示控制器的微分系数，xk为本地超级电容单体的实时电压，gk表示引导子系统的权重，x0表示参考电压，akm表示均衡子系统的权重，Nk为本地超级电容单体的上级超级电容单体集合，xm为集合Nk中的任一超级电容单体的实时电压；其中，对于引导节点：gk＝1，akm＝0；对于非引导节点：gk＝0，akm＝1；
将每个周期生成的开关控制信号转换为驱动信号，以驱动本地超级电容单元中开关的通断。
进一步的，所述超级电容单元中的开关采用MOSFET，所述驱动信号为PWM信号。
进一步的，采用恒流源为所述超级电容器储能系统充电。
本发明还提供一种用于超级电容器储能系统的滑模引导控制装置，所述超级电容器储能系统包括若干相互串联的超级电容单元，每个超级电容单元包括1个超级电容单体、1个开关和1个开关电阻，开关电阻与开关串联后再与超级电容单体并联；所述滑模引导控制装置包括电源模块、电压测量模块、集成主控模块、开关控制模块；
所述电源模块，用于为超级电容器储能系统提供充电电流，并为集成主控模块、电压测量和开关控制模块提供工作电压；
所述电压测量模块，用于：在超级电容器储能系统充电期间，周期性采集每个超级电容单元的端电压，并发送给集成主控模块；
所述集成主控模块，包括多个分别与每个超级电容单元对应设置的控制器，所述控制器用于：从电压测量模块接收本地超级电容单元的端电压数据，并按照通信拓扑关系将本地超级电容单元的端电压数据发送给下级超级电容单元对应的控制器以及从上级超级电容单元对应的控制器接收端电压数据，同时根据本地超级电容以及上级超级电容单元的端电压数据，按照以下关系式生成开关控制信号：
Figure GDA0003456330400000031
Figure GDA0003456330400000032
其中，Sk为本地超级电容单元的开关控制信号，δk为本地超级电容单体的电压跟踪误差，sign()为开关逻辑符号函数，Kp表示控制器比例系数，Ki表示控制器的微分系数，xk为本地超级电容单体的实时电压，gk表示引导子系统的权重，x0表示参考电压，akm表示均衡子系统的权重，Nk为本地超级电容单体的上级超级电容单体集合，xm为集合Nk中的任一超级电容单体的实时电压；其中，对于引导节点：gk＝1，akm＝0；对于非引导节点：gk＝0，akm＝1；
所述开关控制模块，用于从集成主控模块接收开关控制信号并转换为驱动信号，使驱动信号驱动对应的超级电容单元中开关的通断。
进一步的，所述通信拓扑为：从超级电容器储能系统中选择充电曲线最低的超级电容单体作为引导节点，任选一个最小生成树作为超级电容器储能系统充电的通信拓扑。
进一步的，所述电源模块为恒流源。
进一步的，所述电压测量模块包括多个分别与每个超级电容单元对应设置的高精度分频传感器，分别用于测量对应超级电容单元的端电压。
进一步的，所述集成主控模块还包括多个滤波器，分别对应设置于高精度分频传感器与控制器之间，用于将高精度分频传感器采集到的端电压进行滤波后再发送给控制器。
进一步的，所述滑模引导控制装置还包括上位机模块，用于显示每个超级电容单元的端电压以及性能指标。
进一步的，所述超级电容单元中的开关采用MOSFET，所述驱动信号为PWM信号。
有益效果
本发明提供的超级电容器储能系统的滑模引导控制方法及装置，通过选择引导节点和通信拓扑关系，由每个超级电容单元对应的控制器根据通信拓扑关系计算占空比，产生PWM信号来控制对应超级电容单元中的开关导通状态，从而通过周期性动态调整实现超级电容器储能系统中所有超级电容单体的端电压同步和达到参考电压。
1、本发明在不延长充电时间的前提下，不仅提高了能量效率，减少能量浪费更加环保，而且降低了电压偏差防止过充，提高了超级电容器的寿命和储能系统的可靠性。同时，此方法适用于大规模的能量储存系统，有良好的可扩展性。
2、本发明不需要估计超级电容单体内部等效电容的电压，因此不需要测量每个超级电容单体内阻，从而避免了超级电容单体电流测量的成本。
3、本发明的开关信号基于协同控制和滑模控制生成，其中滑模引导控制可以有效抑制开关抖动，对端电压测量扰动和误差有较好的鲁棒性，而且延长系统寿命。
附图说明
图1为本发明实施例所述装置的结构框图；
图2为本发明实施例所述装置的CPS系统示意图；
图3为本发明实施例所述方法的流程图；
图4为本发明实施例提供的一种通信拓扑关系示意图。
具体实施方式
本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，对本发明的技术方案作进一步解释说明。
参见图1，本实施例提供的一种超级电容器储能系统的滑模引导控制装置，用于为超级电容器储能系统进行充电；所述超级电容器储能系统包括若干相互串联的超级电容单元，如图2所示，每个超级电容单元包括1个超级电容单体、1个MOSFET开关和1个开关电阻，开关电阻与开关串联后再与超级电容单体并联，构成超级电容单体的开关电阻电路；所述滑模引导控制装置包括电源模块、电压测量模块、集成主控模块、开关控制模块、上位机模块。
所述电源模块，包括恒流源和直流24V电源，其中恒流源为超级电容器储能系统提供充电电流，直流24V电源为集成主控模块、电压测量和开关控制模块提供工作电压。
所述电压测量模块，包括多个分别与每个超级电容单元对应设置的高精度分频传感器，分别用于周期性地测量对应超级电容单元的端电压，并发送给集成主控模块；
所述集成主控模块，包括多个分别与每个超级电容单元对应设置的控制器和低通滤波器；所述低通滤波器设置于高精度分频传感器与控制器之间，用于将高精度分频传感器采集到的端电压进行低通滤波后再发送给控制器；所述控制器预存有通信拓扑关系，用于：从低通滤波器接收本地超级电容单元低通滤波后的端电压数据，并按照通信拓扑关系将本地超级电容单元的端电压数据发送给下级超级电容单元对应的控制器以及从上级超级电容单元对应的控制器接收端电压数据，同时根据本地超级电容以及上级超级电容单元的端电压数据，按照以下关系式生成开关控制信号：
Figure GDA0003456330400000051
Figure GDA0003456330400000052
其中，Sk为本地超级电容单元的开关控制信号，δk为本地超级电容单体的电压跟踪误差，sign()为开关逻辑符号函数，Kp表示控制器比例系数，Ki表示控制器的微分系数，xk为本地超级电容单体的实时电压，gk表示引导子系统的权重，x0表示参考电压，akm表示均衡子系统的权重，Nk为本地超级电容单体的上级超级电容单体集合，xm为集合Nk中的任一超级电容单体的实时电压。其中，对于引导节点：gk＝1，akm＝0；对于非引导节点：gk＝0，akm＝1。
每个超级电容单元对应设置1个开关控制模块，从集成主控模块的对应控制器接收开关控制信号并转换为PWM信号，使驱动信号驱动对应的超级电容单元中开关的通断。
所述上位机模块，用于显示所有超级电容单元的端电压分布以及性能指标。
在本实施例的每个控制器中预存的通信拓扑关系，从超级电容器储能系统中选择充电曲线最低的超级电容单体作为引导节点，任选一个最小生成树作为超级电容器储能系统充电的通信拓扑。
在本实施例的滑模引导控制装置，当引导节点所对应超级电容器单体的端电压达到预先设置的参考电压x0时，闭合该超级电容单体的开关电阻电路中的开关，由开关电阻电路分流；其余超级电容单体，由对应控制器根据通信拓扑关系，跟随上级超级电容单体节点进行充电，当其端电压小于上级超级电容单体的端电压时，断开所述超级电容器单体对应的开关，反之则闭合。
与上述实施例的滑模引导控制装置相对应，本发明还提供一种超级电容器储能系统充电的滑模引导控制方法，如图3所示，包括：
步骤1，从超级电容器储能系统中选择充电曲线最低的超级电容单体作为引导节点，，任选一个最小生成树作为超级电容器储能系统充电的通信拓扑；其中，最低充电曲线就是指超级电容组中老化最严重的单体，其初始电压也是最低的；
以三节超级电容器串联的电池组为例，设置参考电压为2V，由于超级电容单体3的充电曲线最低，故选择超级电容单体1作为引导节点，超级电容单体2和3均作为超级电容单体1的下级节点，因此得到如图4所示的通信拓扑关系图。基于该通信拓扑关系图，超级电容单体1跟随参考电压进行充电，超级电容单体2和3都跟随超级电容单体1的端电压进行充电；若单体电压低于上级跟随电压，所对应开关断开，反之则所对应开关闭合。
步骤2，在超级电容器储能系统充电期间，周期性采集其中每个超级电容单体的端电压，并将端电压数据按照通信拓扑关系发送给本地以及下级超级电容单元的控制器；在本实施例中，采用恒流源为所述超级电容器储能系统充电；
其中，超级电容器储能系统包括若干相互串联的超级电容单元，每个超级电容单元包括1个超级电容单体、1个开关和1个开关电阻，开关电阻与开关串联后再与超级电容单体并联；
步骤3，每个超级电容单元的控制器在每个周期得到本地以及上级超级电容单体的端电压数据时，均按照以下关系式生成开关控制信号：
Figure GDA0003456330400000061
Figure GDA0003456330400000062
其中，Sk为本地超级电容单元的开关控制信号，δk为本地超级电容单体的电压跟踪误差，sign()为开关逻辑符号函数，Kp表示控制器比例系数，Ki表示控制器的微分系数，xk为本地超级电容单体的实时电压，gk表示引导子系统的权重，x0表示参考电压，akm表示均衡子系统的权重，Nk为本地超级电容单体的上级超级电容单体集合，xm为集合Nk中的任一超级电容单体的实时电压。其中，对于引导节点：gk＝1，akm＝0；对于非引导节点：gk＝0，akm＝1。
步骤4，将每个周期生成的开关控制信号转换为PWM驱动信号，以驱动本地超级电容单元中开关的通断。
以上步骤1至4在执行若干周期性的端电压采集、开关控制信号生成并驱动开关通断，当引导节点所对应超级电容器单体的端电压达到预先设置的参考电压x0时，超级电容单体的开关电阻电路中的开关由PWM信号驱动闭合，开关电阻电路导通，开关电阻分流，从而避免超级电容过充，提高该超级电容单体及整个超级电容器储能系统的寿命；其余超级电容单体，由对应控制器由对应控制器根据通信拓扑关系，跟随上级超级电容单体节点进行充电，当其端电压小于上级超级电容单体的端电压时，所述超级电容器单体对应的开关由PWM信号驱动断开，反之则闭合，直到所有超级电容单体的端电压达到参考电压。
以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种超级电容器储能系统充电的滑模引导控制方法，其特征在于，包括：
从超级电容器储能系统中选择充电曲线最低的超级电容单体作为引导节点，任选一个最小生成树作为超级电容器储能系统充电的通信拓扑；
在超级电容器储能系统充电期间，周期性采集其中每个超级电容单体的端电压，并将端电压数据按照通信拓扑关系发送给本地以及下级超级电容单元的控制器；
其中，超级电容器储能系统包括若干相互串联的超级电容单元，每个超级电容单元包括1个超级电容单体、1个开关和1个开关电阻，开关电阻与开关串联后再与超级电容单体并联；
每个超级电容单元的控制器在每个周期得到本地以及上级超级电容单体的端电压数据时，均按照以下关系式生成开关控制信号：
Figure FDA0003456330390000011
Figure FDA0003456330390000012
其中，Sk为本地超级电容单元的开关控制信号，δk为本地超级电容单体的电压跟踪误差，sign()为开关逻辑符号函数，Kp表示控制器比例系数，Ki表示控制器的微分系数，xk为本地超级电容单体的实时电压，gk表示引导子系统的权重，x0表示参考电压，akm表示均衡子系统的权重，Nk为本地超级电容单体的上级超级电容单体集合，xm为集合Nk中的任一超级电容单体的实时电压；其中，对于引导节点：gk＝1，akm＝0；对于非引导节点：gk＝0，akm＝1；
将每个周期生成的开关控制信号转换为驱动信号，以驱动本地超级电容单元中开关的通断。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超级电容单元中的开关采用MOSFET，所述驱动信号为PWM信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用恒流源为所述超级电容器储能系统充电。
4.一种用于超级电容器储能系统的滑模引导控制装置，其特征在于，所述超级电容器储能系统包括若干相互串联的超级电容单元，每个超级电容单元包括1个超级电容单体、1个开关和1个开关电阻，开关电阻与开关串联后再与超级电容单体并联；所述滑模引导控制装置包括电源模块、电压测量模块、集成主控模块、开关控制模块；
所述电源模块，用于为超级电容器储能系统提供充电电流，并为集成主控模块、电压测量和开关控制模块提供工作电压；
所述电压测量模块，用于：在超级电容器储能系统充电期间，周期性采集每个超级电容单元的端电压，并发送给集成主控模块；
所述集成主控模块，包括多个分别与每个超级电容单元对应设置的控制器，所述控制器用于：从电压测量模块接收本地超级电容单元的端电压数据，并按照通信拓扑关系将本地超级电容单元的端电压数据发送给下级超级电容单元对应的控制器以及从上级超级电容单元对应的控制器接收端电压数据，同时根据本地超级电容以及上级超级电容单元的端电压数据，按照以下关系式生成开关控制信号：
Figure FDA0003456330390000021
Figure FDA0003456330390000022
其中，Sk为本地超级电容单元的开关控制信号，δk为本地超级电容单体的电压跟踪误差，sign()为开关逻辑符号函数，Kp表示控制器比例系数，Ki表示控制器的微分系数，xk为本地超级电容单体的实时电压，gk表示引导子系统的权重，x0表示参考电压，akm表示均衡子系统的权重，Nk为本地超级电容单体的上级超级电容单体集合，xm为集合Nk中的任一超级电容单体的实时电压；其中，对于引导节点：gk＝1，akm＝0；对于非引导节点：gk＝0，akm＝1；
所述开关控制模块，用于从集成主控模块接收开关控制信号并转换为驱动信号，使驱动信号驱动对应的超级电容单元中开关的通断。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述通信拓扑为：从超级电容器储能系统中选择充电曲线最低的超级电容单体作为引导节点，任选一个最小生成树作为超级电容器储能系统充电的通信拓扑。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述电源模块为恒流源。
7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述电压测量模块包括多个分别与每个超级电容单元对应设置的高精度分频传感器，分别用于测量对应超级电容单元的端电压。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述集成主控模块还包括多个滤波器，分别对应设置于高精度分频传感器与控制器之间，用于将高精度分频传感器采集到的端电压进行滤波后再发送给控制器。
9.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述滑模引导控制装置还包括上位机模块，用于显示每个超级电容单元的端电压以及性能指标。
10.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述超级电容单元中的开关采用MOSFET，所述驱动信号为PWM信号。
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