CN113300447A - 一种高压超级电容模组的自适应充电方法 - Google Patents

一种高压超级电容模组的自适应充电方法 Download PDF

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Abstract

一种高压超级电容模组的自适应充电方法，包括以下步骤：对超级电容模组进行电压检测，当检测电压正常时，对超级电容模组的内阻进行检测；当检测电阻正常时，对超级电容模组进行温度检测；当检测温度低于0°时，充电机采用CC‑CW‑CC模式充电，其中，当检测温度低于负40°时，将充电机的输出功率调整到其额定功率的200%；当检测温度超过40°时，充电机采用CC‑CC模式充电，当检测温度超过70°时，充电机自动暂停充电，并在超级电容模组温度降到40°时，恢复充电。低温工作和高温工作的情况下自动调整充电机的充电策略，从而改善超级电容模组低温工况的性能，及防止超级电容模组过温导致单体鼓胀、自放电率高的问题。

Description

一种高压超级电容模组的自适应充电方法
技术领域
本发明涉及高压超级电容模组充电技术领域，具体涉及一种高压超级电容模组的自适应充电方法。
背景技术
车辆在进行高压启动的过程先由高压超级电容充电机从车载蓄电池取电，为高压超级电容模组充电，当高压超级电容充满电后对起动机放电从而使发动机启动，发动机启动后部分能量带动低压发电机运转并为蓄电池充电。从高压超级电容充电完成到车辆被启动这个过程，超级电容并不会被彻底放电，通常只会被消耗掉40%电量，因超级电容自放电率高，所以剩余的电量将随着超级电容自放电被白白消耗掉。另外，目前，充电方式以及参数在充电机出厂时已经固化无法根据超级电容特性而调整导致：
1.低温高温环境超级电容储能量不足或过剩现象，根据超级电容特性，低温工作的情况下其容量降低15%，内阻提高20%，而高温工作过程情况相反，导致在模组设计过程中要留有充足的余量以满足低温工作/启动所需能量，而高温工作又存在储能过量，自放电速度加快的问题导致能源利用率降低。所以在低温工作的情况下应提高充电机的充电速度使得超级电容自身发热量增加，此时充电机也可超额运行以提高发热量为超级电容模组加热，使其温度回升从而逐渐接近常温特性。并且适当提高满电电压从而达到启动所需能量要求。根据公式E=1/2CV2，3.4F模组270V~180V储能量为69768J，低温容量降低为2.8F如果仍然将满电电压定义为270V则储能量为56700J无法满足车辆启动，此时需将满电电压定义为287V才能满足启动要求。
2.温差过压易造成过压现象，根据超级电容特性当超级电容充满电后储能量一定，根据公式C=Q/U，储能量不变的情况下电荷量Q的数量不会发生变化则当电容量C降低则电压将升高。在温度较低的环境下，充电机与超级电容模组连续高倍率充放电导致快速升温，当某一时刻充电至接近于满电电压，此时停止工作，温度不断下降将引起超级电容模组过压导致击穿。
3.恒定不变的充电方式导致能量利用率下降，超级电容自放电率高，长期将能量存储于超级电容内会因为自放电而消耗掉，特别是高温运行过程中的能量过剩现象，此时如果将超级电容模组剩余能量反馈回自放电率较低的蓄电池将能够有效提高能量利用率。充电机从车载低压蓄电池取电升压后为高压超级电容模组充电，蓄电池通常为铅酸电池，其放电效率与剩余电量、当前温度有关。当剩余电量高温度环境高的情况下，其放电效率高，低压电可大功率输入充电机。而当剩余电量低或低环境温度其放电效率可低于40%。如果此时不调节充电机功率可能导致，超级电容充电程度未达到启动要求而低压蓄电池电量已经彻底耗尽。所以若充电机功率能够根据低压蓄电池储能情况科学调整充电功率，则能够有效降低车辆因无法启动发生抛锚的概率。
4.模组发生故障后盲目充电导致电容爆炸风险，当超级电容内其中一个单体发生开路，此时如果充电机对其所在的模组充电将导致，相当于模组满电电压集中在开路的单体超级电容两段，单体超级电容耐压值仅有3V，而模组充电总压可达上百伏将直接引起超级电容单体爆炸。现有充电机技术没有相应的检测与保护，出现此故障后，充电机将进入持续模式，不断启停充电，开启充电后单体故障端电压将等于模组额定电压，关闭后又马上恢复0V电压，导致严重的故障范围扩大现象。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供一种高压超级电容模组的自适应充电方法。
一种高压超级电容模组的自适应充电方法，包括以下步骤：
步骤1：对超级电容模组进行电压检测，当检测电压正常时，对超级电容模组的内阻进行检测，否则停止操作；
步骤2：当检测电阻正常时，对超级电容模组进行温度检测，否则停止操作；
步骤3：当检测温度低于0°时，充电机采用CC-CW-CC模式充电，其中，当检测温度低于负40°时，将所述充电机的输出功率调整到其额定功率的200%；当检测温度超过40°时，充电机采用CC-CC模式充电，当检测温度超过70°时，所述充电机自动暂停充电，并在超级电容模组温度降到40°时，恢复充电；
其中，所述CC-CW-CC模式为，对所述超级电容模组先以大电流快速充电至充电机的额定充电输出功率，然后以充电机的恒功率对超级电容模组进行充电；当超级电容模组满电电压后充电机采用涓流电流对所述超级电容模组进行恒压浮充；所述CC-CC模式为，对所述超级电容模组先以大电流充电至超级电容模组的设定电压，然后以小电流充电至所述超级电容模组的满电电压。
进一步：将所述高压超级电容模组中每相邻的若干串电芯分成一个充电区，每个充电区均采用独立的充电机进行充电。每个充电区的电压被充电模块钳位，达到从根本上解决超级电容模组局部电压不一致的问题，从而降低高压超级电容模组故障率，延长高压超级电容模组的使用寿命。
进一步：通过充电前的内阻测量可估算当前超级电容模组实际容量，根据公式E=1/2CV2可知超级电容的额定储能量，当估算出超级电容容量降低或增加，则对超级电容模组的满电电压进行调整，使充电储电能量保持恒定值，用于车辆启动。
进一步：充电过程中，充电机从车载蓄电池取电并为超级电容模组充电，当车辆启动结束后，充电机利用DC-DC功能电路模块将超级电容模组的余电反充入搜索车载蓄电池。
进一步：充电机根据超级电容模组的当前电容值评估储能量，在安全充电电压以内自动调节充电满电电压，从而提高车辆启动成功的概率，降低超级电容模组容量设计的余量，从而降低成本。
本发明的有益效果：低温工作的情况下自动提高充电机的充电速度使得超级电容自身发热量增加，此时充电机自动超额运行以提高发热量为超级电容模组加热，使其温度回升从而逐渐接近常温特性，从而改善超级电容模组低温工况的性能；高温工作的情况下自动调整充电机的充电策略，限制充电过程中的最高电流，使得超级电容自身发热量减小，防止超级电容模组过温导致单体鼓胀、自放电率高的问题。
附图说明
图1为本发明的步骤框图；
图2为CC-CW-CC模式的充电曲线示意图；
图3为CC-CC模式的充电曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本发明实例中的左、中、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。
一种高压超级电容模组的自适应充电方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：对超级电容模组进行电压检测，当检测电压正常时，对超级电容模组的内阻进行检测，否则停止操作；
步骤2：当检测电阻正常时，对超级电容模组进行温度检测，否则停止操作；
步骤3：当检测温度低于0°时，充电机采用CC-CW-CC模式充电，其中，当检测温度低于负40°时，将所述充电机的输出功率调整到其额定功率的200%；当检测温度超过40°时，充电机采用CC-CC模式充电，当检测温度超过70°时，所述充电机自动暂停充电，并在超级电容模组温度降到40°时，恢复充电；
其中，所述CC-CW-CC模式为，对所述超级电容模组先以大电流快速充电至充电机的额定充电输出功率，然后以充电机的恒功率对超级电容模组进行充电；当超级电容模组满电电压后充电机采用涓流电流对所述超级电容模组进行恒压浮充；如图2所示，先以大电流快速充电至额定充电输出功率，然后恒功率充电，即充电功率恒定不变，充电电流随着输出电压升高而逐渐减小，符合超级电容理想充电曲线，当达到接近于满电电压时，充电电流已下降至涓流电流区间，满电后再进行恒压浮充。当超级电容模组的温度为0°至40°时，超级电容模组处于适温状态，采用任意方式充电均可。
所述CC-CC模式为，对所述超级电容模组先以大电流充电至超级电容模组的设定电压，然后以小电流充电至所述超级电容模组的满电电压。如图3所示，先以8A的电流恒流充电至260V，再以2A小电流恒流充电至273V满电电压，恒流充电方式在充电过程中输出电压从0V持续提高，根据公式：P=UI，充电功率与充电电压成正比，由图中充电曲线可以看出，充电功率是从0W开始依次增加，在充电末期充电机充电功率才达到设计额定功率，所以这种充电策略无法有效利用充电器的设计功率，导致充电中前期阶段充电效率极低，整体充电时间过长的问题。
另外，CC~CW~CV模式相比CC~CC模式，达到充电时间与充电总能量不变的情况下，充电机设计功率降低为原先的一半，有效降低充电机体积与成本，提高功率利用率。针对于270V电压等级的超级电容模组，全新状态内阻为100~200mΩ，劣化严重时可达300~400 mΩ，而故障模组通常内阻增大至800mΩ以上或者出现开路状态，所以若检测的测量值满足故障条件则不开启充电并发出报警信号告知使用者，以防止超级电容充电爆炸。
对超级电容模组进行充电时，将所述高压超级电容模组中每相邻的若干串电芯分成一个充电区，每个充电区均采用独立的充电机进行充电。通过充电前的内阻测量可估算当前超级电容模组实际容量，根据公式E=1/2CV2可知超级电容的额定储能量，当估算出超级电容容量降低或增加，则对超级电容模组的满电电压进行调整，使充电储电能量保持恒定值，用于车辆启动。充电机从车载蓄电池取电并为超级电容模组充电，当车辆启动结束后，充电机利用DC-DC功能电路模块将超级电容模组的余电反充入搜索车载蓄电池，以270V额定电压的超级电容模组为例，在车辆高压电网补偿的工况中，当电网电压过高导致超级电容模组总压高于310V，则充电机利用DC-DC功能电路模块将超级电容电量反充入储能量更大的蓄电池，当电网电压过低导致超级电容模组总压低于260V，则充电机为超级电容蓄能。充电机根据超级电容模组的当前电容值评估储能量，在安全充电电压以内自动调节充电满电电压，从而提高车辆启动成功的概率，降低超级电容模组容量设计的余量，从而降低成本。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种高压超级电容模组的自适应充电方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：对超级电容模组进行电压检测，当检测电压正常时，对超级电容模组的内阻进行检测，否则停止操作；
步骤2：当检测电阻正常时，对超级电容模组进行温度检测，否则停止操作；
步骤3：当检测温度低于0°时，充电机采用CC-CW-CC模式充电，其中，当检测温度低于负40°时，将所述充电机的输出功率调整到其额定功率的200%；当检测温度超过40°时，充电机采用CC-CC模式充电，当检测温度超过70°时，所述充电机自动暂停充电，并在超级电容模组温度降到40°时，恢复充电；
其中，所述CC-CW-CC模式为，对所述超级电容模组先以大电流快速充电至充电机的额定充电输出功率，然后以充电机的恒功率对超级电容模组进行充电；当超级电容模组满电电压后充电机采用涓流电流对所述超级电容模组进行恒压浮充；所述CC-CC模式为，对所述超级电容模组先以大电流充电至超级电容模组的设定电压，然后以小电流充电至所述超级电容模组的满电电压。
2.根据权利要求1所述的一种高压超级电容模组的自适应充电方法，其特征在于：将所述高压超级电容模组中每相邻的若干串电芯分成一个充电区，每个充电区均采用独立的充电机进行充电。
3.根据权利要求1所述的一种高压超级电容模组的自适应充电方法，其特征在于：通过充电前的内阻测量可估算当前超级电容模组实际容量，根据公式E=1/2CV2可知超级电容的额定储能量，当估算出超级电容容量的变化，则对超级电容模组的满电电压进行调整，使充电储电能量保持恒定值。
4.根据权利要求1所述的一种高压超级电容模组的自适应充电方法，其特征在于：充电过程中，充电机从车载蓄电池取电并为超级电容模组充电，当车辆启动结束后，充电机利用DC-DC功能电路模块将超级电容模组的余电反充入搜索车载蓄电池。
5.根据权利要求1所述的一种高压超级电容模组的自适应充电方法，其特征在于：充电机根据超级电容模组的当前电容值评估储能量，在安全充电电压以内自动调节充电满电电压。
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