CN114825561A - 超级电容组串主动均衡控制方法 - Google Patents

超级电容组串主动均衡控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及超级电容储能系统设计与控制技术领域，公开了一种超级电容组串主动均衡控制方法，包括如下步骤：充电前，获取各单体的电容值，计算将各单体充满所需的电量；取将各单体充满所需的电量中的最大值为电量基准，以此电量基准计算其它单体冲入该电量基准将达到的预测电压值；将所有预测电压值与额定电压进行对比，将偏差值大于均衡允许范围的单体进行放电，直至偏差值都在均衡允许范围内。本发明一种超级电容组串主动均衡控制方法，实时采样单体电压、充电电流，计算各单体的电容量，根据单体电容量计算出各单体初始电压目标值，并控制相应开关电阻的导通放电时间，达到使得下一次充电完成时各单体电压均衡的目标。

Description

超级电容组串主动均衡控制方法
技术领域
本发明涉及超级电容储能系统设计与控制技术领域，具体涉及一种超级电容组串主动均衡控制方法。
背景技术
超级电容器由于具有较好的大电流放电特性，并且兼具较高的储能密度，在电磁发射、电机启动、轨道交通、新能源发电等领域得到大规模应用。
受到尺寸、重量的限制，超级电容器的单体最高电压一般只有2.5到3V，为了提高电容量，实际应用时，通常通过串并联的方式组成组串，以满足系统电压和容量的需求。随着系统容量和电压等级的提高，超级电容器组串的单体串联数也相应增加，比如一套额定电压为720V的储能系统，即使采用3V的单体，也需要240个单体串联组成。由于各单体之间存在性能的差异，如：单体电容量、内阻、漏电流等，必然会导致电压不均衡的问题。尤其是使用时间较长、寿命中后期的单体，电压不均衡问题更加严重，达到一定程度后，会导致系统电压充满时，组串中电压较高的单体处于过压的状态，严重影响储能系统的安全性和可靠性。因此，必须对组串中的超级电容器单体进行均衡控制。
常用的超级电容器单体均衡方法分为被动均衡和主动均衡控制两种。被动均衡方法通过在单体两端并联均衡电阻或者二极管等器件，主要作用是抵消由于单体间漏电流的差异引起的电压不均衡，缺点主要是均衡时间过长，并且均衡电阻还会持续耗能；主动均衡的方法一般是在单体两端并联开关电阻，通过控制各个开关的通断时间，达到各个单体电压均衡的目标。
发明内容
本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种超级电容组串主动均衡控制方法，实时采样单体电压、充电电流，计算各单体的电容量，根据单体电容量计算出各单体初始电压目标值，并控制相应开关电阻的导通放电时间，达到使得下一次充电完成时各单体电压均衡的目标。
为实现上述目的，本发明所涉及的超级电容组串主动均衡控制方法，包括如下步骤：
A）充电前，获取各单体的电容值；
B）实时采样各单体的当前电压，计算将各单体充满所需的电量；
C）取将各单体充满所需的电量中的最大值为电量基准，以此电量基准计算其它单体冲入该电量基准将达到的预测电压值；
D）将所有预测电压值与额定电压进行对比，将偏差值大于均衡允许范围的单体进行放电，并实时计算其预测电压值，直至所有单体的预测电压值与额定电压的偏差值都在均衡允许范围内；
E）对组串进行一次恒流充电，即可达到各单体电压均衡的目标。
优选地，所述步骤A）中，各单体电容值的初始值为单体的额定电容量，单体完成一次充电后，其电容值为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为时间，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为单体的
Figure DEST_PATH_IMAGE004
序号，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为单体的总数，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为单体上一次充电 的充电电流，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为单体在上一次恒流充电的过程中，电压的变化量。
优选地，所述步骤A）中，当上一次充电为恒流充电时，单体的电容值可以简化为：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为上一次恒流充电的电流。
优选地，所述步骤B）中，各单体充满所需的电量
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为单体的额定电压，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为单体的当前电压。
优选地，所述步骤C）中，取将各单体充满所需的电量
Figure DEST_PATH_IMAGE014
中的最大值为电量基准
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，以此电量基准
Figure 215374DEST_PATH_IMAGE015
计算其它单体冲入该电量基准
Figure 601356DEST_PATH_IMAGE015
将达到的预测电压值
Figure DEST_PATH_IMAGE016
：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
。
优选地，所述步骤D）中，每个单体的两端均并联有一个放电支路。
优选地，所述放电支路包括一个MOS开关管及放电电阻。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：均衡速度快，且尽可能低的减少能耗。
附图说明
图1为本发明实施例中的超级电容单体串联组串及均衡放电电路原理图；
图2为采用常规均衡控制策略时充电过程中的单体电压上升曲线；
图3为采用本发明超级电容组串主动均衡控制方法充电过程中的单体电压上升曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
以一个240只超级电容组器单体组成的组串为例，如图1所示，每个单体的额定电压为3V，单体标称电容量为3000F，最大偏差范围为+10%，即3300F，组串额定电压为720V，组串标称电容量为12.5F，每个单体并联一个MOS开关管和一个30Ω的放电电阻，均衡目标为：充电完毕时，单体间最大压差小于20mV。
如果不实施均衡控制策略，如图2所示，假如240个单体中，有239个电容值为3300F，一个为3000F，则将这240个单体组成的组串，从0V充电至720V后，单体电压如图2所示，组串中所有单体的平均电压为3V，其中：239个电容量为3300F的单体电压被充电至2.998V，而电容量为3000F的单体被充电到了3.298V，已经超过了单体电压报警阈值，会导致较高的过压风险。
针对该组串，本实施例提供一种超级电容组串主动均衡控制方法，包括如下步骤：
A）充电前，获取各单体的电容值，具体的，各单体电容值的初始值为单体的额定电容量，单体完成一次充电后，其电容值为：
Figure 256460DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 120510DEST_PATH_IMAGE002
为时间，
Figure 669303DEST_PATH_IMAGE003
为单体的
Figure 960607DEST_PATH_IMAGE004
序号，
Figure 899745DEST_PATH_IMAGE005
为单体的总数，
Figure 564557DEST_PATH_IMAGE006
为单体上一次充电 的充电电流，
Figure 967856DEST_PATH_IMAGE007
为单体在上一次恒流充电的过程中，电压的变化量，特别的，当上一次充 电为恒流充电时，单体的电容值可以简化为：
Figure 430061DEST_PATH_IMAGE008
式中，
Figure 653232DEST_PATH_IMAGE009
为上一次恒流充电的电流，计算出各单体的电容值C1、C2。。。。。C240，本实 施例中，C1=3000F，C2=C3=……=C240=3300F；
B）实时采样各单体的当前电压，计算将各单体充满所需的电量，各单体充满所需 的电量
Figure 62348DEST_PATH_IMAGE010
为：
Figure 320154DEST_PATH_IMAGE011
式中，
Figure 218840DEST_PATH_IMAGE012
为单体的额定电压，
Figure 132569DEST_PATH_IMAGE013
为单体的当前电压，设当前各单体的当前电压 均为1V，计算出将各单体电压一起充电至3V所需的电量：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
；
C）取将各单体充满所需的电量
Figure 610955DEST_PATH_IMAGE014
中的最大值为电量基准
Figure 926530DEST_PATH_IMAGE015
，即6600，以此电量 基准
Figure 730538DEST_PATH_IMAGE015
计算其它单体冲入该电量基准
Figure 928301DEST_PATH_IMAGE015
将达到的预测电压值
Figure 744466DEST_PATH_IMAGE016
：
Figure 711285DEST_PATH_IMAGE017
预测出C1单体的预测电压值为3.2V，C2~C240的预测电压值均3V左右，最大压差达到了200mV；
D）将所有预测电压值与额定电压进行对比，将偏差值大于均衡允许范围的单体进行放电，直至所有单体的预测电压值与额定电压的偏差值都在均衡允许范围内，本实施例中，最大压差达到了200mV，显然超过了均衡开启阈值20mV，因此，由于每个单体的两端均并联有一个放电支路，放电支路包括一个MOS开关管及放电电阻，需要开启C1单体并联的MOS开关管K1，通过放电电阻R1将其放电，并实时计算其预测电压值，当C1单体电压逐渐放电至0.82V左右时，实时计算出其预测电压值为3.02V，已在均衡允许范围以内，即可停止C1单体放电，处于均衡完毕、充电就绪状态；
E）对组串进行一次恒流充电，将组串充电至720V后，充电完毕时，电压曲线如图3所示，C2~C240单体电压均为3V，C1单体电压为3.02V，即可达到各单体电压均衡的目标。
本发明超级电容组串主动均衡控制方法，实时采样单体电压、充电电流，计算各单体的电容量，根据单体电容量计算出各单体初始电压目标值，并控制相应开关电阻的导通放电时间，达到使得下一次充电完成时各单体电压均衡的目标，均衡速度快，且尽可能低的减少能耗。
最后，应当指出，以上实施例仅是本发明较有代表性的例子。显然，本发明不限于上述实施例，还可以有许多变形。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应认为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种超级电容组串主动均衡控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
A）充电前，获取各单体的电容值；
B）实时采样各单体的当前电压，计算将各单体充满所需的电量；
C）取将各单体充满所需的电量中的最大值为电量基准，以此电量基准计算其它单体冲入该电量基准将达到的预测电压值；
D）将所有预测电压值与额定电压进行对比，将偏差值大于均衡允许范围的单体进行放电，并实时计算其预测电压值，直至所有单体的预测电压值与额定电压的偏差值都在均衡允许范围内；
E）对组串进行一次恒流充电，即可达到各单体电压均衡的目标。
2.根据权利要求1所述超级电容组串主动均衡控制方法，其特征在于：所述步骤A）中，各单体电容值的初始值为单体的额定电容量，单体完成一次充电后，其电容值为：
Figure 235678DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 706979DEST_PATH_IMAGE003
为时间，
Figure 57189DEST_PATH_IMAGE005
为单体的
Figure 770674DEST_PATH_IMAGE007
序号，
Figure 889940DEST_PATH_IMAGE009
为单体的总数，
Figure 984DEST_PATH_IMAGE011
为单体上一次充电的充电 电流，
Figure 838490DEST_PATH_IMAGE012
为单体在上一次恒流充电的过程中，电压的变化量。
3.根据权利要求2所述超级电容组串主动均衡控制方法，其特征在于：所述步骤A）中，当上一次充电为恒流充电时，单体的电容值可以简化为：
Figure 93016DEST_PATH_IMAGE013
式中，
Figure 597947DEST_PATH_IMAGE015
为上一次恒流充电的电流。
4.根据权利要求2所述超级电容组串主动均衡控制方法，其特征在于：所述步骤B）中， 各单体充满所需的电量
Figure 879892DEST_PATH_IMAGE016
为：
Figure 470274DEST_PATH_IMAGE017
式中，
Figure 531420DEST_PATH_IMAGE018
为单体的额定电压，
Figure 359699DEST_PATH_IMAGE019
为单体的当前电压。
5.根据权利要求4所述超级电容组串主动均衡控制方法，其特征在于：所述步骤C）中， 取将各单体充满所需的电量
Figure 360016DEST_PATH_IMAGE020
中的最大值为电量基准
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，以此电量基准
Figure 359065DEST_PATH_IMAGE021
计算其它 单体冲入该电量基准
Figure 486552DEST_PATH_IMAGE021
将达到的预测电压值
Figure 434917DEST_PATH_IMAGE022
：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
。
6.根据权利要求1所述超级电容组串主动均衡控制方法，其特征在于：所述步骤D）中，每个单体的两端均并联有一个放电支路。
7.根据权利要求6所述超级电容组串主动均衡控制方法，其特征在于：所述放电支路包括一个MOS开关管及放电电阻。
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