CN116545062B - 一种高功率超级电容储能系统均衡方法 - Google Patents

一种高功率超级电容储能系统均衡方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高功率超级电容储能系统均衡方法，包括以下步骤：进行超级电容储能系统供电状态判断；在非车辆正常运行状态进行电压均衡；电压均衡完成后进行休眠模式；在休眠模式保持电压均衡；车辆恢复正常运行状态时直接充满电量。上述技术方案通过三选一开关实现对于不同供电选择下的电压均衡，使得在非正常运行状态时，电车电容依然保持电压均衡状态，以便于超级电容有轨电车能够随时实现短时大功率充放电，有效满足使用性，并且结构简单，节省成本。

Description

一种高功率超级电容储能系统均衡方法
技术领域
本发明涉及储能均衡技术领域，尤其涉及一种高功率超级电容储能系统均衡方法。
背景技术
目前储能系统常用的均衡方法有三种，被动均衡，主动能耗式均衡和能量转移式均衡。
被动均衡：通过直接在被均衡对象上并联放电电阻，达到强制均衡目的。
主动能耗式均衡：通过对被均衡对象采集其电压，当其压差超过了设定的阈值，则通过控制开关器件，闭合对应的被均衡储能器件的均衡电阻，实现均衡功能；
能量转移式均衡：在一个系统中存在多路双DCDC模组，通过将电压或能量高的储能器件电量向电压或能量低的储能器件进行转移。
有资料显示，当前上述均衡方法主要的均衡对象是地面储能系统或者乘用车储能系统，对于采用超级电容作为储能系统的有轨电车来说，上述均衡方法均不适用。
因为超级电容有轨电车在行驶过程中，在区间未架设供电网络，需要车辆进站后，在短时间30秒内完成充电，充电功率约达到2MW，此时既有的电池充放电倍率不满足要求。因此，有轨电车采用了超级电容作为储能系统，可以满足车辆进站后的短时大功率充放电。
如果超级电容有轨电车采用上述均衡策略，则需要在车辆投入时才能进行均衡管理，此时由于超级电容的电压不一致，上述均衡方法的均衡电流都比较小，需要的均衡时间长，导致需要等待较长的时间才能完成均衡，影响了车辆使用性。
中国专利文献CN102222964A公开了一种“储能系统的均衡系统及均衡方法”。包括发电装置、电能合并系统、直流母线、充电模块、蓄电池组、并网逆变器、用户模块、恒流源、均衡电源输入端，所述发电装置连接在电能合并系统上，所述电能合并系统通过直流母线连接充电模块，所述充电模块连接蓄电池组；所述直流母线上依次连接有并网逆变器和用户模块，恒流源连接在用户模块上，将经过逆变器后的交流电转变为直流电，并通过连接在均衡电源输入端上的均衡总线连接至蓄电池组，恒流源把经过并网逆变器后的交流输出转变成直流输出，作为均衡源对蓄电池组中的电池单体进行均衡。上述技术方案采用的是主动能耗式均衡，难以有效应用到超级电容有轨电车上，无法实现短时大功率充放电，影响使用性。
发明内容
本发明主要解决原有的技术方案难以有效应用到超级电容有轨电车上，无法实现短时大功率充放电，影响使用性的技术问题，提供一种高功率超级电容储能系统均衡方法，通过三选一开关实现对于不同供电选择下的电压均衡，使得在非正常运行状态时，电车电容依然保持电压均衡状态，以便于超级电容有轨电车能够随时实现短时大功率充放电，有效满足使用性，并且结构简单，节省成本。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明包括以下步骤：
S1进行电容储能系统供电状态判断；
S2在非车辆正常运行状态进行电压均衡；
S3电压均衡完成后进行休眠模式；
S4在休眠模式保持电压均衡；
S5车辆恢复正常运行状态可直接充满电量。
正常运行时供电，选择110V通路进行供电；回库后，在高压不断电时，优先采用110V供电，通过外部供电使超级电容实施顶部均衡法，即各个并联节点均充电至最高电压状态；回库后，在高压断电时，选择超级电容储能系统电源自供电，结合算法使超级电容各并联节点维持合理的电压值；通过超级电容储能系统供电时，检测模组压差是否过大以判断是否唤醒模式进行均衡。
作为优选，所述的步骤S1电容储能系统包括开关，所述开关的运行输入端经过外接直流电压转换装置与110V通路相连，开关的休眠输入端依次经过超级电容储能系统、内接直流电压转换装置与超级电容储能系统相连，开关输出端与CMS(电容管理系统)相连，还包括控制芯片，控制芯片分别与开关、时钟组件相连。
作为优选，所述的步骤S1电容储能系统供电状态包括，车辆正常运行时供电；车辆回库后，在高压不断电时进行外部供电；车辆回库后，在高压断电时进行超级电容储能系统电源自供电；车辆回库后，进行休眠模式通过超级电容储能系统供电。针对不同容量电容的均衡管理方法，因为超级电容的特点是可以低电压放电至0V，所以原则上就不需要考虑电压平台的问题。
作为优选，所述的步骤S2若车辆回库后，在高压不断电时110V通路进行供电，通过外部供电使电容实施顶部均衡法，即各个并联节点均充电至最高电压状态。采用顶部均衡的方法，具体为在车辆在存放过程中，模组级别均衡板需要进行计算标定单体间的合理压差值。
作为优选，所述的步骤S2若车辆回库后，在高压断电时选择储能系统电源自供电，结合算法使超级电容储能系统维持合理的电压值。确保电压保持均衡，能够随时直接充满电行驶工作，有效满足使用性。
作为优选，所述的算法具体包括：计算并联节点实际压差
其中，ΔUn为实际压差，I为漏电电流，T为漏电时间，Cn为电容容量；
将实际压差与理论压差比较，若实际压差过大，则进行压差均衡；
若模组间实际压差过大，模组分别经过双向DC/DC与均衡直流母线端相连进行组间均衡，实现电量转移；
若模组内实际压差过大，经过单向DC/DC对低电压并联节点充电实现组内电压均衡。
作为优选，所述的步骤S3休眠模式将CMS供电切换为超级电容储能系统自供电。超级电容储能系统电源电量有限，切换为休眠模式，能够有效节约储能系统电源电量。
作为优选，所述的步骤S4具体包括，设定时间间隔和模组压差检测阈值，时间间隔计时到点后时钟信号启动唤醒电容储能系统切换到超级电容储能系统电源自供电，判断是否满足模组压差检测阈值，若满足，则结合算法使各并联节维持合理的电压值后切换回休眠模式，反之继续保持休眠模式。
作为优选，所述的步骤S4若模组的内阻不同，通过计算，在串联充放电过程中，基于全天候均衡仍然不能拉平，则提示更换模组。具体表现为，在串联支路里，电流大小一致，当内阻存在差异过大时，每个并联节内部所消耗的能量不一致，此时是可以提前进行能量的赋值。比如对内阻大的并联节，在均衡时就赋予更高的电压。这样在一个循环周期的使用内，使电压逐渐拉到合理区间，如果全天候均衡仍然不能拉平，则说明模组自身故障，应提示更换模组。
本发明的有益效果是：通过三选一开关实现对于不同供电选择下的电压均衡，使得在非正常运行状态时，电车电容依然保持电压均衡状态，以便于超级电容有轨电车能够随时实现短时大功率充放电，有效满足使用性，并且结构简单，节省成本。
附图说明
图1是本发明的一种流程图。
图2是本发明的一种正常模式工作流程图。
图3是本发明的一种休眠模式工作流程图。
图4是本发明的一种唤醒模式工作流程图。
图5是本发明的一种电路原理连接结构图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种高功率超级电容储能系统均衡方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1进行电容储能系统供电状态判断。超级电容储能系统包括开关，所述开关的运行输入端经过外接直流电压转换装置与110V通路相连，开关的休眠输入端依次经过电池、内接直流电压转换装置与超级电容储能电源相连，开关输出端与电容管理系统CMS相连，还包括控制芯片，控制芯片分别与开关、时钟组件相连。超级电容储能系统供电状态包括，车辆正常运行时供电；车辆回库后，在高压不断电时进行外部110V供电；车辆回库后，在高压断电时进行超级电容储能电源自供电；车辆回库后，进行休眠模式通过蓄电池供电。
正常运行时供电，选择110V通路进行供电；回库后，在高压不断电时，优先采用110V供电，通过外部供电使超级电容实施顶部均衡法，即各个并联节点均充电至最高电压状态；回库后，在高压断电时，选择储能系统电源自供电，结合算法使超级电容维持合理的电压值；通过蓄电池供电时，检测模组压差是否过大以判断是否唤醒模式进行均衡。针对不同容量电容的均衡管理方法，因为超级电容的特点是可以低电压放电至0V，所以原则上就不需要考虑电压平台的问题。
S2在非车辆正常运行状态进行电压均衡；若车辆回库后，在高压不断电时110V通路进行供电，通过外部供电对超级电容储能电源实施顶部均衡法，即各个并联节点均充电至最高电压状态。采用顶部均衡的方法，具体为在车辆在存放过程中，模组级别均衡板需要进行计算标定单体间的合理压差值。
若车辆回库后，在高压断电时选择超级电容储能电源自供电，结合算法使超级电容储能电源各并联节点维持合理的电压值。具体包括：计算实际压差
其中，ΔUn为实际压差，I为漏电电流，T为漏电时间，Cn为电容；
提前设定理论压差，将实际压差与理论压差比较，若实际压差过大，则进行压差均衡。
若模组间实际压差过大，模组分别经过双向DC/DC与均衡直流母线端相连进行组间均衡，实现电量转移；
若模组内实际压差过大，经过单向DC/DC对低电压并联节点充电实现组内电压均衡对低电压并联节充电，此时低电压并联节电压升高，其他并联节电压降低，实现电压均衡。
S3电压均衡完成后进行休眠模式，休眠模式将超级电容储能电源自供电切换为蓄电池供电。超级电容储能电源电量有限，切换为内部蓄电池供电，只需要为时钟和开关供电，能够有效节约超级电容储能电源电量。
S4在休眠模式保持电压均衡，具体包括，设定时间间隔和模组压差检测阈值，时间间隔计时到点后时钟信号启动唤醒超级电容储能系统切换到超级电容储能电源自供电，判断是否满足模组压差检测阈值，若满足，则结合算法使各并联节维持合理的电压值后切换回休眠模式，反之直接切换休眠模式。
若模组的内阻增大，通过计算，在串联充放电过程中，基于全天候均衡仍然不能拉平，则提示更换对应模组。具体表现为，在串联支路里，电流大小一致，当内阻存在差异时，每个并联节内部所消耗的能量不一致，此时是可以提前进行能量的赋值。比如对内阻大的并联节，在均衡时就赋予更高的电压。这样在一个循环周期的使用内，使电压逐渐拉到合理区间，如果全天候均衡仍然不能拉平，则说明模组自身故障，应提示更换模组。
S5车辆恢复正常运行状态时可以直接充满电量。确保电压保持均衡，能够随时直接充满电行驶工作，有效满足使用性。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种高功率超级电容储能系统均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1进行超级电容储能系统供电状态判断，超级电容储能系统包括开关，所述开关的运行输入端经过外接直流电压转换装置与110V通路相连，开关的休眠输入端依次经过电池、内接直流电压转换装置与超级电容储能电源相连，开关输出端与电容管理系统CMS相连，还包括控制芯片，控制芯片分别与开关、时钟组件相连，超级电容储能系统供电状态包括，车辆正常运行时供电；车辆回库后，在高压不断电时进行外部110V供电；车辆回库后，在高压断电时进行超级电容储能电源自供电；车辆回库后，进行休眠模式通过蓄电池供电；
S2在非车辆正常运行状态进行电压均衡；
S3电压均衡完成后进行休眠模式；
S4在休眠模式保持电压均衡；
S5车辆恢复正常运行状态时直接充满电量。
2.根据权利要求1所述的一种高功率超级电容储能系统均衡方法，其特征在于，所述步骤S2若车辆回库后，在高压不断电时110V通路进行供电，通过外部供电对超级电容储能电源实施顶部均衡法，即各个并联节点均充电至最高电压状态。
3.根据权利要求1所述的一种高功率超级电容储能系统均衡方法，其特征在于，所述步骤S2若车辆回库后，在高压断电时选择超级电容储能电源自供电，结合算法使超级电容储能电源各并联节点维持合理的电压值。
4.根据权利要求3所述的一种高功率超级电容储能系统均衡方法，其特征在于，所述算法具体包括：计算并联节点实际压差
其中，ΔUn为实际压差，I为漏电电流，T为漏电时间，Cn为电容容量；
将实际压差与理论压差比较，若实际压差过大，则进行压差均衡；
若模组间实际压差过大，模组分别经过双向DC/DC与均衡直流母线端相连进行组间均衡，实现电量转移；
若模组内实际压差过大，经过单向DC/DC对低电压并联节点充电实现组内电压均衡。
5.根据权利要求3所述的一种高功率超级电容储能系统均衡方法，其特征在于，所述步骤S3休眠模式将超级电容储能电源自供电切换为蓄电池供电。
6.根据权利要求3所述的一种高功率超级电容储能系统均衡方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括，设定时间间隔和模组压差检测阈值，时间间隔计时到点后时钟信号启动唤醒超级电容储能系统切换到超级电容储能电源自供电，判断是否满足模组压差检测阈值，若满足，则结合算法使各并联节点维持合理的电压值后切换回休眠模式，反之直接切换休眠模式。
7.根据权利要求1所述的一种高功率超级电容储能系统均衡方法，其特征在于，所述步骤S4若模组的内阻增大，通过计算，在串联充放电过程中，基于全天候均衡仍然不能拉平，则提示更换对应模组。
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