CN215498376U

CN215498376U - 一种用于超级电容系统中电容单体管理的控制系统

Info

Publication number: CN215498376U
Application number: CN202122285847.7U
Authority: CN
Inventors: 安兴; 高达贤; 蒯强; 徐子涵
Original assignee: Chongqing Holliwat Energy Storage Technology Research Institute Co ltd
Current assignee: Chongqing Holliwat Energy Storage Technology Research Institute Co ltd
Priority date: 2021-09-22
Filing date: 2021-09-22
Publication date: 2022-01-11
Anticipated expiration: 2031-09-22

Abstract

本实用新型请求保护一种用于超级电容系统中电容单体管理的控制系统，属于储能技术领域，包括：高压负载设备、高压电气接口、低压电气接口、低压负载设备、BDU高压分段盒、高压控制板、BDU主板、LDU从控制板及对应的若干超级电容模组，其中高压负载设备通过高压电气接口与BDU高压分段盒相连接，BDU高压分段盒与高压控制板相连接，所述高压控制板与BDU主板相连接，所述BDU主板还与低压电气接口相连接，低压电气接口与低压负载设备相连接，BDU主板与n个LDU从控制板相连接，所述n个LDU从控制板分别与n组超级电容模组相连接。

Description

一种用于超级电容系统中电容单体管理的控制系统

技术领域

本实用新型属于供电技术领域，尤其涉及超级电容储能技术领域。

背景技术

现在的节能环保产品中，对于电源的要求主要有：功率密度、使用寿命、充放电所需时间、电源系统成本、以及使用中的安全性等。由于超级电容单体电压过低，为了满足大功率储能系统对于容量及电压的需求，通常将多个超级电容进行串联或并联组合成超级电容组件使用。多个超级电容的串联电性组合将造成电压不均衡，进而导致超级电容发生过充电、过放电、电容过压击穿、或系统失控等问题。并且超级电容的使用寿命、安全性、使用效率都会大受影响。由上可知，现有技术中存在多个超级电容的串联电性组合时存在电压不均衡的现象。

现有技术虽然解决了一定的安全问题，但是其均存在充放电过程不均衡的问题，其效能及使用寿命，优化其电容管理能力。本实用新型超级电容管理系统BMS为一套保护动力超级电容使用安全的控制系统，时刻监控超级电容的使用状态，BMS控制系统的工作流就是：采集电芯的电压、温度等信号，传递给控制系统，对超级电容状态（SOC、SOH等进行估算，用于BMS的控制功能。控制功能主要包括了故障报警、热管理、均衡管理、充放电管理等。提高了BMS控制系统充放电效率和安全性。

实用新型内容

本实用新型旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种提高充放电均衡性及延长寿命的用于超级电容系统中电容单体管理的控制系统。本实用新型的技术方案如下：

一种用于超级电容系统中电容单体管理的控制系统，其包括：高压负载设备、高压电气接口、低压电气接口、低压负载设备、BDU高压分段盒、高压控制板、BDU主板、LDU从控制板及对应的若干超级电容模组，其中高压负载设备通过高压电气接口与BDU高压分段盒相连接，BDU高压分段盒与高压控制板相连接，所述高压控制板与BDU主板相连接，所述BDU主板还与低压电气接口相连接，低压电气接口与低压负载设备相连接，BDU主板与n个LDU从控制板相连接，所述n个LDU从控制板分别与n组超级电容模组相连接。

进一步的，所述n为30。

进一步的，所述BDU高压分段盒通过快速线束与高压电气接口、高压负载设备相连接，其中BDU高压分段盒包括预充电器、总正继电器、总负继电器及快充继电器。

进一步的，所述BDU主板采集电容模块包括剩余容量、电流、电压、温度状态在内的参数，并处理从控制器和高压控制器上报的信息，同时根据上报信息计算超级电容充电状态SOC、健康状态SOH、功率状态SOP进行估算，判断和控制动力超级电容运行状态，实现故障诊断和处理。

本实用新型的优点及有益效果如下：

本实用新型通过对充电状态SOC、健康状态SOH、功率状态SOP进行估算，并且采用对SOC和SOH联合估计的方法，采用基于卡尔曼滤波的多时间尺度算法，将等效电路模型与可用容量的变化联系起来，建立了SOC 与SOH 联合估算的超级电容集总参数模型，基于模型提出一种多尺度扩展卡尔曼滤波，考虑到SOH 的缓慢变化特性和SOC 的快速变化特性采用宏观尺度对超级电容SOH 进行估算，微观尺度对超级电容SOC 进行估算，用两个估算器与多尺度估算理论有效的融合来自不同时间尺度的测量信息，在NEDC 工况下完成超级电容SOC 与SOH 的联合估算，估算精度高，收敛速度快，对于充放电过程的均匀与否判断。

附图说明

图1是本实用新型提供优选实施例用于超级电容系统中电容单体管理的控制系统图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案是：

如图1所示，一种基用于超级电容系统中电容单体管理的控制系统，其特征在于，包括：高压负载设备、高压电气接口、低压电气接口、低压负载设备、BDU高压分段盒、高压控制板、BDU主板、LDU从控制板及对应的若干超级电容模组，其中高压负载设备通过高压电气接口与BDU高压分段盒相连接，BDU高压分段盒与高压控制板相连接，所述高压控制板与BDU主板相连接，所述BDU主板还与低压电气接口相连接，低压电气接口与低压负载设备相连接，BDU主板与n个LDU从控制板相连接，所述n个LDU从控制板分别与n组超级电容模组相连接。

作为一种优选的方案，所述n为30。

作为一种优选的方案，所述BDU高压分段盒通过快速线束与高压电气接口、高压负载设备相连接，其中BDU高压分段盒包括预充电器、总正继电器、总负继电器及快充继电器。

作为一种优选的方案，所述BDU主板采集电容模块包括剩余容量、电流、电压、温度状态在内的参数，并处理从控制器和高压控制器上报的信息，同时根据上报信息计算超级电容充电状态SOC、健康状态SOH、功率状态SOP进行估算，判断和控制动力超级电容运行状态，实现故障诊断和处理。

优选的，所述超级电容的健康状态表述为超级电容当前容量与初始容量的比值，其SOH定义为： SOH=(C_standard-C_fade)/C_standard ×100% 式中：C_fade为超级电容已损失容量；C_standard为标称容量；

优选的，所述CPU中对SOC和SOH的估计方法采用基于卡尔曼滤波的多时间尺度算法，将等效电路模型与可用容量的变化联系起来，建立了SOC 与SOH 联合估算的超级电容集总参数模型，基于模型提出一种多尺度扩展卡尔曼滤波，考虑到SOH 的缓慢变化特性和SOC 的快速变化特性采用宏观尺度对超级电容SOH 进行估算，微观尺度对超级电容SOC 进行估算，用两个估算器与多尺度估算理论有效的融合来自不同时间尺度的测量信息，在NEDC 工况下完成超级电容SOC 与SOH 的联合估算。

优选的，所述CPU中SOH的估算方法具体为：检测当前时刻的电源的电压,温度和电流信息,与之前建立的数据库进行比对,得到电源在此时状态下的SOC值SOCn和电源在之前其中一个状态下的SOC值SOCn1,然后利用SOH=1|SOCnSOCn1|进行SOH的估算；数据库中为SOC与工作环境温度，工作电流和电压的关系，只需采集到当前时刻的工作环境温度和工作电流,并检测出在当前状态下的电压值,然后根据电源的电压在不同的工作环境温度下和不同的工作电流下与SOC一一对应的数据库，检测值与该数据库进行比对,就得到电源在此时状态下的SOC值和电源在之前其中一个状态下的SOC值,然后计算SOH值。本实用新型可以实现以下功能：

1.超级电容状态估计。包括荷电状态（SOC）或放电深度（DOD）、健康状态（SOH）、功能状态（SOF）、能量状态（SOE）、故障及安全状态（SOS）等；

2.在线故障诊断。包括故障检测、故障类型判断、故障定位、故障信息输出等。故障检测是指通过采集到的传感器信号，采用诊断算法诊断故障类型，并进行早期预警。

3.超级电容故障是指超级电容组、高压电回路、热管理等各个子系统的传感器故障、执行器故障（如接触器、风扇、泵、加热器等），以及网络故障、各种控制器软硬件故障等。超级电容组本身故障是指过压（过充）、欠压（过放）、过电流、超高温、内短路故障、接头松动、电解液泄漏、绝缘降低等；

4.超级电容安全控制与报警。包括热系统控制、高压电安全控制。BMS诊断到故障后，通过网络通知整车控制器，并要求整车控制器进行有效处理（超过一定阈值时BMS也可以切断主回路电源），以防止高温、低温、过充、过放、过流、漏电等对超级电容和人身的损害；

5.充电控制。BMS中具有一个充电管理模块，它能够根据超级电容的特性、温度高低以及充电机的功率等级，控制充电机给超级电容进行安全充电；

6.超级电容均衡。不一致性的存在使得超级电容组的容量小于组中最小单体的容量。超级电容均衡是根据单体超级电容信息，采用主动或被动、耗散或非耗散等均衡方式，尽可能使超级电容组容量接近于最小单体的容量；

7.热管理。根据超级电容组内温度分布信息及充放电需求，决定主动加热/散热的强度，使得超级电容尽可能工作在最适合的温度，充分发挥超级电容的性能；

8.网络通讯。BMS需要与整车控制器等网络节点通信；同时，BMS在车辆上拆卸不方便，需要在不拆壳的情况下进行在线标定、监控、升级维护等，一般的车载网络均采用CAN；

9.信息存储。用于存储关键数据，如SOC、SOH、SOF、SOE、累积充放电Ah数、故障码和一致性等；

10.电磁兼容。由于使用环境恶劣，要求BMS具有好的抗电磁干扰能力，同时要求BMS对外辐射小。

工作原理说明：

充电过程：

从板LCU实时监控各电容模组的状态，将采集到的信息（剩余容量、充电电流、电压、温度状态等）发送给BCU主板，由主板根据算法程序完成对整体电容模组单元的均衡控制，保证各电容模组能够均衡充电，最大限度保证充电效率及电容模快寿命；

放电过程：

接入高压负载设备时，高压控制板会对放电过程中的整机状态进行监控，并将信息传递给BCU控制主板，通过内置算法程序，均衡控制放电过程。同时还通过LUC板监控各个超级电容模组的状态信息，保证放电过程的整个电容单元的安全及效率。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的保护范围。在阅读了本实用新型的记载的内容之后，技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本实用新型权利要求所限定的范围。

Claims

1.一种用于超级电容系统中电容单体管理的控制系统，其特征在于，包括：高压负载设备、高压电气接口、低压电气接口、低压负载设备、BDU高压分段盒、高压控制板、BDU主板、LDU从控制板及对应的若干电容模组，其中高压负载设备通过高压电气接口与BDU高压分段盒相连接，BDU高压分段盒与高压控制板相连接，所述高压控制板与BDU主板相连接，所述BDU主板还与低压电气接口相连接，低压电气接口与低压负载设备相连接，BDU主板与n个LDU从控制板相连接，所述n个LDU从控制板分别与n组超级电容模组相连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于超级电容系统中电容单体管理的控制系统，其特征在于，所述n为30。

3.根据权利要求1所述的一种用于超级电容系统中电容单体管理的控制系统，其特征在于，所述BDU高压分段盒通过快速线束与高压电气接口、高压负载设备相连接，其中BDU高压分段盒包括预充电器、总正继电器、总负继电器及快充继电器。

4.根据权利要求3所述的一种用于超级电容系统中电容单体管理的控制系统，其特征在于，所述BDU主板采集电容模块包括剩余容量、电流、电压、温度状态在内的参数，并处理从控制器和高压控制器上报的信息，同时根据上报信息计算超级电容充电状态SOC、健康状态SOH、功率状态SOP进行估算，判断和控制动力超级电容运行状态，实现故障诊断和处理。