專利名稱：多并串超級電容系統(tǒng)均衡方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電容均衡相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種多并串超級電容系統(tǒng)均衡方法。
背景技術(shù)：
超級電容作為輔助電源應(yīng)用在電動(dòng)汽車和智能電網(wǎng)儲能系統(tǒng)上，由于單體電容在制造過程中存在差異(制造エ藝、篩選エ藝、配組方法等)，使用過程中，成組的單體電容之間不一致性會(huì)逐漸表現(xiàn)出來，在不加外部措施的條件下，不一致性會(huì)越來越大，進(jìn)而會(huì)影響到電容系統(tǒng)的整體性能進(jìn)ー步下降。超級電容在車輛或智能電站中使用吋，電容管理系統(tǒng)一般不具備電容均衡功能，只是完成電容狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和對電容系統(tǒng)做相應(yīng)的充放電保護(hù)控制及管理，部分電容管理系統(tǒng)直接使用電池管理系統(tǒng)作為替代品，其均衡功能主要控制均衡開 關(guān)導(dǎo)通，基于容量的基礎(chǔ)上，在充電過程中對容量偏高的單體電容放電。這種均衡系統(tǒng)，電路沒有進(jìn)行隔離處理，容易受干擾產(chǎn)生均衡失效及對控制系統(tǒng)造成損壞；每個(gè)開關(guān)管的控制由一個(gè)引腳獨(dú)立控制，造成控制器資源較大的浪費(fèi)。均衡只選擇在毎次充電期間開啟，均衡效率不高。超級電容器具有很高的功率密度，非常短的充放電時(shí)間，極長的循環(huán)壽命以及高可靠性，作為輔助能源在混合能源電動(dòng)汽車和智能電網(wǎng)的儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用將越來越得到重視；實(shí)際使用中，需要大量単體電容進(jìn)行串并聯(lián)組合。由于單體電容的制造過程存在各種各樣的差別，即使每塊電池都是優(yōu)中選優(yōu)，使用過程中，電容的之間不一致還是會(huì)逐漸表現(xiàn)出來，在不加外部措施的條件下，不一致性會(huì)越來越大，進(jìn)而會(huì)影響到電容系統(tǒng)的整體性能進(jìn)ー步下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種多并串超級電容系統(tǒng)均衡方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)沒有對超級電容配合合適的均衡策略，超級電容的整體性能較低的技術(shù)問題。采用的技術(shù)方案如下
一種多并串超級電容系統(tǒng)均衡方法，所述超級電容由多個(gè)單體電容通過串聯(lián)和/或并列方式組合而成
所述系統(tǒng)包括
超級電容和控制器，在每個(gè)單體電容兩端分別并聯(lián)ー個(gè)放電電阻，每個(gè)放電電阻串聯(lián)一個(gè)開關(guān)模塊，每個(gè)開關(guān)模塊與控制器連接，受控制器控制導(dǎo)通或截止，從而控制放電回路的通斷；
所述方法包括
步驟11，控制器采集各個(gè)單體電容兩端的電壓，確定超級電容中的有效電容，計(jì)算超級電容中有效電容的平均電壓，根據(jù)有效電容的電壓分布，記錄需要均衡的單體電容，把與需要均衡的単體電容連接的開關(guān)模塊的位置記錄為均衡位置，執(zhí)行步驟12 ；
步驟12，根據(jù)需要均衡的單體電容的電壓與超級電容中有效電容的平均電壓的差別，計(jì)算并記錄每個(gè)需要均衡的単體電容需要的均衡時(shí)間，執(zhí)行步驟13，其中，根據(jù)容量=電流對時(shí)間的積分，可以計(jì)算均衡時(shí)間；
步驟13，控制器根據(jù)均衡位置計(jì)算均衡信號，在預(yù)先計(jì)算的均衡方波周期起始時(shí)間，串行輸出均衡信號，導(dǎo)通需要均衡的單體電容所對應(yīng)的開關(guān)模塊，對需要均衡的単體電容實(shí)施均衡控制，執(zhí)行步驟14;
步驟14，在均衡方波周期內(nèi)，當(dāng)其中一個(gè)單體電容的均衡時(shí)間到達(dá)以后，修改均衡信號，截止需要均衡的單體電容所對應(yīng)的開關(guān)模塊，重復(fù)執(zhí)行步驟14，直到到達(dá)均衡方波周期結(jié)束時(shí)間，執(zhí)行步驟15，其中均衡方波周期根據(jù)實(shí)際エ況調(diào)整；
步驟15，重復(fù)執(zhí)行步驟11，直到所有有效電容在預(yù)設(shè)的均衡閥值內(nèi)。上述方法中利用電壓采集線對電容進(jìn)行放電均衡，從機(jī)控制器控制均衡回路的通斷，均衡電流大小由電容外電壓和放電電阻的阻值決定。·
超級電容的SOC-OCV曲線近似為線性，SOC在0%-100%區(qū)間范圍內(nèi)開路電壓基本是線性遞增的，因此可以采用實(shí)時(shí)電壓檢測方式判斷出電容單體之間的容量差異，對其進(jìn)行均衡操作；配合脈寬調(diào)制的模式，擴(kuò)大通斷方波的周期，使電容電壓得到充分靜止后，再進(jìn)行電壓差異判斷，提高均衡的效率。進(jìn)ー步的，所述開關(guān)模塊為場效應(yīng)管。進(jìn)ー步的，所述每個(gè)開關(guān)模塊與控制器之間均設(shè)有隔離模塊。更進(jìn)一歩的，多個(gè)隔離模塊與控制器之間還設(shè)有ー個(gè)串行轉(zhuǎn)換模塊，多個(gè)隔離模塊均與ー個(gè)串行轉(zhuǎn)換模塊連接。隔離模塊提高了均衡電路的抗干擾性，串行轉(zhuǎn)換模塊提高了控制器引腳的利用率。進(jìn)ー步的，所述步驟11中，確定超級電容中的有效電容采用如下方法超級電容中的電壓在預(yù)設(shè)的有效電壓閾值范圍內(nèi)的單體電容為有效電容，或者電容在使用壽命以內(nèi)的單體電容為有效電容。進(jìn)ー步的
所述控制器還包括主板模塊和從板模塊；
所述步驟11具體包括
主板模塊向從板模塊發(fā)送均衡判斷命令，從板模塊接收到均衡判斷命令后，從板模塊采集各個(gè)單體電容兩端的電壓，確定超級電容中的有效電容，計(jì)算超級電容中有效電容的平均電壓，根據(jù)有效電容的電壓分布，記錄需要均衡的單體電容，把與需要均衡的單體電容連接的開關(guān)模塊的位置記錄為均衡位置，執(zhí)行步驟12 ；
所述步驟12具體包括
從板模塊根據(jù)需要均衡的単體電容的電壓與超級電容中有效電容的平均電壓的差別，計(jì)算并記錄每個(gè)需要均衡的単體電容需要的均衡時(shí)間，從板模塊向主板模塊發(fā)送均衡判斷完成信息，執(zhí)行步驟13 ；
步驟13具體包括
主板模塊接收到均衡判斷完成信息，向從板模塊發(fā)送均衡執(zhí)行命令，從板模塊接收到均衡執(zhí)行命令后，從板模塊根據(jù)均衡位置計(jì)算均衡信號，在預(yù)先計(jì)算的均衡方波周期起始時(shí)間，串行輸出均衡信號，導(dǎo)通需要均衡的單體電容所對應(yīng)的開關(guān)模塊，對需要均衡的単體電容實(shí)施均衡控制，執(zhí)行步驟14 ；
步驟14具體包括
從板模塊在均衡方波周期內(nèi)，當(dāng)其中一個(gè)單體電容的均衡時(shí)間到達(dá)以后，修改均衡信號，截止需要均衡的單體電容所對應(yīng)的開關(guān)模塊，重復(fù)執(zhí)行步驟14，直到到達(dá)均衡方波周期結(jié)束時(shí)間，從板模塊向主板模塊發(fā)送均衡執(zhí)行完成信息，執(zhí)行步驟15 ；
步驟15具體包括
主板模塊接收到均衡執(zhí)行完成信息，重復(fù)執(zhí)行步驟11，直到所有有效電容在預(yù)設(shè)的均衡閥值內(nèi)。本發(fā)明通過設(shè)計(jì)被動(dòng)式均衡電路，配合合適的均衡策略，提高電容組整體性能，提高電容使用率，延長電容組使用壽命。本發(fā)明的均衡方案簡單、可靠、抗干擾能力強(qiáng)。借助串行通訊模塊，大大節(jié)省控制器引腳資源。同時(shí)本發(fā)明的均衡方案效率高，均衡效果好。本 均衡策略采用脈寬調(diào)制模式，全天候?qū)π枰怆娙葸M(jìn)行控制，大大提高均衡效率，得到較好的均衡效果。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)拓?fù)鋱D。圖2為本發(fā)明實(shí)施例的控制器的模塊結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)ー步詳細(xì)的說明。如圖I所述為本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)拓?fù)鋱D。所述超級電容由多個(gè)單體電容通過串聯(lián)和/或并列方式組合而成，所述系統(tǒng)包括
超級電容和控制器，在每個(gè)單體電容In (n=l，2，3，···)兩端分別并聯(lián)ー個(gè)放電電阻，每個(gè)放電電阻串聯(lián)ー個(gè)場效應(yīng)管2n (n=l, 2，3，…)，每個(gè)場效應(yīng)管2n與隔離模塊3n(n=l, 2，3，…)連接，所有的隔離模塊3n依次與串行轉(zhuǎn)換模塊4和控制器5連接，場效應(yīng)管2n受控制器5控制導(dǎo)通或截止，從而控制放電回路的通斷。如圖2所示為本發(fā)明實(shí)施例的控制器5的模塊結(jié)構(gòu)圖，包括主板模塊21和從板模塊22。如圖3所示為本發(fā)明實(shí)施例的方法流程
步驟S301，主板模塊21向從板模塊22發(fā)送均衡判斷命令，從板模塊22接收到均衡判斷命令后，從板模塊22采集各個(gè)單體電容兩端的電壓，確定超級電容中的有效電容，計(jì)算超級電容中有效電容的平均電壓，根據(jù)有效電容的電壓分布，記錄需要均衡的單體電容，把與需要均衡的単體電容連接的開關(guān)模塊的位置記錄為均衡位置，執(zhí)行步驟S302 ；
確定超級電容中的有效電容采用如下方法超級電容中的電壓在預(yù)設(shè)的有效電壓閾值范圍內(nèi)的単體電容，，或者電容在使用壽命以內(nèi)的単體電容均為有效電容；
步驟S302，從板模塊22根據(jù)需要均衡的單體電容的電壓與超級電容中有效電容的平均電壓的差別，計(jì)算并記錄每個(gè)需要均衡的単體電容需要的均衡時(shí)間，從板模塊22向主板模塊21發(fā)送均衡判斷完成信息，執(zhí)行步驟S303 ；
步驟S303，主板模塊21接收到均衡判斷完成信息，向從板模塊22發(fā)送均衡執(zhí)行命令，從板模塊22接收到均衡執(zhí)行命令后，從板模塊22根據(jù)均衡位置計(jì)算均衡信號，在預(yù)先計(jì)算的均衡方波周期起始時(shí)間，串行輸出均衡信號，導(dǎo)通需要均衡的単體電容所對應(yīng)的場效應(yīng)管，對需要均衡的単體電容實(shí)施均衡控制，執(zhí)行步驟S304 ；
步驟S304，從板模塊22在均衡方波周期內(nèi)，當(dāng)其中一個(gè)單體電容的均衡時(shí)間到達(dá)以后，修改均衡信號，截止需要均衡的単體電容所對應(yīng)的場效應(yīng)管，重復(fù)執(zhí)行步驟14，直到到達(dá)均衡方波周期結(jié)束時(shí)間，從板模塊22向主板模塊21發(fā)送均衡執(zhí)行完成信息，執(zhí)行步驟S305 ；
步驟S305，主板模塊21接收到均衡執(zhí)行完成信息，重復(fù)執(zhí)行步驟S301，直到所有有效電容在預(yù)設(shè)的均衡閥值內(nèi)。作為ー個(gè)例子，超級電容包括8節(jié)電池，每節(jié)電池即上述的單體電容。執(zhí)行步驟S301，主板模塊21向從板模塊22發(fā)送均衡判斷命令，從板模塊22接收到均衡判斷命令后，從板模塊22采集各節(jié)電池兩端的電壓，確定超級電容中的有效電容，計(jì)算超級電容中有效電容的平均電壓，根據(jù)有效電容的電壓分布，確定其中的第1、3、5節(jié)電池需要均衡，把與需要均衡的每節(jié)電池連接的開關(guān)模塊的位置記錄為均衡位置；
執(zhí)行步驟S302，從板模塊22根據(jù)需要均衡的每節(jié)電池的電壓與超級電容中有效電容的平均電壓的差別，確定第1、3、5節(jié)電池的均衡時(shí)間，從板模塊22向主板模塊21發(fā)送均衡判斷完成信息；
執(zhí)行步驟S303，主板模塊21接收到均衡判斷完成信息，向從板模塊22發(fā)送均衡執(zhí)行命令，從板模塊22接收到均衡執(zhí)行命令后，從板模塊22根據(jù)均衡位置計(jì)算均衡信號，在預(yù)先計(jì)算的均衡方波周期起始時(shí)間，串行輸出均衡信號00010101，均衡信號的每一位對應(yīng)ー節(jié)電池，“I”表示導(dǎo)通，“O”表示截止，導(dǎo)通場效應(yīng)管21、23和25，對第1、3、5節(jié)電池實(shí)施均衡控制；
步驟S304，從板模塊22在均衡方波周期內(nèi)，當(dāng)?shù)贗節(jié)每節(jié)電池的均衡時(shí)間到達(dá)以后，修改均衡信號為00010100，截止場效應(yīng)管21，當(dāng)?shù)?節(jié)每節(jié)電池的均衡時(shí)間到達(dá)以后,修改均衡信號為00010000，截止場效應(yīng)管23，當(dāng)?shù)?節(jié)每節(jié)電池的均衡時(shí)間到達(dá)以后,修改均衡信號為00000000，直到到達(dá)均衡方波周期結(jié)束時(shí)間，從板模塊22向主板模塊21發(fā)送均衡執(zhí)行完成信息，執(zhí)行步驟S305 ；
步驟S305，主板模塊21接收到均衡執(zhí)行完成信息，重復(fù)執(zhí)行步驟S301，直到所有有效電容在預(yù)設(shè)的均衡閥值內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種多并串超級電容系統(tǒng)均衡方法，所述超級電容由多個(gè)單體電容通過串聯(lián)和/或并列方式組合而成，其特征在于 所述系統(tǒng)包括 超級電容和控制器，在每個(gè)單體電容兩端分別并聯(lián)ー個(gè)放電電阻，每個(gè)放電電阻串聯(lián)一個(gè)開關(guān)模塊，每個(gè)開關(guān)模塊與控制器連接，受控制器控制導(dǎo)通或截止，從而控制放電回路的通斷； 所述方法包括 步驟(11 )，控制器采集各個(gè)單體電容兩端的電壓，確定超級電容中的有效電容，計(jì)算超級電容中有效電容的平均電壓，根據(jù)有效電容的電壓分布，記錄需要均衡的單體電容，把與需要均衡的単體電容連接的開關(guān)模塊的位置記錄為均衡位置，執(zhí)行步驟(12); 步驟(12)，根據(jù)需要均衡的單體電容的電壓與超級電容中有效電容的平均電壓的差 另IJ，計(jì)算并記錄每個(gè)需要均衡的単體電容需要的均衡時(shí)間，執(zhí)行步驟(13)； 步驟(13)，控制器根據(jù)均衡位置計(jì)算均衡信號，在預(yù)先計(jì)算的均衡方波周期起始時(shí)間，串行輸出均衡信號，導(dǎo)通需要均衡的單體電容所對應(yīng)的開關(guān)模塊，對需要均衡的単體電容實(shí)施均衡控制，執(zhí)行步驟(14)； 步驟(14)，在均衡方波周期內(nèi)，當(dāng)其中一個(gè)單體電容的均衡時(shí)間到達(dá)以后，修改均衡信號，截止需要均衡的單體電容所對應(yīng)的開關(guān)模塊，重復(fù)執(zhí)行步驟(14)，直到到達(dá)均衡方波周期結(jié)束時(shí)間，執(zhí)行步驟(15); 步驟(15)，重復(fù)執(zhí)行步驟(11 )，直到所有有效電容在預(yù)設(shè)的均衡閥值內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多井串超級電容系統(tǒng)均衡方法，其特征在于，所述開關(guān)模塊為場效應(yīng)管。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多井串超級電容系統(tǒng)均衡方法，其特征在于，所述每個(gè)開關(guān)模塊與控制器之間均設(shè)有隔離模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多井串超級電容系統(tǒng)均衡方法，其特征在于，多個(gè)隔離模塊與控制器之間還設(shè)有ー個(gè)串行轉(zhuǎn)換模塊，多個(gè)隔離模塊均與ー個(gè)串行轉(zhuǎn)換模塊連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多井串超級電容系統(tǒng)均衡方法，其特征在于，所述步驟(11)中，確定超級電容中的有效電容采用如下方法超級電容中的電壓在預(yù)設(shè)的有效電壓閾值范圍內(nèi)的単體電容為有效電容，或者電容在使用壽命以內(nèi)的単體電容為有效電容。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多井串超級電容系統(tǒng)均衡方法，其特征在于 所述控制器還包括主板模塊和從板模塊； 所述步驟(11)具體包括 主板模塊向從板模塊發(fā)送均衡判斷命令，從板模塊接收到均衡判斷命令后，從板模塊采集各個(gè)單體電容兩端的電壓，確定超級電容中的有效電容，計(jì)算超級電容中有效電容的平均電壓，根據(jù)有效電容的電壓分布，記錄需要均衡的單體電容，把與需要均衡的單體電容連接的開關(guān)模塊的位置記錄為均衡位置，執(zhí)行步驟(12)； 所述步驟(12)具體包括 從板模塊根據(jù)需要均衡的単體電容的電壓與超級電容中有效電容的平均電壓的差別，計(jì)算并記錄每個(gè)需要均衡的単體電容需要的均衡時(shí)間，從板模塊向主板模塊發(fā)送均衡判斷完成信息，執(zhí)行步驟(13)；步驟(13)具體包括 主板模塊接收到均衡判斷完成信息，向從板模塊發(fā)送均衡執(zhí)行命令，從板模塊接收到均衡執(zhí)行命令后，從板模塊根據(jù)均衡位置計(jì)算均衡信號，在預(yù)先計(jì)算的均衡方波周期起始時(shí)間，串行輸出均衡信號，導(dǎo)通需要均衡的單體電容所對應(yīng)的開關(guān)模塊，對需要均衡的単體電容實(shí)施均衡控制，執(zhí)行步驟(14)； 步驟(14)具體包括 從板模塊在均衡方波周期內(nèi)，當(dāng)其中一個(gè)單體電容的均衡時(shí)間到達(dá)以后，修改均衡信號，截止需要均衡的單體電容所對應(yīng)的開關(guān)模塊，重復(fù)執(zhí)行步驟(14)，直到到達(dá)均衡方波周期結(jié)束時(shí)間，從板模塊向主板模塊發(fā)送均衡執(zhí)行完成信息，執(zhí)行步驟(15); 步驟(15)具體包括 主板模塊接收到均衡執(zhí)行完成信息，重復(fù)執(zhí)行步驟(11)，直到所有有效電容在預(yù)設(shè)的 均衡閥值內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及電容均衡相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種多并串超級電容系統(tǒng)均衡方法。所述超級電容由多個(gè)單體電容通過串聯(lián)和/或并列方式組合而成，所述系統(tǒng)包括超級電容和控制器，在每個(gè)單體電容兩端分別并聯(lián)一個(gè)放電電阻，每個(gè)放電電阻串聯(lián)一個(gè)開關(guān)模塊，每個(gè)開關(guān)模塊與控制器連接，受控制器控制導(dǎo)通或截止，從而控制放電回路的通斷。本發(fā)明通過設(shè)計(jì)被動(dòng)式均衡電路，配合合適的均衡策略，提高電容組整體性能，提高電容使用率，延長電容組使用壽命。本發(fā)明的均衡方案簡單、可靠、抗干擾能力強(qiáng)。借助串行通訊模塊，大大節(jié)省控制器引腳資源。
文檔編號H02J15/00GK102856984SQ20121022133
公開日2013年1月2日 申請日期2012年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月30日
發(fā)明者劉飛, 文鋒, 阮旭松, 鄧錦熾 申請人:惠州市億能電子有限公司