專利名稱：超級電容組電壓均衡裝置及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電壓均衡裝置，尤其是一種能均衡串聯(lián)超級電容器組各單體之間 電壓的裝置及控制方法。
背景技術(shù)：
超級電容的額定電壓較低，在應(yīng)用中需要大量的串聯(lián)。由于每個超級電容器之間 特性參數(shù)的分散性，超級電容器組在正常充放電或者靜止?fàn)顟B(tài)下，單體之間的電壓會出現(xiàn) 不均衡，過充和過放現(xiàn)象都會造成超級電容器的永久損壞，進(jìn)而造成整個儲能系統(tǒng)的失效。為了均衡串聯(lián)超級電容器組的單體電壓，一般采用電壓均衡電路。其中，無源均衡 是把電壓高的超級電容多余部分能量消耗掉，即通過阻性器件消耗能量；有源均衡是能量 轉(zhuǎn)移型均壓技術(shù)，即通過儲能器件轉(zhuǎn)移能量，能耗小，并且可控性好。有源均衡方法中，飛渡電容法是將均衡電容器在串聯(lián)電容組內(nèi)電壓最高的單體電 容組和串聯(lián)電壓最低的單體電容組之間進(jìn)行并聯(lián)切換，完成電荷由電壓最高的單體電容組 到電壓最低的單體電容組的轉(zhuǎn)移，從而使電壓高的單體電容組的電壓下降，電壓低的單體 電容組的電壓上升，達(dá)到均衡的目的。這種均壓方法能快速進(jìn)行電壓均衡，且均壓精度高、 損耗小，無論是在充放電狀態(tài)還是在靜止?fàn)顟B(tài)都可進(jìn)行電壓均衡。但這種均壓方法動態(tài)性 能較差，因?yàn)樗枰^電器網(wǎng)絡(luò)來選通均衡電容和高壓電容(低壓電容)，當(dāng)繼電器導(dǎo)通瞬 間，系統(tǒng)沖擊電流大，設(shè)備可靠性低。有源均衡方法中的DC/DC變換器法是在每兩個相鄰的超級電容器之間都聯(lián)結(jié)一 個DC/DC變換器，通過比較相鄰超級電容之間的電壓，將電壓高的超級電容的能量通過變 換器轉(zhuǎn)移到電壓低的電容器中去。對于由N個電容器組成的串聯(lián)電容器組，需要N-I個DC/ DC變換器。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能量損耗低，電壓均衡速度快，對充放電狀態(tài)都可進(jìn)行電壓均 衡。但缺點(diǎn)是需要的電感、開關(guān)管等功率器件多，控制復(fù)雜，成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有超級電容電壓均衡技術(shù)的上述缺陷，為串聯(lián)超級電容 組提供了一種新的電壓均衡方法-飛渡變換器法。該方法利用DC/DC變換器穩(wěn)壓、動態(tài)性 能好的優(yōu)點(diǎn)來解決飛渡電容器法中系統(tǒng)沖擊電流大的問題，同時可以有效控制均衡電容器 和串聯(lián)超級電容組單體之間的能量流動，使得電壓均衡電路的能耗低、均衡速度快、沖擊電 流小、成本低。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案。本發(fā)明包括串聯(lián)超級電容組1、 開關(guān)陣列2、DC/DC變換器3、均衡電容器4、檢測單元5和控制單元6。其中超級電容組1與檢測單元5相接，通過檢測單元5檢測出電壓信號，電流信號和溫 度信號。電壓信號是檢測超級電容各單體電壓和均衡電容器上的電壓；電流信號是檢測均 衡電容器上的電流，并利用該電流信號判斷出超級電容組的充放電狀態(tài)；溫度信號是檢測 超級電容組的溫度，由于超級電容的狀態(tài)和參數(shù)受它自身的溫度影響，因此實(shí)時地檢測溫度可以幫助準(zhǔn)確的估計超級電容器的狀態(tài)，從而更好的進(jìn)行均衡控制?？刂茊卧?與檢測單元5相連接，處理檢測單元5輸入的電壓、電流、溫度信號，輸 出繼電器開關(guān)陣列2和DC/DC變換器3的控制信號；串聯(lián)超級電容組1、開關(guān)陣列2、DC/DC變換器3和均衡電容器4依次連接，檢測單 元5的輸入端與串聯(lián)超級電容組1和均衡電容器4相連接，輸出端與控制單元6相連接，控 制單元6的輸出端與開關(guān)陣列2和DC/DC變換器3相連接，控制單元6輸出的控制信號來 控制開關(guān)陣列2和DC/DC變換器3，最終實(shí)現(xiàn)超級電容組1與均衡電容器4之間的能量傳 遞。其中均衡電容器4是與超級電容組1進(jìn)行 能量傳遞、實(shí)現(xiàn)超級電容組電壓均衡功能的 電容器。開關(guān)陣列的選通順序和DC/DC變換器的控制方式按如下步驟實(shí)施(1)檢測器5檢測均衡電容器4的電流，并將該電流傳動給控制單元6，控制單元6 根據(jù)檢測到的均衡電容器上電流的大小和方向判斷超級電容器組的充放電狀態(tài)。如果超級 電容組處于充電狀態(tài)，則選取充電狀態(tài)時的控制策略；反之，選取放電狀態(tài)時的控制策略。所述的充電狀態(tài)時的控制策略如下1)檢測單元5檢測超級電容組1各單體電壓(超級電容組中單個超級電容的電 壓)和均衡電容器4電壓；2)控制單元6找出超級電容組中電壓最大的超級電容，其電壓記為Umax，并給開 關(guān)陣列2發(fā)出控制信號，使電壓最大的超級電容與DC/DC變換器相連接，3)控制單元6對DC/DC變換器3的功率開關(guān)發(fā)出控制信號，使DC/DC變換器3工 作在升壓狀態(tài)；4)當(dāng)八隊與AUb滿足AUb彡kAUa時，k e
，控制單元6向開關(guān)陣列2發(fā) 出信號，使新的電壓最高的電容器與DC/DC變換器連接；其中Ufull為超級電容充滿電時的額定電壓，Umw為充電過程中新產(chǎn)生的電壓最 高的電容的電壓，隊1(1為之前與DC/DC變換器相連的電容電壓；AUa = Ufull-Unew，AUb = Unew-Uold, k為
之間的任意常數(shù)。所述的放電狀態(tài)時的控制策略如下1)檢測單元5檢測超級電容組1各單體電壓和均衡電容器4電壓Uf ；2)控制單元6找出超級電容組中電壓最大(Umax)和最小(Umin)的超級電容，并求 出它們的均值電壓Uare(超級電容組中電壓最大單體和電壓最小單體的均值)，比較Uave與 均衡電容器的電壓Uf;若Uave大于等于均衡電容器電壓，則控制單元6輸出控制信號使開關(guān)陣列2選通 電壓最大的電容器與DC/DC變換器3相接，控制單元6向DC/DC變換器3輸入控制信號，使 其工作在正向升壓狀態(tài)，將均衡電容器4充至Uav，Uav是均衡電容器電壓和與均衡電容器并 聯(lián)的超級電容組單體電壓的均值；若Uave小于均衡電容器電壓，則控制單元6輸出控制信號使開關(guān)陣列2選通電壓 最小的電容器與DC/DC變換器3相接，控制單元6向DC/DC變換器3輸入控制信號，使其工 作在反向升壓狀態(tài)，將均衡電容器充4至Uav ；3)重復(fù)步驟1)，查看串聯(lián)超級電容組1各單體電壓是否滿足均衡精度控制要求， 所述的均衡精度包括兩個指標(biāo)，即電壓方差心和最大電壓偏差Δν，如果各單體電壓同時滿足電壓方差和最大電壓偏差要求，則停止均衡。電壓方差δ ν通過下式計算
<formula>formula see original document page 5</formula>式中Vi為超級電容組中個單體電壓值，Vavg為超級電容
組的各超級電容的電壓平均值，N為超級電容組中超級電容的個數(shù)，ε工為一個正的給定值， 取值范圍一般為W，1]，它決定了對控制精度的要求。最大電壓偏差Δ ν通過下式計算Av = max Vi-VjI ^ ε 2，Vi, Vj分別為超級電容組中的兩個不同超級電容的電壓 值，ε 2也是一個正的給定值，取值范圍一般為
，它決定了最大電壓的允許值。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，優(yōu)點(diǎn)在于1)本發(fā)明采用DC/DC變換器解決了飛渡電容器系統(tǒng)沖擊電流大、設(shè)備可靠性低的 缺點(diǎn)，并且實(shí)現(xiàn)了串聯(lián)電容組與均衡電容器之間的可控能量流動。2)本發(fā)明只需要一個DC/DC變換器，比DC/DC變換器法要少很多電感、開關(guān)管等功 率器件，使得系統(tǒng)可靠性提高、能耗減小。


圖1是電壓均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框2是飛渡DC/DC變換器法電路3是電壓均衡控制流程中1、串聯(lián)超級電容組，2、開關(guān)陣列，3、DC/DC變換器，4、均衡電容器，5、檢測單 元，6、控制單元。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合圖1、圖2、圖3對本發(fā)明作進(jìn)一步說明如圖1所示，本實(shí)施例包括串聯(lián)超級電容組1、開關(guān)陣列2、DC/DC變換器(直流直 流變換器)3、均衡電容器4、檢測單元5和控制單元6。用檢測單元5檢測各超級電容組1 單體和均衡電容器4的電壓，通過控制單元6，使能開關(guān)陣列2，使串聯(lián)超級電容組1與DC/ DC變換器3和均衡電容器4選通，從而實(shí)現(xiàn)串聯(lián)超級電容組1與均衡電容器4之間的能量 流動。如圖2所示，一組串聯(lián)的超級電容組，選擇其中的四個單體超級電容100、101、102 和103來說明具體電路的連接。電壓均衡電路由開關(guān)陣列211、DC/DC變換器311和均衡電 容器400組成。其中開關(guān)陣列由開關(guān)200、201、202、203組成。開關(guān)200的第一引出端01接超級電容的正端aO，第二引出端02接至相鄰的兩個 超級電容器100和101的連接中點(diǎn)al ；開關(guān)201的第一引出端11接至開關(guān)200的第二引 出端02，第二引出端12接至相鄰的兩個超級電容101和102的連接中點(diǎn)a2，第三引出端13 接至開關(guān)200的第三引出端03，第四引出端14接至開關(guān)200的第四引出端04 ；后面開關(guān) 的接法與此類似。開關(guān)陣列的功能是將均衡電容器400分別與需要均衡的兩個超級電容器 并聯(lián)，從而把電壓高的超級電容器的電荷通過均衡電容器400轉(zhuǎn)移到電壓低的超級電容器 上。
DC/DC變換器3由兩個功率開關(guān)管、兩個二極管和一個電感組成。二極管300并接 在功率開關(guān)302兩端，二極管301并接在功率開關(guān)303兩端，功率開關(guān)302與功率開關(guān)303 串聯(lián)，電感的一端接至功率開關(guān)302和功率開關(guān)303的中點(diǎn)bl處。這些功率器件最終組成 Boost-Buck(升降壓)結(jié)構(gòu)的功率變換器。當(dāng)超級電容組單體電壓大于均衡電容器上的電 壓時，功率開關(guān)302導(dǎo)通，功率開關(guān)303截至，功率開關(guān)302、二極管301、電感304構(gòu)成升壓 電路，DC/DC變換器工作在正向升壓狀態(tài)(所謂正向DC/DC變換器的輸入端為超級電容組， 輸出端為均衡電容器)，能量從超級電容組轉(zhuǎn)移到均衡變換器400 ；當(dāng)超級電容組單體電壓 小于均衡電容器上的電壓時，功率開關(guān)302截止，功率開關(guān)303導(dǎo)通、二極管300、電感304 構(gòu)成升壓電路，DC/DC變換器工作在反向升壓狀態(tài)(所謂反向DC/DC變換器的輸入端為均 衡電容器，輸出端為超級電容組)，能量從均衡變換器400轉(zhuǎn)移到超級電容組。這種雙向DC/ DC變換器結(jié)構(gòu)簡單、能耗小、穩(wěn)定性高且易于實(shí)現(xiàn)。開關(guān)陣列的選通順序和DC/DC變換器的控制方式如圖3所示。具體實(shí)施步驟如 下(1)通過檢測到均衡控制器4上電流的大小和方向判斷超級電容器組的充放電狀 態(tài)。如果超級電容組處于充電狀態(tài)，則選取充電狀態(tài)時的控制策略；反之，選取放電狀態(tài)時 的控制策略。(2)如果超級電容處于充電狀態(tài)，則按以下步驟進(jìn)行1)檢測單元5檢測超級電容組1各單體電壓(超級電容組中單個超級電容的電 壓)和均衡電容器4電壓。2)控制單元6找出超級電容組中電壓最大的超級電容，其電壓記為Umax，并給開 關(guān)陣列2發(fā)出控制信號，使電壓最大的超級電容與DC/DC變換器連接。3)控制單元6對DC/DC變換器3的功率開關(guān)發(fā)出控制信號，使DC/DC變換器3工 作在升壓狀態(tài)。4)當(dāng)AUa與AUb滿足AUbSkAUa (k e
)時，控制單元6向開關(guān)陣列2發(fā) 出信號，使新的電壓最高的電容器與DC/DC變換器連接。其中:Ufull為超級電容充滿電時的額定電壓，Umw為充電過程中新產(chǎn)生的電壓最 高的電容的電壓，隊1(1為之前與DC/DC變換器相連的電容電壓；AUa = Ufull-Unew，AUb = Unew-Uold, k為
之間的任意常數(shù)。(3)如果超級電容處于放電狀態(tài)，則按以下步驟進(jìn)行1)檢測單元5檢測超級電容組1各單體電壓和均衡電容器4電壓。2)控制單元6找出超級電容組中電壓最大(Umax)和最小(Umin)的超級電容，并求 出它們的均值電壓Uave，比較Uave與均衡電容器的電壓Uf ；若Uave大于等于均衡電容器電壓，則控制單元6輸出控制信號使開關(guān)陣列2選通 電壓最大的電容器與DC/DC變換器3相接，控制單元6向DC/DC變換器3輸入控制信號，使 其工作在正向升壓狀態(tài)。將均衡電容器4充至Uav;若Uave小于均衡電容器電壓，則控制單元6輸出控制信號使開關(guān)陣列2選通電壓 最小的電容器與DC/DC變換器3相接，控制單元6向DC/DC變換器3輸入控制信號，使其工 作在反向升壓狀態(tài)。將均衡電容器充4至Uav，3)重復(fù)步驟1)，查看串聯(lián)超級電容組1各單體電壓是否滿足均衡精度控制要求，所述的均衡精度包括兩個指標(biāo)，即電壓方差心和最大電壓偏差Δν，如果各單體電壓同時 滿足電壓方差和最大電壓偏差要求，則停止均衡。電壓方差δ ν通過下式計算
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組的各超級電容的電壓平均值，N為超級電容組中超級電容的個數(shù)，ε ！為一個正的給定值， 本實(shí)施例中取值為0.8，它決定了對控制精度的要求。最大電壓偏差Δ ν通過下式計算Δν = max | Vi-Vj彡ε 2，Vi, Vj分別為超級電容組中的兩個不同超級電容的電壓 值，ε 2也是一個正的給定值，本實(shí)施例中取值為0. 25，它決定了最大電壓的允許值。
權(quán)利要求
超級電容組電壓均衡裝置，其特征在于包括串聯(lián)超級電容組(1)、開關(guān)陣列(2)、DC/DC變換器(3)、均衡電容器(4)、檢測單元(5)和控制單元(6)；其中串聯(lián)超級電容組(1)、開關(guān)陣列(2)、DC/DC變換器(3)和均衡電容器(4)依次連接，檢測單元(5)的輸入端與串聯(lián)超級電容組(1)和均衡電容器(4)相連接，輸出端與控制單元(6)的輸入端相連接，控制單元(6)的輸出端與開關(guān)陣列(2)和DC/DC變換器(3)相連接，控制單元(6)輸出的控制信號來控制開關(guān)陣列(2)和DC/DC變換器(3)，最終實(shí)現(xiàn)超級電容組(1)與均衡電容器(4)之間的能量傳遞。
2.一種用于權(quán)利要求1所述的超級電容組電壓均衡裝置的控制方法，其特征在于，該 方法包括以下步驟檢測器(5)檢測均衡電容器⑷的電流，并將該電流傳動給控制單元(6)，控制單元 (6)根據(jù)檢測到的均衡電容器上電流的大小和方向判斷超級電容器組(1)的充放電狀態(tài)， 如果超級電容組處于充電狀態(tài)，則采取充電狀態(tài)時的控制策略，反之，采取放電狀態(tài)時的控 制策略；所述的充電狀態(tài)時的控制策略如下1)檢測單元(5)檢測超級電容組⑴各單體電壓和均衡電容器⑷電壓；2)控制單元(6)找出超級電容組中電壓最大的超級電容，其電壓記為Umax，并給開關(guān) 陣列(2)發(fā)出控制信號，使電壓最大的超級電容與DC/DC變換器相連接；3)控制單元(6)對DC/DC變換器(3)的功率開關(guān)發(fā)出控制信號，使DC/DC變換器(3) 工作在升壓狀態(tài)；4)當(dāng)AUa與AUb滿足AUbSkAUa時，keW，1]，控制單元(6)向開關(guān)陣列(2)發(fā) 出信號，使新的電壓最高的電容器與DC/DC變換器連接；其中=Ufull為超級電容充滿電時的額定電壓，Umw為充電過程中新產(chǎn)生的電壓最高的電 容的電壓，Uold為之前與DC/DC變換器相連的電容電壓；ΔUa = Ufull-Unew，AUb = Unew-Uold, k 為
之間的任意常數(shù)；所述的放電狀態(tài)時的控制策略如下1)檢測單元(5)檢測超級電容組⑴各單體電壓和均衡電容器⑷電壓Uf；2)控制單元(6)找出超級電容組中電壓最大Umax和最小Umin的超級電容，并求出它們 的均值電壓Uave,比較Uave與均衡電容器的電壓Uf ；若Uare大于等于均衡電容器電壓，則控制單元(6)輸出控制信號使開關(guān)陣列(2)選通 電壓最大的電容器與DC/DC變換器(3)相接，控制單元(6)向DC/DC變換器(3)輸入控制 信號，使其工作在正向升壓狀態(tài)，將均衡電容器⑷充至Uav，Uav是均衡電容器電壓和與均 衡電容器并聯(lián)的超級電容組單體電壓的均值；若Uare小于均衡電容器電壓，則控制單元(6)輸出控制信號使開關(guān)陣列(2)選通電壓 最小的電容器與DC/DC變換器(3)相接，控制單元(6)向DC/DC變換器(3)輸入控制信號， 使其工作在反向升壓狀態(tài)，將均衡電容器充(4)至Uav;3)重復(fù)步驟1)，查看串聯(lián)超級電容組(1)各單體電壓是否滿足均衡精度控制要求，所 述的均衡精度包括兩個指標(biāo)，即電壓方差心和最大電壓偏差Δν，如果各單體電壓同時滿 足電壓方差和最大電壓偏差，則停止均衡。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電壓均衡裝置，尤其是一種能均衡串聯(lián)超級電容器組各單體之間電壓的裝置及控制方法。本發(fā)明包括串聯(lián)超級電容組、開關(guān)陣列、DC/DC變換器、均衡電容器、檢測單元和控制單元。串聯(lián)超級電容組、開關(guān)陣列、DC/DC變換器和均衡電容器依次連接，檢測單元的輸入端與串聯(lián)超級電容組和均衡電容器相連接，輸出端與控制單元相連接，控制單元的輸出端與開關(guān)陣列和DC/DC變換器相連接，控制單元輸出的控制信號來控制開關(guān)陣列和DC/DC變換器，最終實(shí)現(xiàn)超級電容組與均衡電容器之間的能量傳遞。本發(fā)明只需要一個DC/DC變換器，比DC/DC變換器法要少很多電感、開關(guān)管等功率器件，使得系統(tǒng)可靠性提高、能耗減小。
文檔編號H02J15/00GK101814773SQ200910250248
公開日2010年8月25日 申請日期2009年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月11日
發(fā)明者宋小敬, 許家群 申請人:北京工業(yè)大學(xué)