一種超級電容模組的診斷方法與裝置與流程

本發明涉及超級電容技術領域，特別涉及一種超級電容模組的診斷方法。本發明還涉及一種超級電容模組的診斷裝置。

背景技術：

眾所周知，超級電容具有功率密度大，使用壽命長等特點，非常適合于軌道交通，無軌交通領域，起動吊裝機械等瞬時啟動和回饋功率較大的領域。

目前，超級電容單體電壓通常在3v左右；為匹配負載系統電壓，通常采用多個單體串并聯的方式組成標準模組，多個標準模組串并聯組成系統。由于超級電容單體容量，內阻，泄漏電流等不一致性導致充放電時單體電壓存在差異，如不做均衡將會導致單體長期處于過壓或欠壓狀態，損壞超級電容。因此，國內科研院校在超級電容主動和被動均衡方面做出了很多研究，也取得了一些成就。但在實際應用過程中除了超級電容本身容量，內阻等對單體平衡有影響外，還存在著電容間連接阻抗對流過電容的電流和電壓變化有影響，經常遇到超級電容模組內電容間螺栓連接松動，導致連接阻抗增大，局部溫升增大導致電容故障。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種超級電容模組的診斷方法，該診斷方法可以獲取模組內各個超級電容單體的電壓變化率，從而實現對連接阻抗的診斷，故障預警，指導維護人員及早維護消除隱患。本發明的另一目的是提供一種超級電容模組的診斷裝置。

為實現上述目的，本發明提供一種超級電容模組的診斷方法，包括：

獲取在充電或放電瞬間各個超級電容單體的第一電壓變化率；

判斷全部所述第一電壓變化率是否處于第一預設范圍；若否，則提示對不處于所述第一預設范圍的所述第一電壓變化率所對應的所述超級電容單體進行緊固維護。

優選地，還包括：

獲取在充電或放電過程中各個超級電容單體的第二電壓變化率；

判斷全部所述第二電壓變化率是否處于第二預設范圍；若否，則提示對不處于所述第二預設范圍的所述第二電壓變化率所對應的所述超級電容單體進行更換操作。

優選地，還包括：

分別獲取在正常狀態下各個超級電容單體的充電瞬間、充電過程中以及放電瞬間的理想電壓變化值，得到電壓變化閾值；

獲取各個超級電容單體在充電瞬間、充電過程中以及放電瞬間的實際電壓變化值；

判斷所述實際電壓變化值是否處于所述電壓變化閾值的范圍之內，若否，則提示對不處于所述電壓變化閾值的范圍之內的所述實際電壓變化值所對應的所述超級電容單體進行預報故障操作。

優選地，所述獲取在充電或放電瞬間各個超級電容單體的第一電壓變化率的步驟之后，還包括：

通過所述大數據管理系統判斷全部所述第一電壓變化率是否處于第一預設范圍；若否，則提示對不處于所述第一預設范圍的所述第一電壓變化率所對應的所述超級電容單體進行緊固維護。

優選地，還包括：

分別獲取在正常狀態下各個超級電容單體的充電瞬間、充電過程中以及放電瞬間的理想溫度值，得到溫度閾值；

獲取各個超級電容單體在充電瞬間、充電過程中以及放電瞬間的實際溫度值；

判斷所述實際溫度值是否處于所述溫度閾值的范圍之內，若否，則提示對不處于所述溫度閾值的范圍之內的所述實際溫度值所對應的所述超級電容單體進行預報故障操作。

本發明還提供一種超級電容模組的診斷裝置，包括：

用以采集各個超級電容單體的電流與電壓的采集均衡板：

與所述采集均衡板通過4g或wifi連接用以實現數據傳輸的大數據管理系統：所述大數據管理系統包括第一電壓變化率計算單元：用于根據電流與電壓得到在充電或放電瞬間各個超級電容單體的第一電壓變化率；用于判斷全部所述第一電壓變化率是否處于第一預設范圍；若否，則提示對不處于所述第一預設范圍的所述第一電壓變化率所對應的所述超級電容單體進行緊固維護。

優選地，所述大數據管理系統還包括第二電壓變化率計算單元：用于根據電流與電壓得到在充電或放電過程中各個超級電容單體的第二電壓變化率；用于判斷全部所述第二電壓變化率是否處于第二預設范圍；若否，則提示對不處于所述第二預設范圍的所述第二電壓變化率所對應的所述超級電容單體進行更換操作。

優選地，所述采集均衡板還包括實際電壓變化值獲取單元：用于獲取各個超級電容單體在充電瞬間、充電過程中以及放電瞬間的實際電壓變化值；

所述大數據管理系統還包括實時判斷單元：用于根據分別獲取在正常狀態下各個超級電容單體的充電瞬間、充電過程中以及放電瞬間的理想電壓變化值，得到電壓變化閾值；用于判斷所述實際電壓變化值是否處于所述電壓變化閾值的范圍之內，若否，則提示對不處于所述電壓變化閾值的范圍之內的所述實際電壓變化值所對應的所述超級電容單體進行預報故障操作。

優選地，所述采集均衡板還包括實際溫度值獲取單元：用于獲取各個超級電容單體在充電瞬間、充電過程中以及放電瞬間的實際溫度值；

所述大數據管理系統還包括溫度判斷單元：用于根據分別獲取在正常狀態下各個超級電容單體的充電瞬間、充電過程中以及放電瞬間的理想溫度值，得到溫度閾值；用于判斷所述實際溫度值是否處于所述溫度閾值的范圍之內，若否，則提示對不處于所述溫度閾值的范圍之內的所述實際溫度值所對應的所述超級電容單體進行預報故障操作。

相對于上述背景技術，本發明提供的超級電容模組的診斷方法，通過獲取在充電或放電瞬間各個超級電容單體的第一電壓變化率，從而判斷全部第一電壓變化率是否處于第一預設范圍；若其中一個或多個第一電壓變化率不處于第一預設范圍，則與該第一電壓變化率所對應的超級電容單體出現連接不到位的現象，提示對該超級電容單體進行緊固維護。如此設置，能夠及時獲知各個超級電容單體的第一電壓變化率，發現異常的第一電壓變化率，也即不處于第一預設范圍內的第一電壓變化率，以實現及時對超級電容單體進行緊固維護。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例所提供的超級電容模組的診斷裝置的結構示意圖；

圖2為圖1中超級電容模組的連接電路簡化模型；

圖3為圖1中超級電容模組在正常充放電時的示意圖；

圖4為圖1中超級電容模組接觸異常時的示意圖；

圖5為圖1中超級電容模組在接觸阻抗大時的內部均衡示意圖；

圖6為本發明實施例所提供的超級電容模組的診斷方法的流程圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

為了使本技術領域的技術人員更好地理解本發明方案，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步的詳細說明。

請參考圖1至圖6，圖1為本發明實施例所提供的超級電容模組的診斷裝置的結構示意圖；圖2為圖1中超級電容模組的連接電路簡化模型；圖3為圖1中超級電容模組在正常充放電時的示意圖；圖4為圖1中超級電容模組接觸異常時的示意圖；圖5為圖1中超級電容模組在接觸阻抗大時的內部均衡示意圖；圖6為本發明實施例所提供的超級電容模組的診斷方法的流程圖。

本發明提供的超級電容模組的診斷裝置，如說明書附圖1所示，主要包括負載系統11，超級電容儲能系統，采集均衡板13，電容管理系統與無線傳輸系統131以及大數據管理系統14。

為滿足大功率的負載系統11對功率的需求，超級電容儲能系統通常為多個單體串并組成的超級電容模組12，多個超級電容模組12構成儲能系統；采集均衡板13主要用來采集超級電容模組12中超級電容單體的電壓、電流與溫度數據，并與電容管理系統與無線傳輸系統131數據交換，將數據傳輸至大數據管理系統14；同時采集均衡板13也接收電容管理系統與無線傳輸系統131的均衡指令，實現模組內的單體之間或模組之間的均衡；電容管理系統與無線傳輸系統131接收來自采集均衡板13采集的數據，通過對采集均衡板13數據的運算和判斷，下發均衡指令實現系統電容的均衡，同時也通過4g或wifi上傳超級電容狀態數據。大數據管理系統14接收并存儲電容管理系統與無線傳輸系統131的數據，通過對超級電容的歷史數據與相鄰模組間的橫向數據對比，辨識超級電容參數，診斷單體間接觸電阻，將辨識參數下發電容管理系統，調整均衡策略，將診斷單體間的接觸電阻反饋維護人員指導維修。

下文將對本發明的診斷方法的原理進行介紹，以附圖2為例；

電容電阻c，接觸電阻rca，接觸不良時增加的接觸電阻rnc，電路簡化模型見附圖2，詳細變量定義如下：

rc：超級電容內阻，

rcn：連接接觸阻抗，

rnc：接觸不良(松動)時增加的接觸阻抗，

u：均衡板采集電壓，

超級電容電壓的變化量；

當各個模組間單體接觸良好時，各超級電容單體的內阻rc和電容間的接觸電阻rcn都分別相等，超級電容在充放電時電流分配如附圖3所示，其中：

電流：i1＝i2＝it/2；由于

則，測量電壓變化：

電容c11，c12，c13，c21，c22，c23等電容的測量電壓在充放電時電壓的變化率一致。兩并聯電容中的短接片流過的電流近似于零。

倘若模組間單體連接螺栓松動時接觸阻抗將增大，如附圖4，

接觸良好部分的電流：i1b2＝i2b2＝it/2

接觸良好部分電容的測量電壓變化

δuc1n＝δuc2n＝δuc13＝δuc23＝δuc14＝δuc24

接觸不良時的電流分配如下：

根據電阻與電流分配關系可知：

接觸良好部分分路電流：

接觸松動部分分路電流：

測得接觸不良部分電壓變化：δuc11＝δuc12＝δuc21＝δuc22；

同批次的超級電容模組內的電容內阻與接觸阻抗為定值：

即，rconet＝rc+rcm

由于連接松動時的接觸阻抗：rnc＞rconet

超級電容大電流充放電時，通常：it＞200a

接觸不可靠段與接觸可靠段在充放電瞬間電壓差值為：

因此只要接觸不可靠時接觸阻抗rnc稍微增大，則電壓變化差異δud就會很明顯。根據充放電電流的大小，測量在充放電瞬間的電壓差，和已知正常時的接觸阻抗常數，可以算出接觸不良時的接觸阻抗：即，

當充電突然中止時所測量的uc11將會瞬間減少，因為電流瞬間變為零，所測量的電壓uc11＝uc+i2b1×(rcn+rnc)＝uc+i1b1×rcn，電流變為零，測量的電壓值將存在瞬變。

電容間的短接片電流為：i3b＝i2b2-i2b1

根據接觸不良時的接觸電阻的大小，i3b的電流將大小不一致。

接觸良好時的發熱量為：q1＝(it/2)×(rc+rcn)×t

接觸不良時的發熱量為：

qb＝i1b1²×(rc+rcn)×t+i2b1²×(rc+rcn+rnc)

由于i1b1＞i2b1，qb/q1≥2因此接觸不良時的發熱量qb至少是接觸良好時發熱量q1的2倍以上。

而接觸不良是造成超級電容箱體內溫度偏高的原因之一，影響超級電容的使用壽命，同時接觸不良會導致能量損失。

當超級電容模組充電完畢，電容模組處于靜置，由于

u11＝u12＞u21＝u22

電流i3b1與電流i3b2為順時針方向流動。

當超級電容模組放電完畢，電容模組處于靜置，由于

u11＝u12＜u21＝u22，則

電流i3b1與電流i3b2為逆時針方向流動。

其中滿足：2rc+4rcn+rnc＝(u11-u21)/i3b1。

無充電放電電流時，由于超級電容單體電壓的上升和下降比例不一致，造成電容電壓不一致；當大電流充電完畢后，接觸電阻少的支路電容電壓比接觸電阻大的支路電容電壓高，因此將形成兩個順時針環流，靜置一定時間后兩端電壓平衡；當大電流放電完畢后，接觸電阻少的支路電容電壓比接觸電阻大的支路電容電壓低，因此將形成兩個逆時針環流，靜置一定時間后兩端電壓平衡；具體如附圖5超級電容模組接觸阻抗大時內部自均衡示意圖。

根據上述原理可知，當超級電容在大電流瞬間充電時由于電容間連接不緊固，導致有些單體連接電阻增大，故障單體充電過程中具有以下特征。

在大電流開始充電瞬間，故障單體的電壓變化量比同類模組中電壓升較大；

充電電流瞬間撤銷時，由于原測量電壓為電容實際電壓與接觸電阻所分電壓之和，因此當撤銷充電電流的時候，存在接觸阻抗較大的單體電壓瞬間壓降較大；

在充電過程中，如果模組中某一單體電壓上升率與其他單體相比明顯異常，則可判定電容偏小或連接故障。

基于上述三點在線監測可判斷模組是否存在故障，同時在地面可采用離線的方式與歷史數據的對比分析超級電容內阻及接觸阻抗的變化趨勢，有效地預報故障和指導維修。

通過上述原理可知，本發明提供的診斷方法，首先獲取在充電或放電瞬間各個超級電容單體的第一電壓變化率；

然后判斷全部所述第一電壓變化率是否處于第一預設范圍；若否，則提示對不處于所述第一預設范圍的所述第一電壓變化率所對應的所述超級電容單體進行緊固維護。

也即，說明書附圖6中的步驟s2、步驟s4、步驟s5與步驟s51；其中，步驟s2與步驟s4即為獲取在充電或放電瞬間各個超級電容單體的第一電壓變化率；步驟s5即為判斷全部所述第一電壓變化率是否處于第一預設范圍；步驟s51即為提示對不處于所述第一預設范圍的所述第一電壓變化率所對應的所述超級電容單體進行緊固維護。

除此之外，診斷方法還包括：

獲取在充電或放電過程中各個超級電容單體的第二電壓變化率；

判斷全部所述第二電壓變化率是否處于第二預設范圍；若否，則提示對不處于所述第二預設范圍的所述第二電壓變化率所對應的所述超級電容單體進行更換操作。

以附圖6為例，步驟s3即為獲取在充電或放電過程中各個超級電容單體的第二電壓變化率；步驟s6即為判斷全部所述第二電壓變化率是否處于第二預設范圍；步驟s61即為提示對不處于所述第二預設范圍的所述第二電壓變化率所對應的所述超級電容單體進行更換操作。

除此之外，診斷方法還包括：

分別獲取在正常狀態下各個超級電容單體的充電瞬間、充電過程中以及放電瞬間的理想電壓變化值，得到電壓變化閾值；

獲取各個超級電容單體在充電瞬間、充電過程中以及放電瞬間的實際電壓變化值；

判斷所述實際電壓變化值是否處于所述電壓變化閾值的范圍之內，若否，則提示對不處于所述電壓變化閾值的范圍之內的所述實際電壓變化值所對應的所述超級電容單體進行預報故障操作。

以附圖6為例，上述過程即為步驟s7，實時對比充放電時的電壓變化率與電壓變化閾值對比，而電壓變化閾值即為附圖6中步驟s7的歷史數據。附圖6中的開啟步驟s1與結束步驟s8可以根據實際需要而定，本文不再贅述。

需要說明的是，附圖6中的各個步驟具有前后順序，然而通過上文以及權利要求中的技術方案可知，附圖6中的各個步驟并不僅僅限于附圖6中所示出的順序，并且對于附圖6中的語言表述應結合說明書中的診斷方法的原理與權利要求中的語言表述進行理解。

當然，上述判斷過程均可以通過大數據管理系統14進行，也即通過大數據管理系統14判斷全部所述第一電壓變化率是否處于第一預設范圍；若否，則提示對不處于所述第一預設范圍的所述第一電壓變化率所對應的所述超級電容單體進行緊固維護。

除此之外，診斷方法還可以對溫度進行監測；即：

分別獲取在正常狀態下各個超級電容單體的充電瞬間、充電過程中以及放電瞬間的理想溫度值，得到溫度閾值；

獲取各個超級電容單體在充電瞬間、充電過程中以及放電瞬間的實際溫度值；

判斷所述實際溫度值是否處于所述溫度閾值的范圍之內，若否，則提示對不處于所述溫度閾值的范圍之內的所述實際溫度值所對應的所述超級電容單體進行預報故障操作。

上述介紹了超級電容模組的診斷方法，下文將基于上述診斷原理與方法，對診斷裝置作出介紹，對于診斷裝置的理解應結合上述診斷原理與方法。

本發明還提供一種超級電容模組的診斷裝置，主要包括：

用以采集各個超級電容單體的電流與電壓的采集均衡板：

與所述采集均衡板通過4g或wifi連接用以實現數據傳輸的大數據管理系統：所述大數據管理系統包括第一電壓變化率計算單元：用于根據電流與電壓得到在充電或放電瞬間各個超級電容單體的第一電壓變化率；用于判斷全部所述第一電壓變化率是否處于第一預設范圍；若否，則提示對不處于所述第一預設范圍的所述第一電壓變化率所對應的所述超級電容單體進行緊固維護。

優選地，所述大數據管理系統還包括第二電壓變化率計算單元：用于根據電流與電壓得到在充電或放電過程中各個超級電容單體的第二電壓變化率；用于判斷全部所述第二電壓變化率是否處于第二預設范圍；若否，則提示對不處于所述第二預設范圍的所述第二電壓變化率所對應的所述超級電容單體進行更換操作。

優選地，所述采集均衡板還包括實際電壓變化值獲取單元：用于獲取各個超級電容單體在充電瞬間、充電過程中以及放電瞬間的實際電壓變化值；

所述大數據管理系統還包括實時判斷單元：用于根據分別獲取在正常狀態下各個超級電容單體的充電瞬間、充電過程中以及放電瞬間的理想電壓變化值，得到電壓變化閾值；用于判斷所述實際電壓變化值是否處于所述電壓變化閾值的范圍之內，若否，則提示對不處于所述電壓變化閾值的范圍之內的所述實際電壓變化值所對應的所述超級電容單體進行預報故障操作。

優選地，所述采集均衡板還包括實際溫度值獲取單元：用于獲取各個超級電容單體在充電瞬間、充電過程中以及放電瞬間的實際溫度值；

所述大數據管理系統還包括溫度判斷單元：用于根據分別獲取在正常狀態下各個超級電容單體的充電瞬間、充電過程中以及放電瞬間的理想溫度值，得到溫度閾值；用于判斷所述實際溫度值是否處于所述溫度閾值的范圍之內，若否，則提示對不處于所述溫度閾值的范圍之內的所述實際溫度值所對應的所述超級電容單體進行預報故障操作。

本發明提供的超級電容模組的診斷方法與裝置，針對超級電容接觸不良引起的模組內部超級電容單體電流，電壓及模組溫度的變化，通過對同期其他模組中的數據和歷史數據的比較，計算出接觸不良點的接觸電阻值。當接觸電阻大于設定的初始接觸電阻值時，地面大數據管理系統將預警提示管理人員，對超級電容模組內部某個電容的連接點進行緊固處理。

需要說明的是，在本說明書中，諸如第一和第二之類的關系術語僅僅用來將一個實體與另外幾個實體區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體之間存在任何這種實際的關系或者順序。

以上對本發明所提供的超級電容模組的診斷方法與裝置進行了詳細介紹。本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護范圍內。