超級電容組儲能均壓充放電控制系統的制作方法

專利名稱:超級電容組儲能均壓充放電控制系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型屬于電力系統儲能控制技術領域，尤其涉及一種超級電容組儲能均壓充放電控制系統，包括：微處理器控制模塊1、開關驅動模塊3、超級電容開關陣列模塊4、超級電容陣列模塊5、直流充電電源模塊7依次相連，超級電容陣列模塊5、超級電容組測量模塊2、SOC模塊8、人機交互模塊6、微處理器控制模塊1依次相連，超級電容組測量模塊2和SOC模塊8分別與微處理器控制模塊1相連。本實用新型使用傳感器獲取的信息，通過控制策略保證整個超級電容器組儲能系統工作在最佳狀態，使系統安全充放電。本實用新型實用新型具有可靠，簡單，高效，快速，節能等優點，同時可為超級電容陣列的檢修提供參考依據。
【專利說明】
超級電容組儲能均壓充放電控制系統
技術領域
[0001] 本實用新型屬于電力系統儲能控制技術領域，尤其涉及一種超級電容組儲能均壓 充放電控制系統。
【背景技術】
[0002] 超級電容器是一種新型電力儲能器件出現在本世紀初。超級電容器的電容量極 大，可達數千法拉，既具有靜電電容器的高放電功率優勢又像電池一樣具有較大電荷儲存 能力。此外，超級電容器還具有容量配置靈活、易于實現模塊化設計、循環使用壽命長、工作 溫度范圍寬、環境友好、免維護等優點，使其更適于苛刻的工作環境。
[0003] 現有充放電方式由于超級電容器單體端電壓不高，對于大功率儲能系統來說，為 了滿足容量和電壓等級的需要，一般是由多個超級電容器串聯和并聯的組合方式工作，它 們作為一個整體進行充電，具有同樣的充電電流。在串聯組件設計中，由于制造工藝與材質 不均，超級電容器存在離散度較大，即使在配組時經過嚴格的一致性篩選，但其偏差也不可 避免。為了避免過充，常常在容量小的電容充滿后即停止充電，這樣電容組的儲能容量得不 到最大利用；同樣，放電時為了避免過放，也不能最大利用電容器組的容量。現有電壓均衡 電路的類型主要劃分為能耗型和非能耗型。
[0004]總之，現有技術的不足之處是：復雜實用性差，可靠性差，能耗高，效率低等。這些 缺點制約了超級電容的推廣使用。 【實用新型內容】
[0005] 針對現有技術中存在的超級電容單體容量誤差較大等問題，本實用新型提出了一 種超級電容組儲能均壓充放電控制系統及荷電狀態估計方法。
[0006] 控制系統包括:微處理器控制模塊1、超級電容組測量模塊2、開關驅動模塊3、超級 電容開關陣列模塊4、超級電容陣列模塊5、人機交互模塊6、直流充電電源模塊7和S0C模塊 8；
[0007] 其中，微處理器控制模塊1、開關驅動模塊3、超級電容開關陣列模塊4、超級電容陣 列模塊5、直流充電電源模塊7依次相連，超級電容陣列模塊5、超級電容組測量模塊2、S0C模 塊8、人機交互模塊6、微處理器控制模塊1依次相連，超級電容組測量模塊2和S0C模塊8分別 與微處理器控制模塊1相連。
[0008] 所述超級電容開關陣列模塊4由2m個開關組成，所述超級電容陣列模塊5由η個超 級電容器單體并聯為一組，每一組超級電容與一個開關串后再與另一開關并聯組成一個單 位，共有m個單位。
[0009] 所述超級電容組分為p個子模塊，子模塊內與子模塊間分別通過模塊內電壓均衡 電路與模塊間電壓均衡電路同時進行電壓均衡。
[0010] 所述微處理器控制模塊1根據超級電容組測量模塊2和S0C模塊8輸入的信息，完成 控制超級狀態的算法，輸出控制信號至開關驅動模塊3驅動超級電容開關陣列模塊4,實現 對超級電容器組的均壓充放電控制；
[0011] 所述超級電容組測量模塊2用于實時采集超級的電壓和所有單體的溫度數據并送 至微處理器控制模塊1;
[0012] 所述開關驅動模塊3的輸入端與微處理器控制模塊1的控制輸出端相連;將微處理 器模塊產生的控制信號轉化為開關陣列可用的信號，控制開關陣列；
[0013] 所述人機交互模塊6包括鍵盤、顯示器和轉換接口，用于進行參數設置、實時顯示 系統的數據和狀態，實現系統與上位機的串行通信；
[0014] 所述超級電容開關陣列模塊4通過控制開關組合實現將超級串入電路和從電路中 切除；
[0015] 所述超級電容陣列模塊5中的單體超級電容可以為具體的單個超級電容，也可以 是經過并串組合后的超級；
[0016] 所述直流充電電源模塊7與超級電容陣列模塊5串聯，充電時使用為超級電容提供 充電電流；
[0017] 所述S0C模塊8為荷電狀態估計模塊，根據超級電容組測量模塊2和微處理器控制 模塊1輸入的信息，通過算法對系統的荷電狀態進行估計;將估算結果傳遞給微處理器控制 模塊1和人機交互模塊6。
[0018] 所述超級電容組測量模塊2包括用于模數轉換的A/D轉換器和以下傳感器：
[0019] 溫度傳感器，安裝在每個超級電容外殼上，用于測量超級電容的溫度；
[0020] 電壓傳感器，并聯于每一個超級電容組的兩端，用于測量每組超級電容的電壓；
[0021] 電流傳感器，串聯于超級電容器組，用于測量充電和放電時的電流。
[0022] 與現有技術相比較，本實用新型的有益效果在于：
[0023] 1通過電壓傳感器和溫度傳感器，可發現短路等故障；發現故障后，通過開關組合 可切除故障或通過設置預先處理方案通知工作人員進行處理。
[0024] 2通過人機交互方式，可設定充放電時間，進行自動充放電。
[0025] 3通過優化參數，可有效減少開關次數，減小系統能耗損失。
[0026] 4可使電容器組的分散度降低，充分利用單體容量，提高超級電容器組的可靠性。
[0027] 5通過分析開關次數，可找出離散度大的組，為替換離散較大的電容組提供依據。
[0028] 6根據電壓值和正常工作的電容器組的總電容，可對處于該狀態下的儲能系統的 電能總量進行估計。
[0029] 7基于概率論，規模越大效果越好，適用于大規模的超級電容儲能。
[0030] 8使用S0C模塊，當初始值不是很精確時，依然可以實時對超級電容的荷電狀態進 行估計。
【附圖說明】

[0031 ]圖1為本實用新型的控制系統組成框圖；
[0032 ]圖2為超級電容器組分級電壓均衡整體結構；
[0033]圖3為超級電容開關陣列模塊和超級電容陣列模塊的組合圖；
[0034]圖4為霍爾電壓互感器原理圖；
[0035]圖5為光電隔離電路；
[0036] 圖6為M0SFET驅動電路。
【具體實施方式】
[0037] 下面結合附圖，對實施例作詳細說明。
[0038] 本實用新型提供了一種超級電容器組儲能均壓充放電控制系統，如圖1所示，微處 理器控制模塊1、開關驅動模塊3、超級電容開關陣列模塊4、超級電容陣列模塊5、直流充電 電源模塊7依次相連，超級電容陣列模塊5、超級電容組測量模塊2、S0C模塊8、人機交互模塊 6、微處理器控制模塊1依次相連，超級電容組測量模塊2和S0C模塊8分別與微處理器控制模 塊1相連。
[0039] 圖2為超級電容器組分級電壓均衡整體結構，圖中將整體電容器分成p個子模塊， 工作過程中，模塊間、模塊內同時進行電壓均衡。
[0040] 圖3為超級電容開關陣列模塊和超級電容陣列模塊的組合圖，圖中陣列采用了2m 個N溝道M0SFET可控型開關，同時，η個超級電容器單體并聯為一組，每組超級電容與一個開 關串后與另一開關并，這樣η個超級電容器和兩個開關組成了一個單位。通過開關的有選擇 的開斷控制，可使每組超級電容器處于兩種狀態：串入主電路充電和與主電路斷開懸空不 充電。如圖3所示，對于第1組中開，有4種狀態組合:Si斷開Si'斷開，Si斷開Si'閉 合，Si閉合Si'斷開，Si閉合&'閉合。當Si斷開Si'閉合時，超級電容器組&*串入主電路，可對 電容器組充放電；當&閉合斷開時，超級電容器組&*與主電路斷開，不進行充放電。通過 邏輯電路禁止出現剩下兩種情況。開關S旁邊并聯二極管可防止開關過高壓。電壓傳感器并 聯于電容器組的兩端，用于測量每組超級電容的電壓;溫度傳感器安裝在每個超級電容外 殼上。
[0041] 圖4為霍爾電壓互感器原理圖，采用型號為HVS5-25A的霍爾電壓傳感器測量各超 級電容器單體的端電壓，配置原邊限流電阻：
[0042] Ri = Ui/Ip-Rin
[0043] 式中Ri為原邊限流電阻，Ui為最大測量電壓，Ip為互感器額定輸入電流，Rin為互感 器原邊內阻。
[0044] 由于本霍爾傳感器要求原邊額定輸入電流為5mA左右，測量最大電壓山= 5V，故選 取原邊串聯電阻Ri為：
[0045] Ri = 5V/5mA-650 = 350
[0046] 根據實際電阻阻值，取1^ = 360 0,選取輸出電壓為UQ = 5V，再根據匝數比，有公式：
[0048] 得：Rm=200Q
[0049] 故輸出電壓U。與被測電壓U1之間的實際關系為：
[00511圖5為光電隔離電路，采用型號為TLP521-2的雙路光電耦合芯片，內部封裝有兩路 完全對稱、獨立、物理特性完全一致的光耦。當發光二級管兩端加有加正向電壓時，二極管 導通并發光，光敏三極管的感光面受到光的照射，若在三極管的發射級和集電極之間加上 正向電壓，則三極管將有集電極電流輸出。
[0052] 圖6為M0SFET驅動電路，選用TLP250對主電路和驅動電路進行光電隔離，3號引腳 連接下位機的光隔離數字量輸出口。2號引腳通過限流電阻R1和下位機上的電源接口相連。 6號引腳與5號引腳分別通過限流電阻R2和10V的穩壓管D連接至M0SFET的柵極和源極。穩壓 管的作用是，當低電平輸入時，M0SFET的柵源電壓將被鉗位在穩壓管的擊穿電壓(-10V)，可 以使M0SFET穩定關斷。
[0053] 此實施例僅為本實用新型較佳的【具體實施方式】，但本實用新型的保護范圍并不局 限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術范圍內，可輕易想到的 變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。因此，本實用新型的保護范圍應該以 權利要求的保護范圍為準。
【主權項】
1. 一種超級電容組儲能均壓充放電控制系統，其特征在于，包括:微處理器控制模塊 (1)、超級電容組測量模塊(2)、開關驅動模塊(3)、超級電容開關陣列模塊(4)、超級電容陣 列模塊(5)、人機交互模塊(6)、直流充電電源模塊(7)和SOC模塊(8); 其中，微處理器控制模塊（1)、開關驅動模塊(3)、超級電容開關陣列模塊(4)、超級電容 陣列模塊(5)、直流充電電源模塊(7)依次相連，超級電容陣列模塊(5)、超級電容組測量模 塊(2)、S0C模塊(8)、人機交互模塊(6)、微處理器控制模塊(1)依次相連，超級電容組測量模 塊(2)和SOC模塊(8)分別與微處理器控制模塊(1)相連。2. 根據權利要求1所述系統，其特征在于，所述超級電容開關陣列模塊(4)由2m個開關 組成，所述超級電容陣列模塊(5)由η個超級電容器單體并聯為一組，每一組超級電容與一 個開關串后再與另一開關并聯組成一個單位，共有m個單位； 所述超級電容組分為P個子模塊，子模塊內與子模塊間分別通過模塊內電壓均衡電路 與模塊間電壓均衡電路同時進行電壓均衡。3. 根據權利要求1所述系統，其特征在于，所述微處理器控制模塊（1)根據超級電容組 測量模塊(2)和SOC模塊(8)輸入的信息，完成控制超級狀態的算法，輸出控制信號至開關驅 動模塊(3)驅動超級電容開關陣列模塊(4)，實現對超級電容器組的均壓充放電控制； 所述超級電容組測量模塊(2)用于實時采集超級的電壓和所有單體的溫度數據并送至 微處理器控制模塊(1); 所述開關驅動模塊(3)的輸入端與微處理器控制模塊（1)的控制輸出端相連;將微處理 器模塊產生的控制信號轉化為開關陣列可用的信號，控制開關陣列； 所述人機交互模塊(6)包括鍵盤、顯示器和轉換接口，用于進行參數設置、實時顯示系 統的數據和狀態，實現系統與上位機的串行通信； 所述超級電容開關陣列模塊(4)通過控制開關組合實現將超級串入電路和從電路中切 除； 所述超級電容陣列模塊(5)中的單體超級電容可以為具體的單個超級電容，也可以是 經過并串組合后的超級； 所述直流充電電源模塊(7)與超級電容陣列模塊(5)串聯，充電時使用為超級電容提供 充電電流； 所述SOC模塊(8)為荷電狀態估計模塊，根據超級電容組測量模塊(2)和微處理器控制 模塊(1)輸入的信息，通過算法對系統的荷電狀態進行估計;將估算結果傳遞給微處理器控 制模塊(1)和人機交互模塊(6)。4. 根據權利要求1所述系統，其特征在于，所述超級電容組測量模塊(2)包括用于模數 轉換的A/D轉換器和以下傳感器： 溫度傳感器，安裝在每個超級電容外殼上，用于測量超級電容的溫度； 電壓傳感器，并聯于每一個超級電容組的兩端，用于測量每組超級電容的電壓； 電流傳感器，串聯于超級電容器組，用于測量充電和放電時的電流。
【文檔編號】H02J7/00GK205724989SQ201620331059
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年4月19日
【發明人】李巖松, 劉君, 張賓
【申請人】華北電力大學