專利名稱：多并串超級電容系統均衡方法
技術領域：
本發明涉及電容均衡相關技術領域，特別是一種多并串超級電容系統均衡方法。
背景技術：
超級電容作為輔助電源應用在電動汽車和智能電網儲能系統上，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逐漸表現出來，在不加外部措施的條件下，不一致性會越來越大，進而會影響到電容系統的整體性能進ー步下降。超級電容在車輛或智能電站中使用吋，電容管理系統一般不具備電容均衡功能，只是完成電容狀態數據的采集和對電容系統做相應的充放電保護控制及管理，部分電容管理系統直接使用電池管理系統作為替代品，其均衡功能主要控制均衡開 關導通，基于容量的基礎上，在充電過程中對容量偏高的單體電容放電。這種均衡系統，電路沒有進行隔離處理，容易受干擾產生均衡失效及對控制系統造成損壞；每個開關管的控制由一個引腳獨立控制，造成控制器資源較大的浪費。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，非常短的充放電時間，極長的循環壽命以及高可靠性，作為輔助能源在混合能源電動汽車和智能電網的儲能系統中的應用將越來越得到重視；實際使用中，需要大量単體電容進行串并聯組合。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中選優，使用過程中，電容的之間不一致還是會逐漸表現出來，在不加外部措施的條件下，不一致性會越來越大，進而會影響到電容系統的整體性能進ー步下降。
發明內容
本發明提供一種多并串超級電容系統均衡方法，以解決現有技術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問題。采用的技術方案如下
一種多并串超級電容系統均衡方法，所述超級電容由多個單體電容通過串聯和/或并列方式組合而成
所述系統包括
超級電容和控制器，在每個單體電容兩端分別并聯ー個放電電阻，每個放電電阻串聯一個開關模塊，每個開關模塊與控制器連接，受控制器控制導通或截止，從而控制放電回路的通斷；
所述方法包括
步驟11，控制器采集各個單體電容兩端的電壓，確定超級電容中的有效電容，計算超級電容中有效電容的平均電壓，根據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模塊的位置記錄為均衡位置，執行步驟12 ；
步驟12，根據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，計算并記錄每個需要均衡的単體電容需要的均衡時間，執行步驟13，其中，根據容量=電流對時間的積分，可以計算均衡時間；
步驟13，控制器根據均衡位置計算均衡信號，在預先計算的均衡方波周期起始時間，串行輸出均衡信號，導通需要均衡的單體電容所對應的開關模塊，對需要均衡的単體電容實施均衡控制，執行步驟14;
步驟14，在均衡方波周期內，當其中一個單體電容的均衡時間到達以后，修改均衡信號，截止需要均衡的單體電容所對應的開關模塊，重復執行步驟14，直到到達均衡方波周期結束時間，執行步驟15，其中均衡方波周期根據實際エ況調整；
步驟15，重復執行步驟11，直到所有有效電容在預設的均衡閥值內。上述方法中利用電壓采集線對電容進行放電均衡，從機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%區間范圍內開路電壓基本是線性遞增的，因此可以采用實時電壓檢測方式判斷出電容單體之間的容量差異，對其進行均衡操作；配合脈寬調制的模式，擴大通斷方波的周期，使電容電壓得到充分靜止后，再進行電壓差異判斷，提高均衡的效率。進ー步的，所述開關模塊為場效應管。進ー步的，所述每個開關模塊與控制器之間均設有隔離模塊。更進一歩的，多個隔離模塊與控制器之間還設有ー個串行轉換模塊，多個隔離模塊均與ー個串行轉換模塊連接。隔離模塊提高了均衡電路的抗干擾性，串行轉換模塊提高了控制器引腳的利用率。進ー步的，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設的有效電壓閾值范圍內的單體電容為有效電容，或者電容在使用壽命以內的單體電容為有效電容。進ー步的
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，從板模塊采集各個單體電容兩端的電壓，確定超級電容中的有效電容，計算超級電容中有效電容的平均電壓，根據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模塊的位置記錄為均衡位置，執行步驟12 ；
所述步驟12具體包括
從板模塊根據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，計算并記錄每個需要均衡的単體電容需要的均衡時間，從板模塊向主板模塊發送均衡判斷完成信息，執行步驟13 ；
步驟13具體包括
主板模塊接收到均衡判斷完成信息，向從板模塊發送均衡執行命令，從板模塊接收到均衡執行命令后，從板模塊根據均衡位置計算均衡信號，在預先計算的均衡方波周期起始時間，串行輸出均衡信號，導通需要均衡的單體電容所對應的開關模塊，對需要均衡的単體電容實施均衡控制，執行步驟14 ；
步驟14具體包括
從板模塊在均衡方波周期內，當其中一個單體電容的均衡時間到達以后，修改均衡信號，截止需要均衡的單體電容所對應的開關模塊，重復執行步驟14，直到到達均衡方波周期結束時間，從板模塊向主板模塊發送均衡執行完成信息，執行步驟15 ；
步驟15具體包括
主板模塊接收到均衡執行完成信息，重復執行步驟11，直到所有有效電容在預設的均衡閥值內。本發明通過設計被動式均衡電路，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。本發明的均衡方案簡單、可靠、抗干擾能力強。借助串行通訊模塊，大大節省控制器引腳資源。同時本發明的均衡方案效率高，均衡效果好。本 均衡策略采用脈寬調制模式，全天候對需要均衡電容進行控制，大大提高均衡效率，得到較好的均衡效果。
圖I為本發明實施例的系統拓撲圖。圖2為本發明實施例的控制器的模塊結構圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明做進ー步詳細的說明。如圖I所述為本發明實施例的系統拓撲圖。所述超級電容由多個單體電容通過串聯和/或并列方式組合而成，所述系統包括
超級電容和控制器，在每個單體電容In (n=l，2，3，···)兩端分別并聯ー個放電電阻，每個放電電阻串聯ー個場效應管2n (n=l, 2，3，…)，每個場效應管2n與隔離模塊3n(n=l, 2，3，…)連接，所有的隔離模塊3n依次與串行轉換模塊4和控制器5連接，場效應管2n受控制器5控制導通或截止，從而控制放電回路的通斷。如圖2所示為本發明實施例的控制器5的模塊結構圖，包括主板模塊21和從板模塊22。如圖3所示為本發明實施例的方法流程
步驟S301，主板模塊21向從板模塊22發送均衡判斷命令，從板模塊22接收到均衡判斷命令后，從板模塊22采集各個單體電容兩端的電壓，確定超級電容中的有效電容，計算超級電容中有效電容的平均電壓，根據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模塊的位置記錄為均衡位置，執行步驟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設的有效電壓閾值范圍內的単體電容，，或者電容在使用壽命以內的単體電容均為有效電容；
步驟S302，從板模塊22根據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，計算并記錄每個需要均衡的単體電容需要的均衡時間，從板模塊22向主板模塊21發送均衡判斷完成信息，執行步驟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發送均衡執行命令，從板模塊22接收到均衡執行命令后，從板模塊22根據均衡位置計算均衡信號，在預先計算的均衡方波周期起始時間，串行輸出均衡信號，導通需要均衡的単體電容所對應的場效應管，對需要均衡的単體電容實施均衡控制，執行步驟S304 ；
步驟S304，從板模塊22在均衡方波周期內，當其中一個單體電容的均衡時間到達以后，修改均衡信號，截止需要均衡的単體電容所對應的場效應管，重復執行步驟14，直到到達均衡方波周期結束時間，從板模塊22向主板模塊21發送均衡執行完成信息，執行步驟S305 ；
步驟S305，主板模塊21接收到均衡執行完成信息，重復執行步驟S301，直到所有有效電容在預設的均衡閥值內。作為ー個例子，超級電容包括8節電池，每節電池即上述的單體電容。執行步驟S301，主板模塊21向從板模塊22發送均衡判斷命令，從板模塊22接收到均衡判斷命令后，從板模塊22采集各節電池兩端的電壓，確定超級電容中的有效電容，計算超級電容中有效電容的平均電壓，根據有效電容的電壓分布，確定其中的第1、3、5節電池需要均衡，把與需要均衡的每節電池連接的開關模塊的位置記錄為均衡位置；
執行步驟S302，從板模塊22根據需要均衡的每節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節電池的均衡時間，從板模塊22向主板模塊21發送均衡判斷完成信息；
執行步驟S303，主板模塊21接收到均衡判斷完成信息，向從板模塊22發送均衡執行命令，從板模塊22接收到均衡執行命令后，從板模塊22根據均衡位置計算均衡信號，在預先計算的均衡方波周期起始時間，串行輸出均衡信號00010101，均衡信號的每一位對應ー節電池，“I”表示導通，“O”表示截止，導通場效應管21、23和25，對第1、3、5節電池實施均衡控制；
步驟S304，從板模塊22在均衡方波周期內，當第I節每節電池的均衡時間到達以后，修改均衡信號為00010100，截止場效應管21，當第3節每節電池的均衡時間到達以后,修改均衡信號為00010000，截止場效應管23，當第5節每節電池的均衡時間到達以后,修改均衡信號為00000000，直到到達均衡方波周期結束時間，從板模塊22向主板模塊21發送均衡執行完成信息，執行步驟S305 ；
步驟S305，主板模塊21接收到均衡執行完成信息，重復執行步驟S301，直到所有有效電容在預設的均衡閥值內。
權利要求
1.一種多并串超級電容系統均衡方法，所述超級電容由多個單體電容通過串聯和/或并列方式組合而成，其特征在于 所述系統包括 超級電容和控制器，在每個單體電容兩端分別并聯ー個放電電阻，每個放電電阻串聯一個開關模塊，每個開關模塊與控制器連接，受控制器控制導通或截止，從而控制放電回路的通斷； 所述方法包括 步驟(11 )，控制器采集各個單體電容兩端的電壓，確定超級電容中的有效電容，計算超級電容中有效電容的平均電壓，根據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模塊的位置記錄為均衡位置，執行步驟(12); 步驟(12)，根據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，計算并記錄每個需要均衡的単體電容需要的均衡時間，執行步驟(13)； 步驟(13)，控制器根據均衡位置計算均衡信號，在預先計算的均衡方波周期起始時間，串行輸出均衡信號，導通需要均衡的單體電容所對應的開關模塊，對需要均衡的単體電容實施均衡控制，執行步驟(14)； 步驟(14)，在均衡方波周期內，當其中一個單體電容的均衡時間到達以后，修改均衡信號，截止需要均衡的單體電容所對應的開關模塊，重復執行步驟(14)，直到到達均衡方波周期結束時間，執行步驟(15); 步驟(15)，重復執行步驟(11 )，直到所有有效電容在預設的均衡閥值內。
2.根據權利要求I所述的多井串超級電容系統均衡方法，其特征在于，所述開關模塊為場效應管。
3.根據權利要求I所述的多井串超級電容系統均衡方法，其特征在于，所述每個開關模塊與控制器之間均設有隔離模塊。
4.根據權利要求3所述的多井串超級電容系統均衡方法，其特征在于，多個隔離模塊與控制器之間還設有ー個串行轉換模塊，多個隔離模塊均與ー個串行轉換模塊連接。
5.根據權利要求I所述的多井串超級電容系統均衡方法，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設的有效電壓閾值范圍內的単體電容為有效電容，或者電容在使用壽命以內的単體電容為有效電容。
6.根據權利要求I所述的多井串超級電容系統均衡方法，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，從板模塊采集各個單體電容兩端的電壓，確定超級電容中的有效電容，計算超級電容中有效電容的平均電壓，根據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模塊的位置記錄為均衡位置，執行步驟(12)； 所述步驟(12)具體包括 從板模塊根據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，計算并記錄每個需要均衡的単體電容需要的均衡時間，從板模塊向主板模塊發送均衡判斷完成信息，執行步驟(13)；步驟(13)具體包括 主板模塊接收到均衡判斷完成信息，向從板模塊發送均衡執行命令，從板模塊接收到均衡執行命令后，從板模塊根據均衡位置計算均衡信號，在預先計算的均衡方波周期起始時間，串行輸出均衡信號，導通需要均衡的單體電容所對應的開關模塊，對需要均衡的単體電容實施均衡控制，執行步驟(14)； 步驟(14)具體包括 從板模塊在均衡方波周期內，當其中一個單體電容的均衡時間到達以后，修改均衡信號，截止需要均衡的單體電容所對應的開關模塊，重復執行步驟(14)，直到到達均衡方波周期結束時間，從板模塊向主板模塊發送均衡執行完成信息，執行步驟(15); 步驟(15)具體包括 主板模塊接收到均衡執行完成信息，重復執行步驟(11)，直到所有有效電容在預設的 均衡閥值內。
全文摘要
本發明涉及電容均衡相關技術領域，特別是一種多并串超級電容系統均衡方法。所述超級電容由多個單體電容通過串聯和/或并列方式組合而成，所述系統包括超級電容和控制器，在每個單體電容兩端分別并聯一個放電電阻，每個放電電阻串聯一個開關模塊，每個開關模塊與控制器連接，受控制器控制導通或截止，從而控制放電回路的通斷。本發明通過設計被動式均衡電路，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。本發明的均衡方案簡單、可靠、抗干擾能力強。借助串行通訊模塊，大大節省控制器引腳資源。
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 優先權日2012年6月30日
發明者劉飛, 文鋒, 阮旭松, 鄧錦熾 申請人:惠州市億能電子有限公司