超級電容電壓均衡電路及其均衡電容參數識別方法
【專利摘要】本發明公開一種超級電容電壓均衡電路，包含：串聯連接的第一超級電容、第二超級電容和第三超級電容；并聯于第一超級電容的第一開關和第二開關，并聯于第二超級電容的第三開關和第四開關，并聯于第三超級電容的第五開關和第六開關；一對相反的開關控制信號；一路信號接第一開關、第三開關和第五開關；另一路信號接第二開關、第四開關和第六開關；第一均衡電容層，其包含第一均衡電容和第二均衡電容；第二均衡電容層，其包含與第一均衡電容和第二均衡電容并聯連接的第三均衡電容。本發明在原來均衡電容層的旁邊并聯一列新的均衡電容層，加快能量轉移的速度，進而縮短串聯超級電容器組的電壓均衡時間。
【專利說明】超級電容電壓均衡電路及其均衡電容參數識別方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種電壓均衡技術，具體涉及一種超級電容電壓均衡電路及其均衡電容參數識別方法。
【背景技術】
[0002]串聯超級電容器組開關電容均壓電路中，均衡電容作為單體間電荷和能量的轉移媒介，在均壓過程中具有非常重要的作用，它的參數確定對均衡速度和效果有較大影響。在某個恒定的開關周期下，如果均衡電容的電容量太小，則其每次轉移的能量較少，使轉移次數增加，均壓速度延緩；而如果均衡電容的電容量太大，則其自身的漏電流會較大，容易引起額外損耗，此外這會造成電容量的浪費，而且經濟性不高。現有的均衡電容參數識別方法是基于串聯超級電容器組電路無負載及充電電源的靜態電路狀態分析得到的指導性取值范圍，不能通過其確定均衡電容優化值，所以需要進一步改進。
[0003]文獻(李海冬，馮之鉞，齊智平.一種新穎的串聯超級電容器組的電壓均衡方法[J].電源技術，2007，31 (3):186-190.)針對傳統開關電容均壓法提出一種基于靜態電路
【權利要求】
1.一種超級電容電壓均衡電路，其特征在于，該電路包含: 依次串聯連接的第一超級電容(SCl )、第二超級電容(SC2)和第三超級電容(SC3)，其兩端接電源； 依次串接電源兩端的第一開關(SI)、第二開關(S2)、第三開關(S3)、第四開關(S4)、第五開關(S5)和第六開關(S6);其中第一開關(SI)和第二開關(S2)并聯連接于第一超級電容(SCl)兩端，第三開關(S3)和第四開關(S4)并聯連接于第二超級電容(SC2)兩端，第五開關(S5)和第六開關(S6)并聯連接于第三超級電容(SC3)； 一對相反的開關控制信號；一路信號接第一開關(SI)、第三開關(S3)和第五開關(S5);另一路信號接第二開關(S2)、第四開關(S4)和第六開關(S6)； 第一均衡電容層，其包含串聯連接的第一均衡電容(Cl)和第二均衡電容(C2);其中第一均衡電容(Cl)并聯連接于第二開關(S2)和第三開關(S3)兩端；第二均衡電容(C2)并聯連接于第四開關(S4)和第五開關(S5)兩端； 第二均衡電容層，其包含與第一均衡電容(Cl)和第二均衡電容(C2)并聯連接的第三均衡電容(C3)。
2.一種如權利要求1所述超級電容電壓均衡電路的均衡電容參數識別方法，其特征在于，該方法包含: 超級電容電壓均衡電路拓撲分解為第一均壓電路和第二均壓電路；第一均壓電路包含第一均衡電容層；第二均壓電路包含第二均衡電容層； 進行第一均壓電路中第一均衡電容層的電容參數識別； 進行第二均壓電路中第二均衡電容層的電容參數識別。
3.如權利要求2所述的均衡電容參數識別方法，其特征在于，所述第一均壓電路中第一均衡電容層的電容參數識別方法包含: 選取超級電容中容量最大和最小的兩個單體，從而建立第一均壓電路的等效電路； 在一個開關周期內基于零狀態對第一均壓電路的等效電路進行分析； 選取第一均壓電路的均衡電容的最優參數。
4.如權利要求3所述的均衡電容參數識別方法，其特征在于，所述第一均壓電路的等效電路模型包含: 串聯連接于電源兩端的最大超級電容Cmax和最小超級電容Cmin ;最大超級電容Cmax和最小超級電容Cmin分別串聯有超級電容等效串聯電阻Rsc ； 第一開關管和第二開關管，其并聯連接于最小超級電容Cmin的兩端；第一開關管和第二開關管分別串聯連接有開關管等效串聯電阻Rs ； 第三開關管和第四開關管，其并聯連接于最大超級電容Cmax的兩端；第三開關管和第四開關管分別串聯連接有開關管等效串聯電阻Rs ； 第一均壓電路均衡電容Cf，其一端連接于第一開關管和第二開關管之間，另一端連接于第三開關管和第四開關管之間；第一均壓電路均衡電容Cf串聯有均衡電容等效串聯電阻Rd。
5.如權利要求4所述的均衡電容參數識別方法，其特征在于，所述在一個開關周期內基于零狀態對第一均壓電路的等效電路進行分析包含: a)當第一開關管與第三開關管導通，第二開關管和第四開關管斷開；電源對第一均壓電路的等效電路充電，且第一均壓電路均衡電容Cf與最小超級電容Cniin并聯充電；設充電時間為O至Tm; 第一均壓電路均衡電容Cf上的電壓如式(3):
最大超級電容Cmax上的電壓如式(4):
電路中總的電容量C如式(5):
b)當第二開關管與第四開關管導通，第一開關管和第三開關管斷開；第一均壓電路均衡電容Cf與最大超級電容Cniax并聯，第一均壓電路均衡電容Cf向最大超級電容Cniax放電；設放電時間為乜至丁 ； 設第一均壓電路均衡電容Cf的初始電壓Ua如式(6):
設最大超級電容Cmax的初始電壓Uqmxa如式(7):
記Us為第一均壓電路均衡電容Cf與最大超級電容Cmax的初始電壓Ua和uCmaxA的差值；據疊加定理，第一均壓電路均衡電容Cf上的電壓Ucf⑴由兩部分組成，包括電源U0作用產生的電壓Ucfl⑴，和初始電壓差值Us作用產生的電壓Ucf2 (t)，如式(8):
當電源U0單獨作用時，第一均壓電路均衡電容Cf上的電壓Ucn (t)如式(9 ):
當初始電壓差值Us單獨作用時，第一均壓電路均衡電容Cf上的電壓Ucf2⑴如式(10):
其中，Rx=Rsc+2Rs+Rd ；此時，電路總的電容量c’如式(11):
6.如權利要求5所述的均衡電容參數識別方法，其特征在于，所述選取第一均壓電路的均衡電容的最優參數包含: 設第一均壓電路均衡電容Cf與最小超級電容Cmin并聯充電結束時刻，最小超級電容Cmin與最大超級電容Cmax的電壓差為Λ?/Α，由于第一均壓電路均衡電容G對最大超級電容Cmax放電，則最大超級電容Cniax上的電壓變化為仏⑴:
此時的時間常數如式(15):
由于G遠小于Qax，所以Vb(t)似化簡為式(16):
記最大超級電容Cmax在第一均壓電路均衡電容Cf作用下的電壓變化值Ub (t)與最小超級電容Cmin與最大超級電容Cmax之間的電壓差八仏的比值為5，如式(17):
把式(13)、(16)帶入式(17)，則δ的表達式如式(18):
對式(18)進行整理，取?=0.5Τ，T=I//,同時把式(15)帶入式(18)，化簡并整理可得到均衡電容新的參數表達式(19):
由式(19)可以得出，第一均壓電路均衡電容Cf的值與δ的取值有關，Rx、Rs。的值為恒定的，那么在頻率f 一定的情況下，此時G的值對δ是單調遞增的，在理想情況下，當Ub (t)的值等于AUA的值時，d取優化值d=l，此時Cf也達到最優值；將d=l代入式(19)，可得第一均壓電路均衡電容Cf的優化計算方法，如式(20):
7.如權利要求2所述的均衡電容參數識別方法，其特征在于，所述第二均壓電路中第二均衡電容層的電容參數識別方法包含: 選取超級電容中容量最大、最小和中等的三個單體，從而建立第二均壓電路的等效電路； 在一個開關周期內基于零狀態對第二均壓電路的等效電路進行分析； 選取第二均壓電路的均衡電容的最優參數。
8.如權利要求7所述的均衡電容參數識別方法，其特征在于，所述第二均壓電路的等效電路模型包含: 依次串聯連接于電源兩端的最大超級電容Cmax、中等超級電容Cmid和最小超級電容Cmin ；最大超級電容Cmax、中等超級電容Cmid和最小超級電容Cmin分別串聯有超級電容等效串聯電阻 Rsc ； 第一開關管和第二開關管，其并聯連接于最小超級電容Cmin的兩端；第一開關管和第二開關管分別串聯連接有開關管等效串聯電阻Rs ； 第三開關管和第四開關管，其并聯連接于最大超級電容Cmax的兩端；第三開關管和第四開關管分別串聯連接有開關管等效串聯電阻Rs ； 第二均壓電路均衡電容C’ f，其一端連接于第一開關管和第二開關管之間，另一端連接于第三開關管和第四開關管之間；第二均壓電路均衡電容C’ f串聯有均衡電容等效串聯電阻Rd。
9.如權利要求8所述的均衡電容參數識別方法，其特征在于，所述在一個開關周期內基于零狀態對第二壓電路的等效電路進行分析包含: c)當第一開關管與第三開關管導通，第二開關管和第四開關管斷開；電源對第二均壓電路的等效電路充電，且第二均壓電路均衡電容C’，與第一等效電容C2a并聯充電；設充電時間為O至Tm; 其中第一等效電容C2a為中等超級電容Cniid和最小超級電容Cniin的串聯電容值，如式(21):
分析得出該階段下第二均壓電路均衡電容上的電壓、最大超級電容上的電壓、電路中總的電容量； d)當第二開關管與第四開關管導通，第一開關管和第三開關管斷開；第二均壓電路均衡電容C’f與第二等效電容C2b并聯，第二均壓電路均衡電容C’f向第二等效電容C2b放電；設放電時間為乜至丁 ； 其中第二等效電容C2b為中等超級電容Cmid和最大超級電容Cmax的串聯電容值，如式(22)；
分析得出該階段下第二均壓電路均衡電容上的電壓和電路總的電容量。
10.如權利要求9所述的均衡電容參數識別方法，其特征在于，所述選取第二均壓電路的均衡電容的最優參數，得出第二均壓電路均衡電容c’ f的優化計算方法，如式(23):
【文檔編號】H02J7/00GK104184197SQ201410463207
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年9月12日 優先權日:2014年9月12日
【發明者】姚剛, 湯天浩, 許曉彥 申請人:上海海事大學