一種超級電容器級聯高壓裝置的控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種超級電容器級聯高壓電源的控制方法。
【背景技術】
[0002] 電火花震源是通過高壓電容器放電對地質情況進行勘探的裝置，其中高壓電容器 電壓設及的電壓范圍為1KV及W上，需要高壓電源對其進行充電。最初采用的方法是將 220V或380V電網電壓經工頻變壓器升壓、整流后形成高壓電源給高壓電容器充電，后來發 展為采用高頻開關變換技術，目的是減小工頻變壓器的體積。充電電源的初級能源一般是 電網電能、柴油發電機，但在山區，W上兩種初級能源均受到限制。隨著超級電容器技術的 發展，由超級電容器提供初始能源的方式成為可能，而且超級電容器可W分為小體積和重 量的模塊，通過人力背到車輛難W到達的地區，使電火花震源在山區的應用成為可能。
[0003] 超級電容器組作為初始能源的充電系統有兩種方式，一是超級電容器組與高頻充 電電源組成充電系統，超級電容器組提供低壓大電流，經高頻充電電源變換成高壓小電流 后給電容器充電；一種是由超級電容器組采用級聯拓撲串聯起來，直接輸出高壓給電容器 充電。在超級電容器組采用級聯拓撲串聯的充電系統中，每一級的超級電容器組也是由多 個超級電容器單體串聯而成，一般超級電容器單體電壓在2. 7V左右，在電容器電壓較高 時，需要幾千個超級電容器單體串聯輸出，對超級電容器單體的一致性要求較高。由于超級 電容器單體的差異性是必然存在的，較多單體串聯使用時系統故障率高，實用性差，影響使 用。
[0004] 中國專利201010185126. 2公開了一種級聯型逆變器的控制系統，重點是主控系 統的實現方式，未設及級聯電路控制時序的控制方法。中國專利201210259287. 0公開了一 種線性放大器高壓級聯裝置及方法，重點是級聯電路拓撲，未設及具體的控制控制方法。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是克服現有技術的缺點，提出一種超級電容器級聯高壓裝置的控制 方法。本發明可W使得超級電容器組級聯充電電源中所串聯的超級電容器單體大幅減小， 提高充電裝置的可靠性和實用性。本發明適用于目標充電電壓在1KV及W上的高壓電容器 充電。
[0006] 本發明所基于的超級電容器級聯高壓裝置包括5個組成部分；超級電容器組級聯 系統、控制系統、限流電感、高壓電容器，W及負載控制開關。超級電容器組級聯系統高壓輸 出的高壓端串聯限流電感后，連接負載控制開關的電流輸入級，負載控制開關的電流輸出 級連接高壓電容器的高壓極，高壓電容器的低壓極連接超級電容器級聯系統低壓輸出端。 超級電容器組級聯系統由多個超級電容器組串聯而成，每個超級電容器組串聯一個控制開 關后再并聯一個二極管，組成超級電容器級聯系統中的一級，多級串聯后即形成超級電容 器組級聯系統。超級電容器組級聯系統在控制系統控制下實現輸出可控的高壓電源功能。
[0007] 高壓電容器和負載控制開關均為M個，M為大于等于1的正整數。M組高壓電容器 和M個負載控制開關中的M值相同，M的值由高壓電容器容量、與超級電容器級聯系統輸出 正極端串聯的限流電感的電感量、充電所需時間，W及超級電容器組級聯系統的最大充電 電流確定。超級電容器組級聯系統高壓輸出的高壓端串聯限流電感后，連接M個負載控制 開關的電流輸入級，M個負載控制開關的電流輸出級分別連接M個高壓電容器高壓極，M個 高壓電容器的低壓極分別連接超級電容器級聯系統低壓輸出端。
[0008] 對超級電容器級聯高壓裝置的控制方法如下：
[0009] 所述超級電容器組級聯系統輸出的總電壓為高壓電容器所需目標電壓的一半，在 高壓電容器目標充電電壓確定后，控制系統根據超級電容器組輸出電壓之和等于目標充電 電壓一半的原則，選擇投入工作的超級電容器組的數量，然后控制系統控制M個負載控制 開關中的一個負載控制開關閉合，并控制超級電容器組級聯系統中各級超級電容器組控制 開關同時閉合，即控制超級電容器組級聯系統同時輸出電壓，對分組的M組高壓電容器中 的某一組充電。利用諧振原理使與該負載控制開關連接的該組高壓電容器的電壓在半個諧 振周期時達到超級電容器組級聯系統輸出電壓的2倍。在半個諧振周期時刻，該負載控制 開關斷開，結束對與該負載控制開關連接的該組高壓電容器充電，然后控制系統控制另一 個負載控制開關閉合，并控制超級電容器組級聯系統輸出電壓，對與此負載控制開關連接 的該組高壓電容器充電 ，如此分時序分組對高壓電容器充電。該一控制方法可W有效 降低超級電容器組單體超級電容器的數量。
[0010] 超級電容器組級聯系統的分級可根據情況確定，分級越多，所需控制開關和二極 管越多，高壓電容器上電壓級差越小，分級越少，超級電容器組級聯系統越簡單，但高壓電 容器的電壓級差越大。為了滿足高壓電容器不同目標電壓的充電要求，每級超級電容器組 的電壓可各不相同，通過超級電容器組的組合可輸出不同的等級的電壓。每組高壓電容器 的充電時間^ =WIT，超級電容器組最大輸出電流能力需大于等于，其中U為在不 同組合時投入工作的各級超級電容器組電壓之和，L為與超級電容器級聯系統高壓端串聯 的限流電感的電感量、C為高壓電容器的容量。根據式;高壓電容器容量增加時，所 需超級電容器組級聯系統的輸出電流變大，對超級電容器組輸出電流能力要求變高，此時， 為降低超級電容器組輸出電流的要求，可將高壓電容器分成M組，采用負載時序充電的控 制方式。充電啟動時，控制系統輸出M個負載控制開關中某一個的閉合信號，同時輸出超級 電容器組級聯系統中各級超級電容器組控制開關的閉合信號，使各級超級電容器組中控制 開關同時閉合，超級電容器組同時輸出電壓，對M組高壓電容器中的一組充電。當充電電流 變為0時，控制系統輸出該負載控制開關的斷開信號，使該負載控制開關斷開，各級超級電 容器組中控制開關同時斷開，超級電容器組停止輸出電壓。等待該負載控制開關恢復到截 止狀態后，控制系統輸出與下一組高壓電容器連接的負載控制開關的閉合信號，同時輸出 超級電容器組級聯系統中各級超級電容器組控制開關的閉合信號，使各級超級電容器組中 控制開關同時閉合，超級電容器組同時輸出電壓，對下一組高壓電容器充電。
[0011] 當超級電容器的輸出電流大于超級電容器組的最大輸出電流能力時，采用負載時 序充電的控制方式。
[0012] 本發明的積極效果是：
[0013] 1.本發明控制方法能夠大幅度降低級聯超級電容器組中超級電容器單體的串聯 個數，提高系統的可靠性。
[0014] 2.本發明超級電容器組級聯系統的控制開關和負載控制開關工作在軟開關狀態， 有效降低開關兩端電壓尖峰和電磁干擾。
[0015] 3.本發明對高壓電容器采用分組時序充電的方式，在所需超級電容器組級聯系統 輸出電流較大的大容量高壓電容器的充電場合，能夠有效降低限流電感的電感量和對超級 電容器組輸出的電流能力的要求。
[0016] 4.該方法采用超級電容器組級聯的構成直流源，實現了超大容量、超長使用壽命、 超快直流源蓄能、適合低溫條件的特點。
[0017]本發明可用于大功率高壓電源的快速充放電領域，尤其是對負載電壓精度要求不 高的場合，特別適用于電火花震源充電。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發明所基于的超級電容器級聯高壓裝置的結構組成示意圖，圖中；1超級 電容器組級聯系統，2控制系統，3限流電感，4高壓電容器，5負載控制開關；
[0019] 圖2為【具體實施方式】的電路拓撲；
[0020] 圖3為【具體實施方式】中控制系統輸出的控制時序。
【具體實施方式】
[0021] 下面結合附圖及【具體實施方式】進一步說明本發明。
[0022] 如圖1所示，本發明所基于的超級電容器級聯高壓裝置包括5個組成部分；超級電 容器組級聯系統1、控制系統2、限流電感3、M組高壓電容器4,W及M個負載控制開關5。超 級電容器組級聯系統1高壓輸出的高壓端串聯限流電感3后，連接M個負載控制開關5的 電流輸入級，M個負載控制開關5的電流輸出級分別連接M組高壓電容器4的高壓極，M組 高壓電容器4的低壓極分別