一种超级电容模组的诊断方法与装置与流程

本发明涉及超级电容技术领域，特别涉及一种超级电容模组的诊断方法。本发明还涉及一种超级电容模组的诊断装置。

背景技术：

众所周知，超级电容具有功率密度大，使用寿命长等特点，非常适合于轨道交通，无轨交通领域，起动吊装机械等瞬时启动和回馈功率较大的领域。

目前，超级电容单体电压通常在3v左右；为匹配负载系统电压，通常采用多个单体串并联的方式组成标准模组，多个标准模组串并联组成系统。由于超级电容单体容量，内阻，泄漏电流等不一致性导致充放电时单体电压存在差异，如不做均衡将会导致单体长期处于过压或欠压状态，损坏超级电容。因此，国内科研院校在超级电容主动和被动均衡方面做出了很多研究，也取得了一些成就。但在实际应用过程中除了超级电容本身容量，内阻等对单体平衡有影响外，还存在着电容间连接阻抗对流过电容的电流和电压变化有影响，经常遇到超级电容模组内电容间螺栓连接松动，导致连接阻抗增大，局部温升增大导致电容故障。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种超级电容模组的诊断方法，该诊断方法可以获取模组内各个超级电容单体的电压变化率，从而实现对连接阻抗的诊断，故障预警，指导维护人员及早维护消除隐患。本发明的另一目的是提供一种超级电容模组的诊断装置。

为实现上述目的，本发明提供一种超级电容模组的诊断方法，包括：

获取在充电或放电瞬间各个超级电容单体的第一电压变化率；

判断全部所述第一电压变化率是否处于第一预设范围；若否，则提示对不处于所述第一预设范围的所述第一电压变化率所对应的所述超级电容单体进行紧固维护。

优选地，还包括：

获取在充电或放电过程中各个超级电容单体的第二电压变化率；

判断全部所述第二电压变化率是否处于第二预设范围；若否，则提示对不处于所述第二预设范围的所述第二电压变化率所对应的所述超级电容单体进行更换操作。

优选地，还包括：

分别获取在正常状态下各个超级电容单体的充电瞬间、充电过程中以及放电瞬间的理想电压变化值，得到电压变化阈值；

获取各个超级电容单体在充电瞬间、充电过程中以及放电瞬间的实际电压变化值；

判断所述实际电压变化值是否处于所述电压变化阈值的范围之内，若否，则提示对不处于所述电压变化阈值的范围之内的所述实际电压变化值所对应的所述超级电容单体进行预报故障操作。

优选地，所述获取在充电或放电瞬间各个超级电容单体的第一电压变化率的步骤之后，还包括：

通过所述大数据管理系统判断全部所述第一电压变化率是否处于第一预设范围；若否，则提示对不处于所述第一预设范围的所述第一电压变化率所对应的所述超级电容单体进行紧固维护。

优选地，还包括：

分别获取在正常状态下各个超级电容单体的充电瞬间、充电过程中以及放电瞬间的理想温度值，得到温度阈值；

获取各个超级电容单体在充电瞬间、充电过程中以及放电瞬间的实际温度值；

判断所述实际温度值是否处于所述温度阈值的范围之内，若否，则提示对不处于所述温度阈值的范围之内的所述实际温度值所对应的所述超级电容单体进行预报故障操作。

本发明还提供一种超级电容模组的诊断装置，包括：

用以采集各个超级电容单体的电流与电压的采集均衡板：

与所述采集均衡板通过4g或wifi连接用以实现数据传输的大数据管理系统：所述大数据管理系统包括第一电压变化率计算单元：用于根据电流与电压得到在充电或放电瞬间各个超级电容单体的第一电压变化率；用于判断全部所述第一电压变化率是否处于第一预设范围；若否，则提示对不处于所述第一预设范围的所述第一电压变化率所对应的所述超级电容单体进行紧固维护。

优选地，所述大数据管理系统还包括第二电压变化率计算单元：用于根据电流与电压得到在充电或放电过程中各个超级电容单体的第二电压变化率；用于判断全部所述第二电压变化率是否处于第二预设范围；若否，则提示对不处于所述第二预设范围的所述第二电压变化率所对应的所述超级电容单体进行更换操作。

优选地，所述采集均衡板还包括实际电压变化值获取单元：用于获取各个超级电容单体在充电瞬间、充电过程中以及放电瞬间的实际电压变化值；

所述大数据管理系统还包括实时判断单元：用于根据分别获取在正常状态下各个超级电容单体的充电瞬间、充电过程中以及放电瞬间的理想电压变化值，得到电压变化阈值；用于判断所述实际电压变化值是否处于所述电压变化阈值的范围之内，若否，则提示对不处于所述电压变化阈值的范围之内的所述实际电压变化值所对应的所述超级电容单体进行预报故障操作。

优选地，所述采集均衡板还包括实际温度值获取单元：用于获取各个超级电容单体在充电瞬间、充电过程中以及放电瞬间的实际温度值；

所述大数据管理系统还包括温度判断单元：用于根据分别获取在正常状态下各个超级电容单体的充电瞬间、充电过程中以及放电瞬间的理想温度值，得到温度阈值；用于判断所述实际温度值是否处于所述温度阈值的范围之内，若否，则提示对不处于所述温度阈值的范围之内的所述实际温度值所对应的所述超级电容单体进行预报故障操作。

相对于上述背景技术，本发明提供的超级电容模组的诊断方法，通过获取在充电或放电瞬间各个超级电容单体的第一电压变化率，从而判断全部第一电压变化率是否处于第一预设范围；若其中一个或多个第一电压变化率不处于第一预设范围，则与该第一电压变化率所对应的超级电容单体出现连接不到位的现象，提示对该超级电容单体进行紧固维护。如此设置，能够及时获知各个超级电容单体的第一电压变化率，发现异常的第一电压变化率，也即不处于第一预设范围内的第一电压变化率，以实现及时对超级电容单体进行紧固维护。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的超级电容模组的诊断装置的结构示意图；

图2为图1中超级电容模组的连接电路简化模型；

图3为图1中超级电容模组在正常充放电时的示意图；

图4为图1中超级电容模组接触异常时的示意图；

图5为图1中超级电容模组在接触阻抗大时的内部均衡示意图；

图6为本发明实施例所提供的超级电容模组的诊断方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1至图6，图1为本发明实施例所提供的超级电容模组的诊断装置的结构示意图；图2为图1中超级电容模组的连接电路简化模型；图3为图1中超级电容模组在正常充放电时的示意图；图4为图1中超级电容模组接触异常时的示意图；图5为图1中超级电容模组在接触阻抗大时的内部均衡示意图；图6为本发明实施例所提供的超级电容模组的诊断方法的流程图。

本发明提供的超级电容模组的诊断装置，如说明书附图1所示，主要包括负载系统11，超级电容储能系统，采集均衡板13，电容管理系统与无线传输系统131以及大数据管理系统14。

为满足大功率的负载系统11对功率的需求，超级电容储能系统通常为多个单体串并组成的超级电容模组12，多个超级电容模组12构成储能系统；采集均衡板13主要用来采集超级电容模组12中超级电容单体的电压、电流与温度数据，并与电容管理系统与无线传输系统131数据交换，将数据传输至大数据管理系统14；同时采集均衡板13也接收电容管理系统与无线传输系统131的均衡指令，实现模组内的单体之间或模组之间的均衡；电容管理系统与无线传输系统131接收来自采集均衡板13采集的数据，通过对采集均衡板13数据的运算和判断，下发均衡指令实现系统电容的均衡，同时也通过4g或wifi上传超级电容状态数据。大数据管理系统14接收并存储电容管理系统与无线传输系统131的数据，通过对超级电容的历史数据与相邻模组间的横向数据对比，辨识超级电容参数，诊断单体间接触电阻，将辨识参数下发电容管理系统，调整均衡策略，将诊断单体间的接触电阻反馈维护人员指导维修。

下文将对本发明的诊断方法的原理进行介绍，以附图2为例；

电容电阻c，接触电阻rca，接触不良时增加的接触电阻rnc，电路简化模型见附图2，详细变量定义如下：

rc：超级电容内阻，

rcn：连接接触阻抗，

rnc：接触不良(松动)时增加的接触阻抗，

u：均衡板采集电压，

超级电容电压的变化量；

当各个模组间单体接触良好时，各超级电容单体的内阻rc和电容间的接触电阻rcn都分别相等，超级电容在充放电时电流分配如附图3所示，其中：

电流：i1＝i2＝it/2；由于

则，测量电压变化：

电容c11，c12，c13，c21，c22，c23等电容的测量电压在充放电时电压的变化率一致。两并联电容中的短接片流过的电流近似于零。

倘若模组间单体连接螺栓松动时接触阻抗将增大，如附图4，

接触良好部分的电流：i1b2＝i2b2＝it/2

接触良好部分电容的测量电压变化

δuc1n＝δuc2n＝δuc13＝δuc23＝δuc14＝δuc24

接触不良时的电流分配如下：

根据电阻与电流分配关系可知：

接触良好部分分路电流：

接触松动部分分路电流：

测得接触不良部分电压变化：δuc11＝δuc12＝δuc21＝δuc22；

同批次的超级电容模组内的电容内阻与接触阻抗为定值：

即，rconet＝rc+rcm

由于连接松动时的接触阻抗：rnc＞rconet

超级电容大电流充放电时，通常：it＞200a

接触不可靠段与接触可靠段在充放电瞬间电压差值为：

因此只要接触不可靠时接触阻抗rnc稍微增大，则电压变化差异δud就会很明显。根据充放电电流的大小，测量在充放电瞬间的电压差，和已知正常时的接触阻抗常数，可以算出接触不良时的接触阻抗：即，

当充电突然中止时所测量的uc11将会瞬间减少，因为电流瞬间变为零，所测量的电压uc11＝uc+i2b1×(rcn+rnc)＝uc+i1b1×rcn，电流变为零，测量的电压值将存在瞬变。

电容间的短接片电流为：i3b＝i2b2-i2b1

根据接触不良时的接触电阻的大小，i3b的电流将大小不一致。

接触良好时的发热量为：q1＝(it/2)×(rc+rcn)×t

接触不良时的发热量为：

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

由于i1b1＞i2b1，qb/q1≥2因此接触不良时的发热量qb至少是接触良好时发热量q1的2倍以上。

而接触不良是造成超级电容箱体内温度偏高的原因之一，影响超级电容的使用寿命，同时接触不良会导致能量损失。

当超级电容模组充电完毕，电容模组处于静置，由于

u11＝u12＞u21＝u22

电流i3b1与电流i3b2为顺时针方向流动。

当超级电容模组放电完毕，电容模组处于静置，由于

u11＝u12＜u21＝u22，则

电流i3b1与电流i3b2为逆时针方向流动。

其中满足：2rc+4rcn+rnc＝(u11-u21)/i3b1。

无充电放电电流时，由于超级电容单体电压的上升和下降比例不一致，造成电容电压不一致；当大电流充电完毕后，接触电阻少的支路电容电压比接触电阻大的支路电容电压高，因此将形成两个顺时针环流，静置一定时间后两端电压平衡；当大电流放电完毕后，接触电阻少的支路电容电压比接触电阻大的支路电容电压低，因此将形成两个逆时针环流，静置一定时间后两端电压平衡；具体如附图5超级电容模组接触阻抗大时内部自均衡示意图。

根据上述原理可知，当超级电容在大电流瞬间充电时由于电容间连接不紧固，导致有些单体连接电阻增大，故障单体充电过程中具有以下特征。

在大电流开始充电瞬间，故障单体的电压变化量比同类模组中电压升较大；

充电电流瞬间撤销时，由于原测量电压为电容实际电压与接触电阻所分电压之和，因此当撤销充电电流的时候，存在接触阻抗较大的单体电压瞬间压降较大；

在充电过程中，如果模组中某一单体电压上升率与其他单体相比明显异常，则可判定电容偏小或连接故障。

基于上述三点在线监测可判断模组是否存在故障，同时在地面可采用离线的方式与历史数据的对比分析超级电容内阻及接触阻抗的变化趋势，有效地预报故障和指导维修。

通过上述原理可知，本发明提供的诊断方法，首先获取在充电或放电瞬间各个超级电容单体的第一电压变化率；

然后判断全部所述第一电压变化率是否处于第一预设范围；若否，则提示对不处于所述第一预设范围的所述第一电压变化率所对应的所述超级电容单体进行紧固维护。

也即，说明书附图6中的步骤s2、步骤s4、步骤s5与步骤s51；其中，步骤s2与步骤s4即为获取在充电或放电瞬间各个超级电容单体的第一电压变化率；步骤s5即为判断全部所述第一电压变化率是否处于第一预设范围；步骤s51即为提示对不处于所述第一预设范围的所述第一电压变化率所对应的所述超级电容单体进行紧固维护。

除此之外，诊断方法还包括：

获取在充电或放电过程中各个超级电容单体的第二电压变化率；

判断全部所述第二电压变化率是否处于第二预设范围；若否，则提示对不处于所述第二预设范围的所述第二电压变化率所对应的所述超级电容单体进行更换操作。

以附图6为例，步骤s3即为获取在充电或放电过程中各个超级电容单体的第二电压变化率；步骤s6即为判断全部所述第二电压变化率是否处于第二预设范围；步骤s61即为提示对不处于所述第二预设范围的所述第二电压变化率所对应的所述超级电容单体进行更换操作。

除此之外，诊断方法还包括：

分别获取在正常状态下各个超级电容单体的充电瞬间、充电过程中以及放电瞬间的理想电压变化值，得到电压变化阈值；

获取各个超级电容单体在充电瞬间、充电过程中以及放电瞬间的实际电压变化值；

判断所述实际电压变化值是否处于所述电压变化阈值的范围之内，若否，则提示对不处于所述电压变化阈值的范围之内的所述实际电压变化值所对应的所述超级电容单体进行预报故障操作。

以附图6为例，上述过程即为步骤s7，实时对比充放电时的电压变化率与电压变化阈值对比，而电压变化阈值即为附图6中步骤s7的历史数据。附图6中的开启步骤s1与结束步骤s8可以根据实际需要而定，本文不再赘述。

需要说明的是，附图6中的各个步骤具有前后顺序，然而通过上文以及权利要求中的技术方案可知，附图6中的各个步骤并不仅仅限于附图6中所示出的顺序，并且对于附图6中的语言表述应结合说明书中的诊断方法的原理与权利要求中的语言表述进行理解。

当然，上述判断过程均可以通过大数据管理系统14进行，也即通过大数据管理系统14判断全部所述第一电压变化率是否处于第一预设范围；若否，则提示对不处于所述第一预设范围的所述第一电压变化率所对应的所述超级电容单体进行紧固维护。

除此之外，诊断方法还可以对温度进行监测；即：

分别获取在正常状态下各个超级电容单体的充电瞬间、充电过程中以及放电瞬间的理想温度值，得到温度阈值；

获取各个超级电容单体在充电瞬间、充电过程中以及放电瞬间的实际温度值；

判断所述实际温度值是否处于所述温度阈值的范围之内，若否，则提示对不处于所述温度阈值的范围之内的所述实际温度值所对应的所述超级电容单体进行预报故障操作。

上述介绍了超级电容模组的诊断方法，下文将基于上述诊断原理与方法，对诊断装置作出介绍，对于诊断装置的理解应结合上述诊断原理与方法。

本发明还提供一种超级电容模组的诊断装置，主要包括：

用以采集各个超级电容单体的电流与电压的采集均衡板：

与所述采集均衡板通过4g或wifi连接用以实现数据传输的大数据管理系统：所述大数据管理系统包括第一电压变化率计算单元：用于根据电流与电压得到在充电或放电瞬间各个超级电容单体的第一电压变化率；用于判断全部所述第一电压变化率是否处于第一预设范围；若否，则提示对不处于所述第一预设范围的所述第一电压变化率所对应的所述超级电容单体进行紧固维护。

优选地，所述大数据管理系统还包括第二电压变化率计算单元：用于根据电流与电压得到在充电或放电过程中各个超级电容单体的第二电压变化率；用于判断全部所述第二电压变化率是否处于第二预设范围；若否，则提示对不处于所述第二预设范围的所述第二电压变化率所对应的所述超级电容单体进行更换操作。

优选地，所述采集均衡板还包括实际电压变化值获取单元：用于获取各个超级电容单体在充电瞬间、充电过程中以及放电瞬间的实际电压变化值；

所述大数据管理系统还包括实时判断单元：用于根据分别获取在正常状态下各个超级电容单体的充电瞬间、充电过程中以及放电瞬间的理想电压变化值，得到电压变化阈值；用于判断所述实际电压变化值是否处于所述电压变化阈值的范围之内，若否，则提示对不处于所述电压变化阈值的范围之内的所述实际电压变化值所对应的所述超级电容单体进行预报故障操作。

优选地，所述采集均衡板还包括实际温度值获取单元：用于获取各个超级电容单体在充电瞬间、充电过程中以及放电瞬间的实际温度值；

所述大数据管理系统还包括温度判断单元：用于根据分别获取在正常状态下各个超级电容单体的充电瞬间、充电过程中以及放电瞬间的理想温度值，得到温度阈值；用于判断所述实际温度值是否处于所述温度阈值的范围之内，若否，则提示对不处于所述温度阈值的范围之内的所述实际温度值所对应的所述超级电容单体进行预报故障操作。

本发明提供的超级电容模组的诊断方法与装置，针对超级电容接触不良引起的模组内部超级电容单体电流，电压及模组温度的变化，通过对同期其他模组中的数据和历史数据的比较，计算出接触不良点的接触电阻值。当接触电阻大于设定的初始接触电阻值时，地面大数据管理系统将预警提示管理人员，对超级电容模组内部某个电容的连接点进行紧固处理。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明所提供的超级电容模组的诊断方法与装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。