技术领域本发明提出了一种提高超级电容器能量利用率的控制方法，属于储能技术领域。
背景技术：
超级电容器因为功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽、充电和放电过程是物理变化过程，没有记忆效应等优点而得到广泛利用。随着超级电容器充电或放电进程，超级电容器两端电压值不断上升或者下降，若直接将超级电容器接入负载电路将影响负载电路正常工作，严重时甚至会损坏电路器件导致系统崩溃。为了使负载侧电压稳定，必须在超级电容器与负载之间接入DC/DC变换器，其中双向半桥型Buck-Boost变换器因为结构简单，开关器件少，控制简单，可靠性高，并且不存在隔离，电能转换次数少，能量传输效率高，在储能技术中得到广泛利用。但是其缺点是输入输出电压变比范围较窄，当电压变比达到5倍以上就很难保障效率。所以为了保证双向半桥型Buck-Boost变换器的工作效率，通常超级电容器放电到额定电压的一半时即终止放电。而超级电容器深度充放电循环使用次数可达50万次，因此超级电容器放电到额定电压的一半就终止放电造成了超级电容器容量的极大浪费。为了提高超级电容器的能量利用率，通过研究DC/DC变换器的拓扑结构来提高变压比，从而间接提高超级电容器的可利用容量。目前双向DC/DC变换器的拓扑结构大致分为隔离型和非隔离型。非隔离型双向DC/DC变换器的拓扑结构主要由单向DC/DC变换器派生而来，其拓扑结构几乎都是通过将单向DC/DC变换器中二极管和单向开关改为双向开关而得到的，通过控制开关管的导通关断模式，即可实现能量的双向流通。而其中双向半桥型Buck-Boost变换器不需要大容量高额定电压的传递电容，并且相比其他类型的变换器，其MOS管和二极管承受的电压应力要小的多，有源元器件的导通损耗也最小，效率最高，所以在非隔离型双向DC/DC变换器中，同等情形下通常选择双向半桥型Buck-Boost变换器。而隔离型双向DC/DC变换器由于隔离变压器的存在，其输入输出变比能达到很高，但是变压器漏感会引起较大的电压尖峰，并且磁性元件增多，导致电路设计与计算十分复杂，同时功率开关管的数目庞大，其控制和保护系统也非常复杂，并且传输效率低。在储能技术中，传输效率是重要的指标之一，传输效率低则失去了节能储能的意义。
技术实现要素：
本发明的内容是将四个超级电容器通过继电器进行串并联实时切换，使超级电容器的放电深度从额定电压的1/2提升至额定电压的1/8时，双向半桥型Buck-Boost变换器输入输出变压比依旧保持在一定范围内并保持较高的传输效率，从而间接提高储能技术中超级电容器能量的利用率。本发明的技术方案：一种提高超级电容器能量利用率的控制方法，步骤如下：针对双向半桥型Buck-Boost变换器在超级电容器低压时无法正常高效工作的缺点，采用了超级电容器串并联实时切换的结构，这个结构整体可以看作一个模块，其包括四个完全相同的超级电容器C1、C2、C3、C4和完全相同的九个开关，这四个超级电容器从左至右依次组成四条并联支路，超级电容器C1的负极联接一个开关S1，超级电容器C2正极联接一个开关S2，负极联接一个开关S3，超级电容器C3正极联接一个开关S4，负极联接一个开关S5，超级电容器C4的正极联接一个开关S6，超级电容器C1的负极与超级电容器C2的正极之间再联接一个开关S7，超级电容器C2的负极与超级电容器C3的正极之间再联接一个开关S8，超级电容器C3的负极与超级电容器C4的正极之间再联接一个开关S9。假设超级电容器初始状态为放电状态，每个超级电容器的额定电压为U，模块额定电压也为U。放电初始时，令开关S1～S6闭合，S7～S9断开，四个超级电容器为并联联接方式放电，此时模块电压为模块额定电压U；当模块电压下降至模块额定电压的一半时，令开关S3、S7、S4、S9闭合，其它开关均断开，即为C1和C2串联、C3和C4串联，两个串联支路再并联的联接方式继续放电，此时模块电压变为两个串联之和即为U；当模块电压再次下降至模块额定电压的一半，令开关S7、S8、和S9闭合，其它开关均断开，即四个超级电容器为串联的联接方式继续放电，此时模块电压变为四个串联之和即为U；当模块电压再降至模块额定电压的一半时，四个超级电容器均达到最低放电深度而停止放电。同理，超级电容器进入充电状态时，当超级电容器电压小于时(此时模块电压小于模块额定电压)，开关S7、S8、和S9闭合，其它开关均断开，即四个超级电容器为串联的联接方式进行充电；当超级电容器电压上升至时(此时模块电压变为四个串联之和即为额定电压U)，令开关S3、S7、S4、S9闭合，其它开关均断开，即为C1和C2串联、C3和C4串联，两个串联支路再并联的联接方式继续充电(此时模块电压变为两个串联之和即为额定电压的一半)；当超级电容器电压上升至时(此时模块电压变为两个串联之和即为额定电压U)，令开关S1～S6闭合，S7～S9断开，四个超级电容器为并联联接方式继续充电(此时模块电压变为四个并联即为额定电压的一半)；当超级电容器电压上升至额定电压U时(此时模块电压变为四个U并联即为额定电压U)，充电结束。超级电容器的最低放电深度电压取值为额定电压U的即Umin=18U]]>达到最低放电深度时，超级电容释放的能量为12C(U2-Umin2)=63128C·U2]]>上式中Umin为超级电容器的最低放电深度电压。超级电容器的串并联切换由控制系统控制继电器的导通和关断来完成，并且在切换过程中要注意设置死区时间，以防止短路发生。本发明的有益效果是：(1)提升了超级电容器的能量利用率。(2)保证了双向半桥型Buck-Boost变换器两端变压比在一定范围内。(3)使双向半桥型Buck-Boost变换器在超级电容器低压下也有较高的工作效率。(4)降低了超级电容器参数匹配的容量，从而降低了系统成本。附图说明图1是双向半桥型Buck-Boost变换器电路拓扑图。图2是超级电容器参数匹配示意图。图3是超级电容器切换结构图。图4是系统整体控制策略。具体实施方式下面结合说明书附图和技术方案，对本发明具体实施方案作详细说明。如图1所示为双向半桥型Buck-Boost变换器电路拓扑图。在储能技术中双向半桥型Buck-Boost变换器看作是连接在储能装置与负载之间的开关，通过改变开关管的占空比稳定负载端输出电压。超级电容器放电状态下，开关管S2常关，改变开关管S1的占空比使变换器工作在Boost升压模式；超级电容充电时，开关管S1常关，改变开关管S2的占空比使变换器工作在Buck降压模式。在设计电感时要以电感的峰值电流为参考，保证电感处于峰值电流时不饱和。峰值电流达到最大的输入电压为最恶劣输入电压，在设计电感时以此电压进行设计。由于Boost和Buck变换器最恶劣输入电压的不同，故对于两个电路的电感分别进行设计，经比较后选取适合的电感。对于Boost变换器来说，输入电压最小时是其最恶劣情况，此时占空比达到最大，平均电流达到最大，此时占空比为D=Vo-VINminVo]]>因此IL=Io1-D]]>取电流纹波率为0.4，则IPK=IL(1+r2)]]>对于Boost变换器有VON＝VIN，因此有L=VON×Dr×IL×f]]>对于Buck变换器来说，输入电压最大时是其最恶劣情况，与Boost变换器计算步骤类似，可求得式中：D为开关管占空比，VINmin为最小输入电压，Vo为输出电压，IL为电感电流，Io为负载电流，IPK为电感峰值电流，r为电流纹波率，VON为开关管导通时电感上的电压，VIN为输入电压，L为Boost变换器需要的电感值，f为开关管工作频率，L2为Buck变换器需要的电感值。为保证系统处于Buck和Boost状态时，均能使变换器工作于CCM模式，电感应取两者中较大的值，且留有一定裕量。如图2所示为超级电容器参数匹配示意图。超级电容器的容量设计既要满足需求，又必须具有经济性。若设计的过大，固然可以保证将每次的回馈能量完全吸收，但成本过高；若设计的过小，则可能连系统单次运行的回馈能量都无法吸收，造成大量能量浪费，节能效果大打折扣。应在保留单次运行回馈能量吸收空间的前提下，再保留一部分裕量作为备用。超级电容器的最低放电深度电压取值为额定电压U的即Umin=18U]]>达到最低放电深度时，超级电容器释放的能量为12C(U2-Umin)=63128C·U2]]>则超级电容器容量应满足的能量约束条件为63128C·U2≥Wpeak+(1+0.2)·Wfeedback]]>上式中U为超级电容器额定电压，Umin为超级电容器的最低放电深度电压，C为超级电容器容量，Wpeak为尖峰功率，Wfeedback为单次运行回馈能量。如图3所示为超级电容器串并联切换结构图。此结构可以看作一个模块，内部C1、C2、C3、C4均为超级电容器，假设超级电容器初始状态为放电状态，每个超级电容器的额定电压为U，模块额定电压也为U。放电初始时，令开关S1～S6闭合，S7～S9断开，四个超级电容器为并联联接方式放电，此时模块电压为模块额定电压U；当模块电压下降至模块额定电压的一半)，令开关S3、S7、S4、S9闭合，其它开关均断开，即为C1和C2串联、C3和C4串联，两个串联支路再并联的联接方式继续放电，此时模块电压变为两个串联之和即为U；当模块电压再次下降至模块额定电压的一半)，令开关S7、S8、和S9闭合，其它开关均断开，即四个超级电容器为串联的联接方式继续放电，此时模块电压变为四个串联之和即为U；当模块电压再降至模块额定电压的一半)，四个超级电容器均达到最低放电深度而停止放电。超级电容器进入充电状态时，当超级电容器电压小于时(此时模块电压小于模块额定电压)，开关S7、S8、和S9闭合，其它开关均断开，即四个超级电容器为串联的联接方式进行充电；当超级电容器电压上升至时(此时模块电压变为四个串联之和即为额定电压U)，令开关S3、S7、S4、S9闭合，其它开关均断开，即为C1和C2串联、C3和C4串联，两个串联支路再并联的联接方式继续充电(此时模块电压变为两个串联之和即为额定电压的一半)；当超级电容器电压上升至时(此时模块电压变为两个串联之和即为额定电压U)，令开关S1～S6闭合，S7～S9断开，四个超级电容器为并联联接方式继续充电(此时模块电压变为四个并联即为额定电压的一半)；当超级电容器电压上升至额定电压U时(此时模块电压变为四个U并联即为额定电压U)，充电结束。如图4所示为系统控制策略。(1)放电状态当超级电容器处于放电状态时，检测超级电容器两端电压，当超级电容器电压高于额定电压一半，即时，则四个超级电容器并联供电；当继续放电至超级电容器电压低于额定电压的二分之一，但是高于额定电压的四分之一，即时，则四个超级电容器两两串联再两两并联放电；当继续放电至超级电容器电压低于额定电压的四分之一但是高于额定电压的八分之一，即时，则四个超级电容器串联放电；当超级电容器电压低于最低限定电压，即时，则超级电容器放电结束。(2)充电状态当超级电容器处于充电状态时，检测超级电容器两端电压，当超级电容器电压低于额定电压四分之一即时，则四个超级电容器串联充电；当继续充电至超级电容器电压高于额定电压四分之一但是低于额定电压二分之一即时，则四个超级电容器两两串联再两两并联充电；当继续充电至超级电容电压高于额定电压二分之一但是低于额定电压即USC<U时，则四个超级电容器并联充电；当超级电容器电压达到额定电压即USC＝U时，则超级电容充电结束。