一种基于温度抑制的可重构超级电容堆栈充放电控制方法及系统与流程

本发明属于超级电容技术领域，具体涉及一种基于温度抑制的可重构超级电容堆栈充放电控制方法及系统。

背景技术：

在由大量超级电容单体串并联构成的超级电容堆栈能源系统中，不同的超级电容单体状态不一样(比如端电压和内阻)，老化程度也不一样。在充放电过程中，这些参数的差异往往会影响系统充放电时的性能。比如老化严重的超级电容单体会在充放电的时候产生较大的热能，有可能会损坏超级电容单体使得整个超级电容堆栈无法正常工作，其次老化严重的超级电容单体放电时候的容量(端电压)相对也会降低得很快，这些问题就会造成堆栈中得单体不平衡。随着时间推移，这种不平衡将会更加严重，会加速老化严重得单体得老化速度。对于由多个超级电容单体串联形成的超级电容组，其整体的寿命取决于老化最严重的单体，所以不平衡问题将会大大限制超级电容堆栈的使用寿命。

因此，有必要设计一种能够上述不平衡问题的方案。

技术实现要素：

本发明的目的是，针对现有技术的不足，提供一种基于温度抑制的可重构超级电容堆栈充放电控制方法及系统，本发明能够实现超级电容堆栈中超级电容单体寿命的真正均衡，提高系统的使用性能并延长整个超级电容堆栈的使用寿命。

本发明所提供的技术方案为：

一方面，本发明提供一种基于温度抑制的可重构超级电容堆栈充放电控制方法，包括如下步骤：

步骤1：在超级电容堆栈充放电过程中，每隔一定时间采集一次各个超级电容单体的温度；

其中，每个超级电容单体配置有两个可控开关，超级电容单体与其中一个可控开关串联后再与另一个可控开关并联；两个可控开关用于实现超级电容单体接入和切出超级电容堆栈；每个超级电容单体分别与其两个可控开关构成一个超级电容模块；各个超级电容模块相互串并联构成超级电容堆栈；其中超级电容单体间的串联以满足负载电压需求，并联以提供输出大电流；

步骤2：根据每次采集到的每个超级电容单体的温度，实时进行超级电容堆栈的重构和温度抑制(超级电容的接入和切出)，即根据当前采集到的温度控制各个超级电容单体的两个可控开关在下一个控制周期内的导通时间，使当前温度高的超级电容单体串联的可控开关在下一个控制周期内的导通时间短，并联的可控开关在下一个控制周期内的导通时间长。本步骤实际上是根据当前采集到的温度控制各个超级电容单体在下一个控制周期内接入和切出超级电容堆栈的时间，即进行超级电容堆栈的重构。

进一步地，所述步骤1中，周期性地采集各个超级电容单体的温度，具体方法为：首先采集每个超级电容单体初始温度，再以初始温度采集时间为起始时刻，每隔一个周期采集一下每个超级电容单体的温度。

进一步地，在超级电容堆栈充放电过程中，使用电压和电流传感器实时测量超级电容堆栈的端电压和输出电流大小，并以此判定充电是否完成，或者是否停止放电或边放边充；具体来说，在超级电容堆栈充电过程中，若超级电容堆栈端电压达到其额定电压即判定充电完成；在超级电容堆栈放电过程中，若超级电容堆栈输出电流或端电压小于预设值(即输出电流或端电压的最小正常值)则选择以下方式之一进行处理：1)停止使用超级电容堆栈对负载放电，转为向超级电容堆栈充电，充电完成后继续使用超级电容堆栈对负载放电；2)在使用超级电容堆栈对负载放电的同时，采用外部电源向超级电容堆栈充电；持续上述过程直至完成对负载的供能。

进一步地，所述步骤2具体过程如下：

a：计算当前采集到的所有超级电容单体的温度的平均值，即平均温度；

b：计算当前采集到的每个超级电容单体的温度与平均温度的差值，该差值反映当前温度采集时刻超级电容的老化程度，温度越高说明超级电容老化越严重；

c：基于当前采集到的每个超级电容单体的温度与平均温度的差值，分别产生每个超级电容单体对应的重构控制信号(即每个超级电容单体的两个可控开关的导通和关断控制信息)；

d：根据每个超级电容单体的重构控制信号控制每个超级电容单体的两个可控开关在下一个控制周期内的导通时间，通过控制超级电容单体的两个可控开关的通断，实现超级电容单体接入和切出超级电容堆栈的控制，以便控制超级电容单体与超级电容堆栈之间的电流转移来实现超级电容单体的温度抑制。

每个超级电容单体配置两个可控开关，一个与其串联，使得超级电容能够自由地接入和切出；另外一个开关与超级电容并联，配合串联开关实现超级电容的接入和在不影响其他单体工作的情况下切除该超级电容。本发明通过温度控制策略可控开关，可以有效且低成本的实现电荷转移；从而实现温度抑制。基于该原理本方法在重复的充放电过程中周期性检测单体温度，在多次重复性的使用时，通过在单体的寿命进行一致性协同，不会出现热逃逸或过充等不良现象，超级电容单体间的寿命均衡效果好，能最终实现超级电容单体寿命的一致性，延长整个超级电容堆栈的寿命。

进一步地，所述步骤b中，当前采集到的每个超级电容单体的温度与平均温度的差值的计算公式如下：

式中，δmn(t)为当前，即第t次采集到的超级电容单体mn的温度与平均温度的差值，tmn(t)为当前采集到的超级电容单体mn的温度，为当前采集到的所有超级电容单体的平均温度。

进一步地，所述步骤c中，采用pid控制得到每个超级电容单体对应的重构控制信号，计算公式如下：

式中，δ(t)mn为超级电容单体mn串联的可控开关在一个控制周期内的导通时间占比，kp、τi和τd分别为比例参数、积分参数和微分参数，为δmn的微分，δmn(t-1)表示上一次，即第t-1次采集到的超级电容单体mn的温度与平均温度的差值。超级电容的温度反应了超级电容的使用寿命，然而充电电流对温度有决定性作用，可以通过可控开关的占空比实现充电电流的控制。

进一步地，将重构控制信号(δ(t)mn)转换为pwm信号输出；对于控制同一个超级电容单体的两个可控开关的pwm信号，它们的电平相反，即占空比互补，以保证每次只有一个开关导通，需要接入时串联的开关导通，并联的开关断开；需要切出时，串联的开关断开，并联的开关导通。

pwm信号的周期(控制周期)与采集温度的周期是相等的，即从控制环路来说，从采集到给出重构控制信号是在同一个周期内完成的。

另一方面，本发明提供的一种基于温度抑制的可重构超级电容堆栈的充放电控制系统，包括：重构控制模块、信号驱动模块、传感采集模块以及供电电源模块；

其中，重构控制模块、信号驱动模块和超级电容堆栈依次连接；重构控制模块和超级电容堆栈均与传感采集模块连接；该控制系统工作原理为：

在超级电容堆栈充放电过程中，传感采集模块每隔一定时间采集一次各个超级电容单体的温度；

其中，每个超级电容单体配置有两个可控开关，超级电容单体与其中一个可控开关串联后再与另一个可控开关并联；两个可控开关用于实现超级电容单体接入和切出超级电容堆栈；每个超级电容单体分别与其两个可控开关构成一个超级电容模块；各个超级电容模块相互串并联构成超级电容堆栈；

重构控制模块根据传感采集模块每次采集到的每个超级电容单体的温度，产生各个超级电容单体的重构控制信号，用于进行超级电容堆栈的重构和温度抑制，即根据当前采集到的温度产生各个超级电容单体的两个可控开关在下一个控制周期内的导通时间控制信号，使当前温度高的超级电容单体串联的可控开关在下一个控制周期内的导通时间短，并联的可控开关在下一个控制周期内的导通时间长；

所述信号驱动模块，对重构控制模块产生的重构控制信号进行转换，得到每个超级电容单体的两个可控开关的通断驱动信号，根据该通断驱动信号控制每个超级电容单体的两个可控开关的通断；

上述模块是功能性划分，在实际实现过程中，可以将上述一个或多个模块的功能集中在同一个硬件元件中来实现，本发明对此不进行具体的限定。传感采集模块采集的温度信号传送给重构控制模块，重构控制模块采用上述重构方法得到控制信号，再将控制信号传输给信号驱动模块进行电平转换得到每个超级电容单体的可控开关的开闭驱动信号，进而控制可控开关的开闭，实现超级电容单体上的电荷转移实现温度控制。

进一步优选，所述重构控制模块中设有一致性跟踪器和重构控制器；

所述一致性跟踪器用于计算当前采集到的所有超级电容单体的温度的平均值，即平均温度；并计算当前采集到的每个超级电容单体的温度与平均温度的差值；

所述重构控制器基于当前采集到的每个超级电容单体的温度与平均温度的差值，分别产生每个超级电容单体对应的重构控制信号(每个超级电容单体的两个可控开关的通断控制信号)；

进一步优选，所述重构控制器采用dsp2808控制器，所述重构控制器通过gpio口连接所述信号驱动模块。

进一步优选，所述重构控制模块只需要一个，与超级电容单体的数量无关。所有超级电容单体匹配一个重构控制模块，可以实现超级电容的集总式寿命均衡。

进一步优选，所述传感采集模块包括：用于实现数据采集与电平转换的传感器、用于实现信号滤波的低通滤波电路、用于实现与外部编码器(外部编码器将电流、电压、温度等信号转化为对应的通讯信号)数据交互的双口ram、以及用于传输传感器信号至重构控制模块的通信芯片；

其中，所述传感器、低通滤波电路、双口ram和通信芯片依次连接；

双口ram与外部编码器连接；

通信芯片与重构控制模块连接；

所述传感采集模块中的传感器包括电压、电流和温度传感器，用于采集超级电容堆栈的端电压、输出电流和各个超级电容单体的温度。

进一步优选，所述通信芯片采用spi通信协议。

有益效果：

1、以往的寿命均衡方法只考虑了降低相关超级电容的充放电电流的充电状况，虽然能减缓超级电容的老化的速度，但不能取得很好的效果，小电流同样会使得超级电容老化加速，在超级电容堆栈的能源系统中，不同的超级电容状态不一样(比如端电压和内阻)，老化程度也不一样。在充放电过程中，这些参数的差异往往会影响系统充放电时的性能。比如老化严重的超级电容会在充放电的时候产生较大的热能，有可能会损坏超级电容使得整个堆栈无法正常工作，其次老化严重的超级电容放电时候的容量(端电压)相对也会降低得很快，这些问题就会造成堆栈中得单体不平衡。随着时间推移，这种不平衡将会更加严重，会加速老化严重得单体的老化速度。因此对于串联的超级电容堆栈，整体的寿命取决于老化最严重的个体。为了解决不平衡的问题，本发明提供的充电控制方法和系统采用可重构的超级电容堆栈拓扑结构，使得系统能根据不同超级电容的状态差异动态的调整超级电容间的连接方式。有关研究表明，老化程度相近的超级电容，在充放电时串联使用能使得这些超级电容寿命最大化。因为老化程度相近的超级电容在充放电的过程中，它们的充放电速度、温度、端电压都很相近，避免了和差异很大的个体之间的相互影响。本方法采用基于温度的致性重构控制，堆栈不会出现热逃逸或过充的现象，能最终实现超级电容单体寿命的一致性，提高储能效率，延长超级电容堆栈的寿命。

2、本发明通过对超级电容堆栈进行单体寿命的一致性跟踪，进而控制各超级电容单体两个可控开关的通断实现超级电容堆栈充放电的温度抑制，最终实现超级电容组单体寿命的真正均衡，使得超级电容堆栈的所有个体的使用寿命达到一致，提高系统的使用性能并延长超级电容使用寿命。

3、本发明将一致性跟踪器与重构控制器结合起来，重构控制器考虑一致性跟踪器的差值信号的大小范围的差异，相较于直接利用一致性跟踪器的差值信号进行控制的方式，本发明具有更简单且有效的控制方法，大大提高重构超级电容堆栈的工作效率。

5、本发明给每个超级电容单体配置两个可控开关，堆栈所有的开关构成开关阵列。每个超级电容单体配置两个可控开关，一个与其串联，使得超级电容能够自由地接入和切出；另外一个开关与超级电容并联，配合串联开关实现超级电容的接入和不影响其他单体工作的情况下切除该超级电容。

4、采用本发明所述的充放电控制方法和系统，对于可控开关的选择没有特殊要求，提高了本装置的适用性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的控制系统的模块示意图；

图2是本发明实施例提供的控制方法的流程图；

图3是本发明实施例提供的控制系统的电路示意图；

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。参见图1，本实施例提供的一种基于温度抑制的可重构超级电容堆栈的充放电控制系统包括：重构控制模块、信号驱动模块、传感采集模块和电源供电模块。如图3所示，超级电容堆栈包括相互串并联的超级电容单体以及每个超级电容单体的附属可控开关。本实施例中可控开关开闭的信号为pwm信号，因此开关可以采用现有的半导体开关。通过串联可控开关和并联可控开关进行超级电容堆栈的重构，即是否接入超级电容单体来控制超级电容充放电状态或者温度的上升趋势。

其中，重构控制模块采用通用输出端口连接信号驱动模块，信号驱动模块连接到超级电容堆栈中超级电容单体的可控开关上，重构控制模块通过信号驱动模块输出控制超级电容堆栈的开关控制信号，控制超级电容单体可控开关的通断，通过单体温度差异进行调节，实现超级电容单体充放电的控制；重构控制模块通过总线通信控制器与传感采集模块相连读取超级电容单体的温度信号；然后超级电容单体的温度送至重构控制模块作为重构控制算法调节的依据，从而实现超级电容单体的寿命一致性均衡。电源供电模块为整个均衡系统提供电源。

重构控制模块：用于超级电容堆栈的重构控制。本实施例中，重构控制模块只需要一个，与超级电容堆栈中超级电容单体的数量无关，即所有超级电容单体匹配一个重构控制模块，重构控制模块中设有一致性跟踪器和重构控制器，本实施例中一致性跟踪器和重构控制器是通过重构控制模块内部的程序软件来实现的。本实施例中重构控制模块选择为dsp2808控制器，该dsp2808控制器通过gpio口连接所述信号驱动模块。

信号驱动模块：接收重构控制模块的控制信号，进行电平转换将其转化为重构电路开关的驱动信号，可以控制超级电容单体的可控开关的通断，控制超级电容单体的接入和切出。

传感采集模块包括：用于实现与外部编码器数据交互的双口存储单元ram、用于实现与重构控制模块通信的通信芯片、用于实现数据采集与电平转换的传感器、以及用于实现信号滤波的低通滤波电路。传感器采集超级电容电压数据经过低通滤波器得到噪声较少的数据，其通信芯片连接到用于采集模拟量的传感器，重构控制模块通过外部地址数据总线和一双端口存储单元来与通信芯片连接，可以通过通信总线为重构控制模块提供超级电容的温度数据。本实施例中通信芯片采用spi通信协议。

电源供电模块：直流24v电压通过电源转换模块后为整个均衡系统提供电源，转换为±15v的正负电压为传感采集模块供电。转换为5v的电源用来给重构控制模块供电。如图2所示，直流24v电源首先经过emi滤波模块滤除高频干扰信号，然后通过dc-dc转换出稳定的±15v电源，来给传感采集模块供电；转换出的5v电源处理后供重构控制模块的dsp使用。

如图3所示，基于上述控制系统，本发明提供的一种基于温度抑制的可重构超级电容堆栈的充放电控制方法包括如下步骤：

步骤1：在超级电容堆栈充放电过程中，周期性采集每个超级电容单体的温度；

其中，每个超级电容单体相互串并联，且每个超级电容单体分别串并联一个可控开关，实现超级电容的接入和切出；

周期性采集温度为首先采集初始温度，再以初始温度采集时间为起始时刻并每隔一个周期采集一下每个超级电容单体的温度；

步骤2：根据每次采集到的每个超级电容单体的温度实时进行温度抑制处理(超级电容的接入和切出)；

步骤3：充放电全过程中使用电压、电流传感器实时测量超级电容堆栈的端电压和输出电流大小，并以此判定充电是否完成，或者是否停止放电或边充边放。具体来说，充电时超级电容堆栈端电压达到堆栈额定电压即表明充电完成；超级电容输出电流和端电压小于最小正常值则应停止放电，转为向超级电容堆栈充电或边充边放。

其中，当前采集到各个超级电容单体的温度后，进行温度抑制处理的过程如下：

a：计算当前采集到的所有超级电容单体的平均温度；

b：将计算出的平均温度以及每个超级电容单体的温度输入至一致性跟踪器得到每个超级电容单体的差值信号；

其中，在充放电过程中，比较每个超级电容单体的温度，只要有比较大的温度差异，则说明超级电容的老化程度不一样。每个超级电容单体的差值信号的获取方式如下：

式中，δmn(t)为当前，即第t次采集到的超级电容单体mn的温度与平均温度的差值，tmn(t)为当前采集到的超级电容单体mn的温度，为当前采集到的所有超级电容单体的平均温度。

c：温度差值信号反映超级电容的老化程度，温度越高说明超级电容老化越严重。通过温度差值信号，可以通过本发明中的重构控制器采用pid控制得到每个超级电容单体对应的重构控制信号(即超级电容的串并联开关的导通和关断控制信息)；

其中，重构控制信号为每个超级电容单体的可控开关的开闭控制信号；每个超级电容单体对应的重构控制信号的获取方式如下：

式中，δ(t)mn为超级电容单体mn串联的可控开关在一个控制周期内的导通时间占比，kp、τi和τd分别为比例参数、积分参数和微分参数，为δmn的微分，δmn(t-1)表示上一次，即第t-1次采集到的超级电容单体mn的温度与平均温度的差值。超级电容的温度反应了超级电容的使用寿命，然而充电电流对温度有决定性作用，可以通过可控开关的占空比实现充电电流的控制。

d：根据每个超级电容单体的重构控制信号控制每个电容单体的可控开关的开闭，实现超级电容单体的接入和切出控制，以便控制超级电容单体与超级电容堆栈之间的电流转移来实现超级电容单体的温度抑制。

每个超级电容单体配置两个可控开关，一个与其串联，使得超级电容能够自由地接入和切出；另外一个开关与超级电容并联，配合串联开关实现超级电容的接入和不影响其他单体工作的情况下切除该超级电容。

本项目的开发由国家自然科学基金项目61672539，61672537，61803394，61873353提供部分支持。

需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。