一种适用于超级电容的成组方式与充放电控制方法与流程

本发明涉及新能源领域，用于超级电容组的安全控制以及充放电控制。涉及储能型超级电容的成组方式与充放电控制。涉及混合动力电动汽车技术以及其他使用超级电容器储能设备，具体的说是一种适用于超级电容的成组方式与充放电控制方法。

技术背景

现阶段超级电容的充电方式为直接串联充电，当保护板检测到超级电容即将过充的情况下会开启单体电容泄流；充电过程中会产生短板效应，并且短板效应会累加；容量最低的电容会先充满，之后泄流电路就会开启，这部分能量会被作为热能白白耗散掉；并且每一个单体都需要连接电压检测电路和泄流电路，能量利用率较低；充电功率必须小于泄流功率，否则，很容易导致电容过充。

此外，单体电容器的耐压值很低，所以只能储存2v左右的电压。如果需要驱动一个48伏的负载，就要很多电容器串联起来。将耐压值提高上去，超级电容器也是遵循电容串并联规律的。和普通电容器一样，储存的是电场能。规律如下：

把几个电容器的极首尾相接，连成一串，这就是电容器的串联。

电容器的串联有以下几个特点：

①每个电容器上所带的电荷都相等，并等于电容器串联后的等效电容器上所带的电荷；

②总电压等于各个电容器两端的电压之和；

③串联电容器的等效电容的倒数，等于各个电容器的电容的倒数之和。

电容器的并联有以下几个特点：

①各个电容器两端的电压都相等，并等于外加电压；

②并联电容器的等效电容器所带电荷，等于各个电容器的电荷之和；

③并联后的等效电容等于各个电容器电容之和。

多电容器并联计算公式：c＝c1+c2+c3+…+cn

多电容器串联计算公式：1/c＝1/c1+1/c2+…+1/cn

三电容器串联：c＝(c1*c2*c3)/(c1*c2+c2*c3+c1*c3)

由上述和公式可以看出。电容器并联过程容量是增加的。能量密度不变。如果将电容器串联起来。串联多少个电容器，能量密度将减少多少倍。

比如两个300f电容耐压值2.7v容量之和为2.7v600f串联之后变为150f5.4v，如果三个串联变为100f8.1v，相当于多组串联容量仅为一个电容的能量。串联越多能量密度降低越多。又因为电容器要比化学蓄电池的能量密度本身就小很多。电容器的串联特性，更加剧了其能量密度的降低。所以电池串联效应的能量密度降低是超级电容应用的一大障碍，但为了提高储存电压又不得不这样成组。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，而提供一种大容量、高效、损耗小，克服电容串联后能量密度会严重降低的特性的一种适用于超级电容的成组方式与充放电控制方法。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案实现的：

一种适用于超级电容的成组方式与充放电控制方法，电容在串联之后会形成新的等效电容，储存的电荷量是按照新的等效电容为基准的，而电容在串联之前不存在这个特性，如果在串联之前，先行将电荷储存，再串联就能避免电容在串联之后，容量减小的问题，所以使用并联充电，串联放电的思路，通过继电器或半导体元件进行控制，相对于增加的继电器与半导体元器件的价格还是体积而言，减小的电容使用量，可以节约极大的成本与体积重量；本方法在充电中，只需要增加保护电路，不需要单独的泄流与保护电路。

开关电路的控制。由于开关电路自身需要功耗，在电容储能的应用当中。应考虑在电容放电的时候，不耗能。而在充电的时候耗能，所以使用常闭常开继电器共同使用，在半导体作为开关元器件的层面上，要尽量选取内阻低，门线电压低的半导体开关元器件。

前述的一种适用于超级电容的成组方式与充放电控制方法，其特征在于：采用串联放电并联充电的方式，在并联的过程中，电容器容量c不会发生改变，当电容充满电之后，电荷量q是一定的，充电电压u也是一定的，根据能量守恒，这时电容储存的能量是一定的，i＝qt，e＝uit；当电容并联充满电之后，由于每个电容的能量是一定的，然后再进行串联，在首次放电的过程，整体的能量密度，等于所有电容的能量密度之和。

首次放电的过程，由于电容已储能根据能量守恒，将不遵循串联等效电容的规律，所以也不存在，能量密度严重降低的问题，但如果首次放电结束之后，这时候继续串联充电，将遵循电容串联规律，所以需要重复操作，将串联电路断开，改为电容并联继续充电。电容并联充满电之后，关闭并联电路，打开串联电路。

本发明这样的充放电方式，将直接解决，电容器串联之后，能量密度减小的问题。比如获得600f48v的储能效果，使用300f2.7v的电容器单体，根据电容器串并联公式计算，采用传统方案，则需要18串36并，一共648节单体电容器。而使用本方案只需要36节电容器。用量仅为1/18；再比如获得600f270v的储能效果，使用300f2.7v的电容器单体，根据电容器串并联公式计算，采用传统方案，则需要100串200并，一共20000节单体电容器。而使用本方案只需要200节电容器用量仅为1/100。

由于此方法极大的减少电容器的用量，与传统方式相比，此方法的用量仅为串联数量的倒数，所以极大的降低了电容器的用量，也极大的降低了成本。

附图说明

图1为本发明的电容成组方式与开关控制电路图。

图2为本发明的大型电容模组及充放电控制电路图。

图3为本发明的小型电容模组及充放电控制电路设计。

具体实施方式

下面结合附图说明，对本发明作进一步的阐述。

图1至图3为本发明的优选方式，其显示了一种适用于超级电容的成组方式与充放电控制方法，其特征在于：电容在串联之后形成新的等效电容，储存的电荷量按照新的等效电容为基准，而电容在串联之前不存在这个特性，如果在串联之前，先行将电荷储存，再串联就能避免电容在串联之后，容量减小的问题；所以使用并联充电，串联放电的思路，通过继电器或半导体元件组成的开关电路进行控制，只需要增加保护电路，不需要单独的泄流与保护电路。

前述的一种适用于超级电容的成组方式与充放电控制方法，其特征在于：所述开关电路自身需要功耗，在电容储能的过程中不耗能，而在充电的时候耗能，所以使用常闭常开继电器；在半导体作为开关元器件的层面上，要尽量选取内阻低，门线电压低的半导体开关元器件。

前述的一种适用于超级电容的成组方式与充放电控制方法，其特征在于：继电器用于大型电容模组的充放电控制电路；半导体用于小型电容模组的充放电控制电路中。

前述的一种适用于超级电容的成组方式与充放电控制方法，其特征在于：所述电容成组方式与开关控制电路，由电容组1……n、开关s1……sn、导线组成，所述电容组为多个电容并联组成，各电容组之间通过开关s3、s6、s9...sn-3串联后，并接地；所述电容组的正极分别通过开关s1、s4、s7…sn-1与电源的正极并联，负极分别通过开关s2、s5、s8…sn接地。

前述的一种适用于超级电容的成组方式与充放电控制方法，其特征在于：所述大型电容模组的充放电控制电路由常闭常开继电器和电容组、导线构成，所述电容组为多个电容并联组成，各电容组之间通过常闭常开继电器串联后，并接地；所述常闭常开继电器的线圈与12v直流电源并联；所述常闭常开继电器为relay-dpdt双刀双掷(两组触点，两常开两常闭)。

如图2所示，电容器先经过并联，然后再经过控制继电器进行串联，串联电路连接继电器的常闭触点，继电器有两组，常开常闭触头，当电容需要充电的时候，控制继电器线圈得电，常闭转为常开，常开转为常闭，这时候，从图上可以看出，全部的电容器，通过控制继电器形成了并联关系，这时候外部恒流充电器对其进行充电，当电容器满电之后，断开外部恒流充电器，控制继电器线圈掉电，电容串并联关系发生改变，电容组为通过继电器，形成串联关系，这时电容可进行放电。

前述的一种适用于超级电容的成组方式与充放电控制方法，其特征在于：所述小型电容模组的充放电控制电路由低压降mos管组、电容组、光电耦合器组、电阻构成，所述电容组为多个电容并联组成；所述电容组的正负极分别与低压降mos管组q1、q2、q5、q6、q9、q10的输出端连接，低压降mos管组q2、q5和q6、q9的k1极相互连接；所述的电容组之间通过并联的低压降mos管q3、q4，q7、q8，q11、q12连接，所述的低压降mos管q3、q7、q11的g极分别与电阻r1、r3、r5并联后，与低压降mos管q4、q8、q12的g极并联；所述电阻r1、r3、r5分别与电容组的负极串联；所述光电耦合器组u1、u2、u3中三极管的发射极分别与低压降mos管q4、q8、q12的g极连接，光电耦合器组中三极管的集电极分别与电容组的正极连接；所述电耦合器组u1、u2、u3中发光二极管的负极接地，正极分别与电阻r2、r4、r6串联导通。如图3，低压降mos管接入充电高电平信号时，n沟道mos管导通，p沟道mos管截止，这时通过mos管的所有电容器组成并联关系；当充电信号结束，p沟道mos管恢复常态导通，n沟道mos管截止，通过mos管的电容器组成了串联关系，然后进行放电。

本发明电容器放电，不需要保护，而充电的时候需要保护，因为电容器有耐压值。而此方法是所有电容器并联起来充电的，根据并联定律并联电压相等；所以充电过程中只需要总压保护与保护关断；而不需要单独的过压保护电路与泄流电路，相对于传统的限流保护电路而言，继电器电路消耗的电能要小很多。