专利名称：超级电容器的充电装置及充电方法
技术领域：
本发明涉及超级电容器充电技术领域，尤其涉及的是一种超级电容器充电方法以及使用该方法的超级电容器充电系统。
背景技术：
如何使用储能设备提高电源给负载提供能量的效率一直是分布式发电系统中变换器和变流器设计的要点。当能量来自可再生能源，如光伏电池或者风机时，储能设备的使用可以起到平滑功率、提供夜间能量来源等重要作用。最大功率点跟踪控制多通过和光伏电池或者风机并联的DC/DC变换器实现，但是在此种控制方式下，变换器输出直流母线电压会在一个范围内动态变化，如果直接使用其给超级电容器充电，因为输出电压不可控制，造成在超级电容器端电压和母线电压差较大时，如充电初期，充电电流过大，在超级电容器等效串联电阻上消耗的功率大，因此充电效率很低。因此，需要定量分析不同充电方式下光伏电池对超级电容器的充电效率，从而设计出合适的充电算法，并结合具体的充电系统进行实现。
发明内容
技术问题本发明的目的在于提供一种超级电容器的充电装置及充电方法，运用本发明公开的超级电容器充电方法对超级电容器进行充电，可以提高充电电源对超级电容器的充电效率。技术方案本发明的超级电容器的充电装置包括
检测单元包括电压传感器、电流传感器，检测超级电容器Q的端电压、充电电流和充电电源最大充电功率；
充电控制芯片包括内核、采样保持器、脉宽调制模块、通用接口 ；充电控制芯片中的采样保持器与检测单元相连，根据检测到的电压、电流和功率值，计算对超级电容器Q的充电电流；脉宽调制模块的输出端接直流斩波电路中的开关器件Q的控制端，向直流斩波电路中的开关器件Q发出控制指令，并通过通用接口控制短路开关的通断；
直流斩波电路由稳压电容Cbus、开关器件Q、续流二极管D、电感L组成，用于获得设定的充电电流；直流斩波电路中的开关器件Q的漏极D连接到续流二极管D的阴极和电感L，开关器件Q的栅极G连接到脉宽调制模块，限流电阻与超级电容器Q串联；
限流电阻接在短路开关的发射极与集电极之间，用于在充电开始阶段限制充电电流； 短路开关为继电器、直流接触器或电子开关，用于在限流充电方式开始时短路限流电阻。所述的开关器件Q为电力场效应管M0SFET、电力晶体管GTR或绝缘栅双极晶体管 IGBT的半导体开关管；所述的续流二极管D为肖特基二极管或超快恢复二极管。本发明的超级电容器的充电装置的充电方法具体为
预设有第一电压阈值、第二电压阈值和第三电压阈值，且所述第一电压阈值小于第二电压阈值，第二电压阈值小于第三电压阈值；
a.在充电开始阶段，使用软启动充电方式；
b.在超级电容器端电压和其能承受的最大充电电流的乘积小于充电电源所能提供的最大充电功率时，使用限流充电方式；
c.在超级电容器端电压和其能承受的最大充电电流的乘积大于等于充电电源所能提供的最大充电功率时，使用恒功率充电方式。当超级电容器Q电压低于第一电压阈值时，使用软启动充电方式；当超级电容器电压高于第一电压阈值低于第二电压阈值时，使用限流充电方式；当超级电容器电压高于第二电压阈值低于第三电压阈值时，使用恒功率充电方式。在步骤a中，软启动充电方式通过和超级电容器串联的一个限流电阻实现；在步骤b中，限定的充电电流为超级电容器所能承受的最大充电电流乘以0. 5^0. 8 ；在步骤c 中，充电电流的参考值由充电电源的最大充电功率和损耗功率之差乘以0. 8^0. 9获得。有益效果使用本发明公开的超级电容器的充电装置及充电方法，运用本发明公开的超级电容器充电方法对超级电容器进行充电，可以提高充电电源对超级电容器的充电效率，即提高充电电源充电能量转化为超级电容器存储能量的比例。
图1是本发明充电方法的流程图； 图2是本发明充电系统的拓扑结构图。其中有
101 软启动充电阶段， 102:限流充电阶段， 103 恒功率充电阶段，
201检测单元，
202充电控制芯片，
203直流斩波电路，
204限流电阻，
205短路开关。
具体实施例方式本发明公开了一种超级电容器充电系统，包括
检测单元，检测超级电容器端电压、充电电流、充电电源最大充电功率； 充电控制芯片，与检测单元相连，根据检测到的电压、电流和功率值，计算对超级电容器的充电电流，向直流斩波电路中的开关器件发出控制指令，并控制短路开关的通断； 直流斩波电路，用于获得设定的充电电流； 限流电阻，用于在充电步骤a中限制充电电流； 短路开关，用于在步骤b开始时短路限流电阻。其中，直流斩波电路由开关器件Q、续流二极管D、电感L组成。所述的开关器件Q 为电力场效应管M0SFET、电力晶体管GTR或绝缘栅双极晶体管IGBT的半导体开关管。所述的续流二极管D为肖特基二极管或超快恢复二极管。短路开关为继电器、直流接触器或电子开关。本发明公开了一种对超级电容器充电的方法，包括以下步骤
a.在充电开始阶段，使用软启动充电方式；
b.在超级电容器端电压和其能承受的最大充电电流的乘积小于充电电源所能提供的最大充电功率时，使用限流充电方式；
c.在超级电容器端电压和其能承受的最大充电电流的乘积大于等于充电电源所能提供的最大充电功率，且超级电容器端电压低于额定值时，使用恒功率充电方式。预设有第一电压阈值、第二电压阈值和第三电压阈值，且第一电压阈值小于第二电压阈值，第二电压阈值小于第三电压阈值。当超级电容器电压低于第一电压阈值时，使用步骤a充电方式、当超级电容器电压高于第一电压阈值低于第二电压阈值时，使用步骤b充电方式，当超级电容器电压高于第二电压阈值低于第三电压阈值时，使用步骤c充电方式。在步骤a中，软启动充电方式通过和超级电容器串联的一个限流电阻实现。在步骤b中，限定的充电电流为超级电容器所能承受的最大充电电流乘以一个比例系数。在步骤c中，充电电流的参考值由充电电源的最大充电功率和损耗功率之差乘以一个比例系数获得。下面结合附图对本发明的实施方式和具体的操作过程做出说明，但本发明的保护范围不限于下述的具体说明。图1中所示的是本发明充电系统的充电方法的流程图。图2是本发明的充电系统。 该系统由检测单元201、充电控制芯片202、直流斩波电路203、限流电阻204、短路开关205 组成。其中，直流斩波电路203由开关器件Q、续流二极管D、电感L组成。检测单元201用于采集检测超级电容器端电压^。、充电电流/3。、充电电源最大充电功率&，充电控制芯片202负责处理检测单元201的采样值，并与损耗功率/^ss、最大充电电流/s。max、直流斩波电路最小输出电压K。min共同计算获得充电系统所处充电步骤，并控制直流斩波电路203中的开关器件Q以及短路开关205。本发明的充电系统的充电方法分为以下步骤
步骤101 第一电压阈值即为直流斩波电路203最小输出电压K。min。在超级电容器端电压&。达到直流斩波电路最小输出电压K。min之前，充电控制芯片202控制短路开关205断开，此时通过限流电阻204，使用开关器件Q所能允许的最小占空比对超级电容进行充电， 当电容器端电压、等于第一电压阈值之后，充电控制芯片202控制短路开关205断开闭合，限流电阻204被短路，步骤(1)结束。步骤102 充电系统限定的最大充电电流/。_为超级电容器所能承受的最大充电电流乘以一个比例系数(通常为0. 5、. 8)，第二电压阈值为/7。//。_，当超级电容器端电压 k压超过第一电压阈值同时低于第二电压阈值时，充电控制芯片202控制直流斩波电路 203产生的充电电流不超过充电系统限定的最大充电电流/。max，当电容器端电压k等于第二电压阈值之后，步骤⑵结束。步骤103 第三电压阈值为超级电容器的额定电压，当超级电容器端电压、压超过第二电压阈值同时低于第三电压阈值时，充电系统工作在恒功率充电状态，具体方式为，检测单元201采集超级电容器充电电流is。和端电压^。，计算出的超级电容当前充电功率和充电电源最大充电功率Λ及损耗功率之差ΔΛ并乘以一个比例系数(通常为 0. 8^0. 9)，作为直流斩波电路203输出电流的控制量，该控制量由充电控制芯片202处理并产生直流斩波电路203中开关器件Q的控制信号，当电容器端电压6。等于第三电压阈值之后，步骤(3)结束。
权利要求
1.一种超级电容器的充电装置，其特征在于该装置包括检测单元(201)包括电压传感器、电流传感器，检测超级电容器Q的端电压、充电电流和充电电源最大充电功率；充电控制芯片(202)包括内核、采样保持器、脉宽调制模块、通用接口 ；充电控制芯片 (202)中的采样保持器与检测单元相连，根据检测到的电压、电流和功率值，计算对超级电容器C^的充电电流；脉宽调制模块的输出端接直流斩波电路(203)中的开关器件Q的控制端，向直流斩波电路(203)中的开关器件Q发出控制指令，并通过通用接口控制短路开关 (205)的通断；直流斩波电路(203)由稳压电容Cbus、开关器件Q、续流二极管D、电感L组成，用于获得设定的充电电流；直流斩波电路(203)中的开关器件Q的漏极D连接到续流二极管D的阴极和电感L，开关器件Q的栅极G连接到脉宽调制模块，限流电阻(204)与超级电容器Q串联；限流电阻(204)接在短路开关(205)的发射极与集电极之间，用于在充电开始阶段限制充电电流；短路开关(205)为继电器、直流接触器或电子开关，用于在限流充电方式开始时短路限流电阻(204)。
2.根据权利要求1所述的超级电容器的充电装置，其特征在于所述的开关器件Q为电力场效应管M0SFET、电力晶体管GTR或绝缘栅双极晶体管IGBT的半导体开关管；所述的续流二极管D为肖特基二极管或超快恢复二极管。
3.—种如权利要求1所述的超级电容器的充电装置的充电方法，其特征在于该充电方法具体为预设有第一电压阈值、第二电压阈值和第三电压阈值，且所述第一电压阈值小于第二电压阈值，第二电压阈值小于第三电压阈值；a.在充电开始阶段，使用软启动充电方式；b.在超级电容器端电压和其能承受的最大充电电流的乘积小于充电电源所能提供的最大充电功率时，使用限流充电方式；c.在超级电容器端电压和其能承受的最大充电电流的乘积大于等于充电电源所能提供的最大充电功率时，使用恒功率充电方式。
4.根据权利要求3所述的超级电容器的充电装置的充电方法，其特征在于当超级电容器Q电压低于第一电压阈值时，使用软启动充电方式；当超级电容器电压高于第一电压阈值低于第二电压阈值时，使用限流充电方式；当超级电容器电压高于第二电压阈值低于第三电压阈值时，使用恒功率充电方式。
5.根据权利要求3所述的超级电容器的充电装置的充电方法，其特征在于在步骤a 中，软启动充电方式通过和超级电容器串联的一个限流电阻实现；在步骤b中，限定的充电电流为超级电容器所能承受的最大充电电流乘以0. 5^0. 8 ；在步骤c中，充电电流的参考值由充电电源的最大充电功率和损耗功率之差乘以0. 8^0. 9获得。
全文摘要
本发明是一种超级电容器的充电装置及充电方法,运用本发明公开的超级电容器充电方法对超级电容器进行充电，可以提高充电电源对超级电容器的充电效率。充电方法为a．在充电开始阶段，使用软启动充电方式；b．在超级电容器端电压和其能承受的最大充电电流的乘积小于充电电源所能提供的最大充电功率时，使用限流充电方式；c．在超级电容器端电压和其能承受的最大充电电流的乘积大于等于充电电源所能提供的最大充电功率时，使用恒功率充电方式。
文档编号H02J7/00GK102403770SQ20111040103
公开日2012年4月4日 申请日期2011年12月7日 优先权日2011年12月7日
发明者胡仁杰, 蒋玮, 黄学良, 黄慧春 申请人:东南大学