一种模块化串联型超级电容器的均压控制方法与流程

本发明涉及一种超级电容器的均压控制方法，尤其模块化串联型超级电容器的均压控制方法。

背景技术：

由于超级电容器单体端电压一般较低，在大多数应用中，需要将它们串联连接以达到使用要求。在对这样一个串联连接的串联电池模组进行充电时，应该保证每个单体的电压相对均衡，即所谓的均压充电。但是，若电池模组中存在一个质量差的单体，该模组将会被过充电，使得模组电压高于正常情况或电池温度升高，进而影响其他单体，最终可能导致电池模组使用寿命的减少，其稳定性与效率降低，甚至导致系统崩溃。因此必须采取相应的措施来防止这种电压不均衡情况的发生。目前超级电容器的均压(电压均衡)方法主要包括能耗型与能量转移型，其中能耗型结构简单但效率低，能量转移型效率高但控制相对复杂、成本高。同时，这两种方法基本未考虑在充电过程中电池单体损坏时电池如何继续进行充放电均压控制。此外，目前的电压均衡方法主要应用于蓄电池，而针对超级电容器的均压方法研究成果不多。因此，研究超级电容器在充放电过程中某个单体损坏时继续进行充放电均压控制，具有重要的实际与理论价值。

如公开文献(CN104485703A)公开的一种锂离子储能电池电压均衡方法及其电路，其电路包括至少一有2个电池单体串联的电池组、电压采样电路、可控制电压采样电路及接收其反馈数据的DSP电路和DSP电路控制的双向DC/DC变流电路，针对N个电池单体，双向DC/DC变流电路包括至少N-1个均衡单元，均衡单元包括2个电池单体(BT1、BT2)，2个N-MOS型场效应管(g1、g2)，2个二极管，2个电感(L1，L2)和电容(C1)。该电路通过电压采样电路监测电池组的各电池单体信息，再将电压采样电路的信息反馈给DSP电路，由DSP电路来确定需要均衡的电池单体，并控制均衡单元进行均衡控制，从而实现电池充放电均衡控制。但其结构、控制复杂，且还需电感(L1，L2)和电容(C1)等器件，造成电路成本较高，同时，因未考虑某一个电池单体在充放电过程中损坏时提供一个充放电电流通路来实现均衡控制，易造成充放电过程因某一个电池单体损坏而导致充放电中断的后果，因而不利于实现推广应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术中均衡控制电路的缺点，提出一种结构与控制简单、所需开关器件较少的模块化电容器均压控制电路，其损耗小、能量转换效率高，并基于该均压控制电路提出一种在不影响其它电容器单体充放电状态前提下剔除损坏电池单体后实现串联型超级电容器充放电均压控制方法。

本发明的模块化串联型超级电容器均压控制电路包括：N个电容器单体(SC₁～SC_n)、N个模块化开关组(K₁～K_n)、1个充电均压控制单元(1)、1个放电均压控制单元(2)、1个电压检测电路(3)、1个直流电源、1个直流负载，其中N为自然数，每个模块化开关组由1个充放电开关组与1个均压开关组并联而成，充放电开关组是由1个开关管(Q₁₁～Q_1n)与1个二极管(D₁₁～D_1n)并联而成，均压开关组则由1个开关管(Q₂₁～Q_2n)与1个二极管(D₂₁～D_2n)并联，具体拓朴结构为：直流电源(4)或直流负载(5)接第一电容器单体SC₁的输入端，SC₁的输出端与模块化开关组K₁中的开关管Q₁₁及二极管D₁₁的输入端相连，开关管Q₁₁及二极管D₁₁的输出端与第二个电容器单体SC₂的输入端相连，第一个电容器单体SC₁的输入端与模块化开关组K₁中的开关管Q₂₁及二极管D₂₁的输入端相连，开关管Q₂₁及二极管D₂₁的输出端与第二个电容器单体SC₂的输入端相连；类似地，第二个电容器单体SC₂的输出端与模块化开关组K₂中的开关管Q₁₂及二极管D₁₂的输入端相连，开关管Q₁₂及二极管D₁₂的输出端与第三个电容器单体SC₃的输入端相连，第二个电容器单体SC₂的输入端与模块化开关组K₂中的开关管Q₂₂及二极管D₂₂的输入端相连，开关管Q₂₂及二极管D₂₂的输出端与第三个电容器单体SC₃的输入端相连；类似地，第n个电容器单体SC_n的输出端与模块化开关组K_n中的开关管Q_1n及二极管D_1n的输入端相连，开关管Q_1n及二极管D_1n的输出端与超级电容器负极相连，第n个电容器单体SC_n的输入端与模块化开关组K_n中的开关管Q_2n及二极管D_2n的输入端相连，开关管Q_2n及二极管D_2n的输出端与超级电容器负极相连。该电路由电压检测电路(1)检测各电容器单体(SC₁～SC_n)端电压，并将电压值分别反馈给放电均压控制单元(2)、充电均压控制单元(3)；放电均压控制单元(2)与充电均压控制单元(3)根据电压检测电路(1)反馈的各电容器单体SC₁～SC_n)电压值与给定值进行比较，来判断各电容器单体的好坏与否，并控制模块化开关组中开关管及二极管的导通与关断来剔除损坏的电池单体，在不影响其它电容器单体充放电状态前提下实现串联型超级电容器充放电均压控制。

所述模块化电容器充电均压控制过程为：正常充电时，各开关管(Q₁₁～Q_1n)断开，各二极管(D₁₁～D_1n)正向导通，充电电流由直流电源(4)向第一个电容器单体SC₁的输入端流入，经第1个二极管D₁₁，再流入第二个电容器单体SC₂的输入端，再经第2个经第2个二极管D₁₂，再流入下一个电容器单体的输入端，类似地，直止最后经第n个二极管D_1n的输出端接超级电容器负极；当充电均压控制单元检测到某单体SC_k电压上升异常时，并判断其为坏状态，则控制均压开关组来开通对应的开关管Q_2k，该异常单体将被剔除，充电电流不再经过第k个模块化开关组中对应二极管D_1k，而经过第k个模块化开关组中对应开关管Q_2k，k为自然数。

所述电容器放电均压控制过程为：正常放电时，各开关管(Q₁₁～Q_1n)闭合，充电电流经第n个开关管Q_1n，再从第n个电容器单体SC_n输出，再流入下一个开关管及电容器单体，类似地，直止最后经第1个开关管Q₁₁，从第1个电容器单体SC₁输出接超级电容器正极向直流负载(5)供电；当放电均压控制单元检测到某单体SC_k电压上升异常时，并判断其为坏状态，则控制均压开关组来关断对应的开关管Q_1k，该异常单体将被剔除，充电电流不再经过第k个模块化开关组中对应开关管Q_1k，而经过第k个模块化开关组中对应二极管D_2k。

模块化超级电容器均压控制电路中的开关管(Q₁₁～Q_1n)及开关管(Q₂₁～Q_2n)可为IGBT或MOSFET，二极管(D₁₁～D_1n)及二极管(D₂₁～D_2n)可为普通二极管或肖特基二极管或MOSFET型二极管，放电均压控制单元为单片机、DSP、ARM等芯片中的一种，直流电源为蓄电池、燃料电池或光伏电池等新型储能电源中的一种。

本发明的模块化串联型超级电容器均压控制电路结构与控制简单、所需开关器件较少，损耗小、能量转换效率高，能在不影响其它电容器单体充放电状态前提下剔除损坏电池单体，实现串联型超级电容器充放电均压控制方法。

附图说明

图1为现有的串联型电池均压控制电路结构图；

图2为本发明的模块化串联型超级电容器均压控制电路结构图；

图3为本发明的充电时第2个电容器单体损坏时均压控制电路结构图。

图4为本发明的放电时第2个电容器单体损坏时均压控制电路结构图；

具体实施方式

下面结合具体的实例对本发明作进一步的详细说明，所述为对本发明的解释而不是限定。

由图2可知，本发明的电容器均压控制电路包括N个电容器单体(SC₁～SC_n)、N个模块化开关组(K₁～K_n)、1个充电均压控制单元(1)、1个放电均压控制单元(2)、1个电压检测电路(3)、1个直流电源、1个直流负载，其中N为自然数，每个模块化开关组由1个充放电开关组与1个均压开关组并联而成，充放电开关组是由1个开关管(Q₁₁～Q_1n)与1个二极管(D₁₁～D_1n)并联而成，均压开关组则由1个开关管(Q₂₁～Q_2n)与1个二极管(D₂₁～D_2n)并联，具体拓朴结构为：直流电源(4)或直流负载(5)接第一电容器单体SC₁的输入端，SC₁的输出端与模块化开关组K₁中的开关管Q₁₁及二极管D₁₁的输入端相连，开关管Q₁₁及二极管D₁₁的输出端与第二个电容器单体SC₂的输入端相连，第一个电容器单体SC₁的输入端与模块化开关组K₁中的开关管Q₂₁及二极管D₂₁的输入端相连，开关管Q₂₁及二极管D₂₁的输出端与第二个电容器单体SC₂的输入端相连；类似地，第n个电容器单体SC_n的输出端与模块化开关组K_n中的开关管Q_1n及二极管D_1n的输入端相连，开关管Q_1n及二极管D_1n的输出端与超级电容器负极相连，第n个电容器单体SC_n的输入端与模块化开关组K_n中的开关管Q_2n及二极管D_2n的输入端相连，开关管Q_2n及二极管D_2n的输出端与超级电容器负极相连。该电路由电压检测电路(1)检测各电容器单体(SC₁～SC_n)端电压，并将电压值分别反馈给放电均压控制单元(2)、充电均压控制单元(3)；放电均压控制单元(2)与充电均压控制单元(3)根据电压检测电路(1)反馈的各电容器单体SC₁～SC_n)电压值与给定值进行比较，来判断各电容器单体的好坏与否，并控制模块化开关组中开关管及二极管的导通与关断来剔除损坏的电池单体，在不影响其它电容器单体充放电状态前提下实现串联型超级电容器充放电均压控制。

所述模块化电容器充电均压控制过程为：正常充电时，各开关管(Q₁₁～Q_1n)断开，各二极管(D₁₁～D_1n)正向导通，充电电流由直流电源(4)向第一个电容器单体SC₁的输入端流入，经第1个二极管D₁₁，再流入第二个电容器单体SC₂的输入端，再经第2个经第2个二极管D₁₂，再流入下一个电容器单体的输入端，类似地，直止最后经第n个二极管D_1n的输出端接超级电容器负极；当充电均压控制单元检测到第2个单体SC₂电压上升异常时，并判断其为坏状态，则控制均压开关组来开通对应的开关管Q₂₂，该异常单体将被剔除，充电电流不再经过第2个模块化开关组中对应二极管D₁₂，而经过第2个模块化开关组中对应开关管Q₂₂，图3为充电时第2个电容器单体损坏时均压控制电路结构图。

所述电容器放电均压控制过程为：正常放电时，各开关管(Q₁₁～Q_1n)闭合，充电电流经第n个开关管Q_1n，再从第n个电容器单体SC_n输出，再流入下一个开关管及电容器单体，类似地，直止最后经第1个开关管Q₁₁，从第1个电容器单体SC₁输出接超级电容器正极向直流负载(5)供电；当放电均压控制单元检测到第2个单体SC₂电压上升异常时，并判断其为坏状态，则控制均压开关组来关断对应的开关管Q₁₂，该异常单体将被剔除，充电电流不再经过第2个模块化开关组中对应开关管Q₁₂，而经过第2个模块化开关组中对应二极管D₂₂，图4为充电时第2个电容器单体损坏时均压控制电路结构图。

模块化超级电容器均压控制电路中的开关管(Q₁₁～Q_1n)及开关管(Q₂₁～Q_2n)可为IGBT或MOSFET，二极管(D₁₁～D_1n)及二极管(D₂₁～D_2n)可为普通二极管或肖特基二极管或MOSFET型二极管，放电均压控制单元为单片机、DSP、ARM等芯片中的一种，直流电源为蓄电池、燃料电池或光伏电池等新型储能电源中的一种。