一种车载超级电容的异步补偿均压装置和控制方法与流程

本发明属于无弓网轨道交通储能技术领域，涉及一种车载超级电容的异步补偿均压装置和控制方法。

背景技术：

超级电容是一种新兴绿色储能元件，具备能量密度高、放电电流大和使用寿命长等传统储能元件无可比拟的优越性，广泛应用于电网储能、新能源汽车和轨道交通等众多领域。储能式城轨采用超级电容作为其唯一动力源，不仅可以避免由架设牵引电网所带来的安全和成本问题，还可以提高制动过程中能量循环利用效率。超级电容单元电压较低，为满足储能容量需求，必须将大量单体串并联组合后使用；由于生产工艺问题，超级电容单元间存在不可避免的特性差异，易造成串联单体间电压不均衡，严重影响超级电容储能效率和使用寿命。因此，设计快速高效的超级电容电压均衡系统和有效的控制算法是至关重要的。

现有超级电容电压均衡技术研究成果集中在各种各样的超级电容电压均衡电路拓扑的设计与改进上，但目前的方法电路结构与控制策略复杂，动态效果差，迫切需要对当前的均衡电路进行结构优化设计，使其能够满足储能式城轨超级电容的均压速度、精度以及安装尺寸等各方面的要求，另一方面，传统的电压均衡策略没有考虑电容单体的内阻，均衡效果受影响。

技术实现要素：

本发明是为了解决城市轨道交通超级电容储能系统电压不均衡，严重影响超级电容储能效率和使用寿命的问题，提出了一种车载超级电容的异步补偿均压装置和控制方法，均衡效果好、效率高。

为了达到上述目的，本发明所提供的技术方案为：

一种车载超级电容的异步补偿均压装置，包括：dc/ac单元、n个同步整流单元，电压电流采集单元和控制单元；

所述车载超级电容包括相互串联的n个超级电容单元；

所述dc/ac单元的直流侧与车载超级电容的正负极连接，dc/ac单元的交流侧具有n个输出端；n个输出端分别与n个同步整流单元的交流侧连接；n个同步整流单元的直流侧分别与n个超级电容单元的正负极连接；

所述电压电流采集单元的输入端用于采集超级电容单元的端电压和各同步整流单元的输出电流，输出端连接控制单元的输入端；

控制单元的多个输出端分别与dc/ac单元和n个同步整流单元的控制端连接；控制单元主要负责对电压电流采集单元采集的电压和电流信号进行分析处理，并依据控制策略对均衡对象控制命令，同时提供过流过压保护和实时监测功能。

进一步地，还包括与控制单元相连的上位机，通过控制单元将电压电流采样单元采集的同步整流输入输出电压和电流送到上位机，采集数据存储为文本格式，通过对数据分析计算，实现对电路状态观测和控制策略分析。

进一步地，所述dc/ac单元，采用具有多输出隔离变压器的推挽正激拓扑结构，推挽正激拓扑结构在传统推挽拓扑结构的基础上，在隔离变压器原边的两个绕组和两个开关管之间增加了一个钳位电容，能改善输入纹波电流大、关断电压尖锋高的问题，也可以吸收变压器的漏感能量并将能量回馈到输入端，将能量从原边传递到副边，实现均衡。推挽正激变换器以其电路结构简单、高变压器体积小、磁芯利用率、过载能力强等优点广泛应用于低压大电流场合。

进一步地，所述同步整流单元采用基于mosfet构建的全桥同步整流器，连接在变压器次级多路输出端。为了获得高效率低功耗，采用通态电阻低的ir公司的irfs7434-7ppbf型mosfet代替整流二极管实现可控全桥同步整流，减小整流损耗，提高均衡精度，导通阻抗典型值为0.7mω；同步整流单元开启(使能)时，若副边绕组电压上端为正下端为负，那么通过驱动同步整流管s1a和s1d导通，电流从mos管的源极流向漏极，可以为超级电容充电。

进一步地，所述电压电流采集单元，其中电压采样利用串联结构专用电压采样芯片ltc6804，减少控制单元的运行负荷、提高运算速度。电流采样采用高精度电流传感器haia-c06-400p2o4，先将电流信号现行转换为0-4v模拟电压信号，然后送到模数转换芯片ads8344转换为16串行数据送到控制单元。

进一步地，所述控制单元，其控制器采用nxp高集成度低功耗的lpc768，控制电路中的can通信电路负责与电压电流采集单元进行信息交互，将电压电流采集单元采集到的电压电流信息传送到控制电路中。can通信电路利用philips生产的高速can收发器将差分信号转换为串行数据然后通过光耦隔离输入到微控制器lpc1768中。

进一步地，所述超级电容单元可以是一个超级电容单体，也可以是多个超级电容单体组合成的超级电容组。

上述车载超级电容的异步补偿均压装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：基于超级电容单元的等效电路，离线计算出超级电容单元的内部电阻值rk和电容值ck；

步骤2：电压电流采集单元实时采集超级电容单元的端电压模拟信号和同步整流单元的输出电流模拟信号，并将电压及电流模拟信号转换为控制器能够识别的数字量，通过can总线(控制单元局域can网络通讯方式)发给控制单元，以便控制器做出均衡控制决策；

步骤3：控制单元建立超级电容的状态空间模型以及相应的滑模观测器模型，基于采集得到的超级电容单元的端电压历史数据、内部电阻值rk和电容值ck，采用滑模观测器，估计出各超级电容单元的内部电压值；

步骤4：控制单元根据各个超级电容的内部电压值和电压阈值判断是否需要进行电压均衡，如果需要均衡则输出相应的控制量通过can总线发给同步整流单元，通过控制同步整流单元中的驱动开关的状态来控制超级电容单元充放电，实现电压均衡。

进一步地，所述超级电容单元的等效电路采用串联rc模型，串联rc模型是根据超级电容的物理机理提出的电路模型，充分表征实际系统中超级电容充放电特性及静态特性，包括一个电阻r和电容c，将两者进行串联，其中电容c表征超级电容单元存储能量的能力，电阻r为超级电容串联等效电阻，表征充放电时瞬态响应，r越小超级电容充放电结束时造成的电压变化量越小。串联rc模型此模型结构简单实用，易于分析应用，在不影响分析效果的前提下，可以采用串联rc模型对超级电容的充放电过程进行分析和计算。根据超级电容本身的充放电特性，超级电容的寿命长、老化时间慢的特点，可以通过充放电的数据，离线计算超级电容单元的内部电阻值rk和电容值ck，以减少控制器的计算量，提高均衡效率，其具体步骤如下：

步骤1.1：分别用不同的电流值ic对超级电容单元sck进行充电，并采集超级电容单元sck的端电压，充电一定时间后断电(充电至超级电容单元的总电压上升0.5v，这个电压差完全能反应充放电特性，此时进行断电)，获得多组充电-断电数据；

步骤1.2：对于每一组充电-断电数据，分别计算得到一组电阻值r和电容值c，计算方法为：首先找出该组充电-断电数据中，断电时刻的电压值从高跌落到低的对应的数据；然后根据公式计算得到电阻值r，根据公式计算电容值c，vp为超级电容单元断电时刻前的端电压，vb为超级电容单元断电后电压跌落回稳定值后的端电压，ic为充电电流，δt为超级电容单元的端电压从vp变化到vb的时间，其等于采样周期乘以和电压从vp变化到vb的过程中采集到的数据点个数；

步骤1.3：分别计算多组电阻值r和电容值c的平均值，作为超级电容单元sck的内部电阻值rk和电容值ck。

进一步地，超级电容内阻虽然很小，但是为了满足快速充电，需要很大的电流，内阻上产生很大的压降，导致超级电容的电压突然增高，如果用端电压来进行均衡，充电结束撤掉电流充电装置依然不能达到额定的容量，所以就会降低均衡的效果。本发明采用滑模观测器，估计出超级电容的内部电压，再基于超级电容的内部电压进行均衡，以提高均衡效率，缩短均衡时间。所述步骤3具体步骤如下：

步骤3.1：建立超级电容的状态空间模型：

其中，j＝1,2,…，为j时刻超级电容单元sck的内部电压实际值的变化率，xk(j)为j时刻超级电容单元sck的内部电压实际值，yk(j)为j时刻超级电容单元sck的端电压实际值，表示j-1时刻超级电容的内部电压值，的初始值等于uk(0)；

步骤3.2：对超级电容的状态空间模型，建立如下的滑模观测器模型：

其中，为j时刻超级电容单元sck的内部电压估计值的变化率，为j时刻超级电容单元sck的内部电压估计值，为j时刻超级电容单元sck的端电压估计值；l(j)＝ρsign[δyk(j)]为滑模观测器的修正值，ρ为滑模增益，为了保证稳定性和快速的收敛性，本发明取ρ＝0.01；即j时刻超级电容单元sck的端电压实际值和估计值的差值；

步骤3.3：根据超级电容单元sck的端电压的历史测量值，计算得到l(j-1)；

步骤3.4：根据以下公式估计j时刻的超级电容的内部电压值计算公式为：

其中，l(j)的初始值l(0)＝0；

进一步地，使用该控制算法可以迅速的减小超级电容单元电压的分散度，使其处于一种安全可靠的工作压差范围内，快速达到系统均衡，所述步骤4具体包括以下步骤：

步骤4.1：在一个均衡周期开始时，控制器基于步骤3获得的当前时刻各个超级电容单元的内部电压值，标记内部电压值最高、最低以及次低的超级电容单元，其内部电压值分别记为和并计算最高电压与最低电压的压差

步骤4.2：若大于等于电压阈值u1，需要进行电压均衡控制，则进入步骤4.3，若小于u1则超级电容单元电压处于均衡状态，结束；

步骤4.3：计算所有超级电容单元的内部电压平均值并对所有内部电压值小于平均电压的超级电容单元进行标记，经过以上处理，需要均衡的超级电容单元已被标记；

步骤4.4：计算内部电压值最低的超级电容单元与其他超级电容单元的内部电压差值之和n表示超级电容单元的个数；

步骤4.5：判断内部电压值最低的超级电容单元与其他超级电容单元内部电压的差距，若超过电压阈值u2，则表明其与其他超级电容单元内部电压相差较大，只对该超级电容单元进行电压均衡(为该超级电容充电)，使能该单体对应的同步整流单元，关闭其它超级电容单元对应的同步整流单元；

若大于等于u3小于等于u2，则表明该超级电容单元内部电压与其他超级电容单元内部电压差距不大，则同时对内部电压最低以及次低的超级电容单元进行电压均衡(为该超级电容充电)，使能内部电压值最低以及次低的超级电容单元对应的同步整流单元，关闭其它超级电容单元对应的同步整流单元；

若小于u3，则表明超级电容单元间压差较小，此时控制器对所有内部电压值小于的超级电容单元进行电压均衡(为该超级电容充电)，使能所有内部电压值小于的超级电容单元对应的同步整流单元，关闭其它超级电容单元对应的同步整流单元。

进一步地，u1＝0.027v，u2＝0.6v，u3＝0.3v。

经过一个均衡周期后再次对超级电容单元的内部电压值进行测量，判断是否达到电压均衡的状态，并依据超级电容单元的内部电压值的分布情况对其进行相应的充放电控制，直至电压均衡结束。

有益效果：

本发明所述的滑模观测器通过测量实际系统的输入输出值(电流、端电压)，可以得到超级电容的内部电压值的估计值，通过超级电容的内部电压值而不是端电压作为决策变量，进行控制量的输出，实现电压均衡控制更精确有效。

为了满足均压装置均衡速度开的要求，本发明设计了有效的控制算法，该算法能够减少均衡开的频率和开关管的导通损耗，实现快速高效的均衡效果。

本发明通过上述均压策略和控制方法，满足储能容量及工作电压要求的同时，对超级电容整个储能系统实现电压均衡，延长储能装置的循环寿命，有效提高超级电容储能利用率，使得储能系统整体性能达到最优。

附图说明

图1为本发明系统框架图

图2为本发明中dc/ac单元和同步整流单元结构图；

图3为本发明中控制单元的整体框图；

图4为超级电容的串联rc模型；

图5为本发明中的状态空间模型和滑模观测器模型；

图6为本发明的均衡算法流程图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明公开了一种车载超级电容的异步补偿均压装置，包括：dc/ac单元、n个同步整流单元，电压电流采集单元和控制单元；

所述车载超级电容包括相互串联的n个超级电容单元；

所述dc/ac单元的直流侧与车载超级电容的正负极连接，dc/ac单元的交流侧具有n个输出端；n个输出端分别与n个同步整流单元的交流侧连接；n个同步整流单元的直流侧分别与n个超级电容单元的正负极连接；

所述电压电流采集单元的输入端用于采集超级电容单元的端电压和各同步整流单元的输出电流，输出端连接控制单元的输入端；

控制单元的多个输出端分别与dc/ac单元和n个同步整流单元的控制端连接；控制单元主要负责对电压电流采集单元采集的电压和电流信号进行分析处理，并依据控制策略对均衡对象控制命令，同时提供过流过压保护和实时监测功能；

所述的车载超级电容的异步补偿均压装置还包括与控制单元相连的上位机。

参见附图2，所述dc/ac单元采用具有多输出隔离变压器的推挽正激拓扑结构。推挽变换器拓扑广泛应用于低压大电流场合。通过控制开关管s1、s2的导通将能量从原边传递到副边，能量传递效率高。但由于该拓扑原边绕组lk1和lk2漏感不一致，容易导致磁芯在第一象限和第三象限的驱动强度不相等，使变压器磁芯出现阶梯型饱和现象；而且开关管关断时，原边绕组因漏感的存在将出现感应电压尖峰作用在开关管上，导致开关管损毁，因此必须对改其进行一定的改进，才能适用于超级电容单元均压系统的场合。通过在传统推挽变换器的原边开关管间增加一个箝位电容cs可以很好的解决上述问题。在开关管关断时，该箝位电容可以吸收原边绕组上因漏感产生的电压尖峰，保护开关管不被尖峰电压击穿而损坏。在开关管开通时，与该开关管对应的原边绕组接到输入电源两端，将输入电源的能量传递到副边绕组，同时另一个原边绕组将通过该开关管接到箝位电容两端，箝位电容里将作为一个辅助电源向副边传递能量，这在一定程度上减小了输入电流的脉动安秒积分，因此可以减小输入滤波器的重量和体积。

所述同步整流单元采用基于mosfet构建的全桥同步整流器，连接在多输出隔离变压器的次级多路输出端。同步整流是采用通态电阻极低的mos管来替代传统整流二极管的一种整流技术，在低压大电流的应用场合中，它能极大的减小整流死区电压和提高整流电路的转换效率。以第1路整流电路为例，该电路使用四个同步整流mos管来替代传统整流二极管完成副边输出交流电到直流电的变换。

参见附图3，所述控制单元主要包括can通信电路、供电电源电路、数字量输出电路、保护电路、存储电路和uart通信电路等部分，主要负责对电压电流采集单元采集的电压和电流信号进行分析处理，并依据控制策略作出均衡控制命令，同时提供过流过压保护和实时监测功能。

此外，控制电路中还设计了多路数字量输入输出电路，方便系统调试，利用uart通信方式将超级电容均压系统中的关键状态信息传送给上位机以便进行实施监测，正常情况下微控制器根据采样数据作出相应电压均衡命令，当发生过压过流情况保护电路将切断副边同步整流单元供电回路，确保电路及元器件安全。

本发明还公开了一种车载超级电容的异步补偿均压装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：基于超级电容单元的等效电路，离线计算出各个超级电容单元的内部电阻值和电容值；

步骤2：电压电流采集单元将电压传感器和电流传感器实时采集超级电容单元的端电压和同步整流单元的输出电流模拟信号，转换为数字量信号，通过can总线发给控制单元；

步骤3：控制单元建立超级电容单元的状态空间模型以及相应的滑模观测器模型，基于步骤1和步骤2获得的数据，采用滑模观测器，估计出各超级电容单元的内部电压值；

步骤4：控制单元根据各个超级电容的内部电压值和电压阈值判断是否需要进行电压均衡，如果需要均衡则输出相应的控制量给同步整流单元，通过控制同步整流单元中的驱动开关的状态来控制相应的超级电容单元充放电，实现电压均衡。

所述超级电容单元的等效电路采用串联rc模型，参见附图4，串联rc模型由一个理想电容与一个电阻串联组成；步骤1具体包括以下步骤：

步骤1.1：分别用不同的电流值ic对超级电容单元sck进行充电，并采集超级电容单元sck的端电压，充电一定时间后断电，获得多组充电-断电数据；

步骤1.2：对于每一组充电-断电数据，分别计算得到一组电阻值r和电容值c，计算方法为：首先找出该组充电-断电数据中，断电时刻的电压值从高跌落到低的对应的数据；然后根据公式计算得到电阻值r，根据公式计算电容值c，vp为超级电容单元断电时刻前的端电压，vb为超级电容单元断电后电压跌落回稳定值后的端电压，ic为充电电流，δt为超级电容单元的端电压从vp变化到vb的时间，其等于采样周期乘以和电压从vp变化到vb的过程中采集到的数据点个数；

步骤1.3：分别计算多组电阻值r和电容值c的平均值，作为超级电容单元sck的内部电阻值rk和电容值ck。

所述步骤3具体步骤如下：

步骤3.1：建立超级电容的状态空间模型：

其中，j＝1,2,…，k＝1,2,…,n，为j时刻超级电容单元sck的内部电压实际值的变化率，xk(j)为j时刻超级电容单元sck的内部电压实际值，表示j-1时刻超级电容的内部电压值，的初始值等于uk(0)；yk(j)为j时刻超级电容单元sck的端电压实际值；

步骤3.2：对超级电容的状态空间模型，建立如下的滑模观测器模型：

其中，为j时刻超级电容单元sck的内部电压估计值的变化率，为j时刻超级电容单元sck的内部电压估计值，为j时刻超级电容单元sck的端电压估计值；l(j)＝ρsign[δyk(j)]为滑模观测器的修正值，ρ为滑模增益，为了保证稳定性和快速的收敛性，本发明取ρ＝0.01；

步骤3.3：根据超级电容单元sck的端电压的历史测量值，计算得到l(j-1)；

步骤3.4：根据以下公式估计j时刻的超级电容的内部电压值计算公式为：

其中，l(j)的初始值l(0)＝0。

图5为本发明中的状态空间模型和滑模观测器模型。

参照附图6，所述步骤4具体包括以下步骤：

步骤4.1：在一个均衡周期开始时，控制器基于步骤3获得的当前时刻各个超级电容单元的内部电压值，标记内部电压值最高、最低以及次低的超级电容单元，其内部电压值分别记为和并计算最高电压与最低电压的压差

步骤4.2：若大于等于电压阈值0.027v，需要进行电压均衡控制，则进入步骤4.3，若小于0.027v则超级电容单元电压处于均衡状态，结束；

步骤4.3：计算所有超级电容单元的内部电压平均值

步骤4.4：计算内部电压值最低的超级电容单元与其他超级电容单元的内部电压差值之和

步骤4.5：若超过电压阈值0.6v，则使能该单体对应的同步整流单元，关闭其它超级电容单元对应的同步整流单元；

若大于等于0.3v小于等于0.6v，则使能内部电压值最低以及次低的超级电容单元对应的同步整流单元，关闭其它超级电容单元对应的同步整流单元；

若小于0.3v，则使能所有内部电压值小于的超级电容单元对应的同步整流单元，关闭其它超级电容单元对应的同步整流单元。

本发明通过上述均压策略和控制方法，满足储能容量及工作电压要求的同时，对超级电容单元和超级模组及整个储能系统间实现电压均衡，延长储能装置的循环寿命，有效提高超级电容储能利用率，使得储能系统整体性能达到最优。