一种超级电容组的过电压保护电路及方法与流程

本发明涉及超级电容保护电路，具体涉及一种超级电容组的过电压保护电路及方法。

背景技术：

1、目前在电力系统中，储能技术在“源、网、荷、用”等领域均发挥巨大作用，传统储能技术多采用锂离子电池储能。由于工业级产品环境温度使用要求在-40～70℃这个温度范围内，锂电池作为备用电源需需采用加热处理，以解决低温充放电问题，这增加系统的复杂度和维护成本，并且锂电池由于内部结构原因受制于充放电次数，无法长时间重复使用，严重影响储能工程的质量和经济性。与锂离子电池相比，超级电容作为一种无源器件，介于电池与普通电容之间，具有电容的大电流快速充放电特性，同时也有电池的储能特性，并且重复使用寿命长，放电时利用移动导体间的电子(而不依靠化学反应)释放电流，从而为设备提供电源，成为设备备用电源的一种较好的选择。目前超级电容器模组(也即是多个超级电容构成的超级电容组)通过串并联接入系统，就会存在电压在串联的超级电容之间分布不均匀的现象，加之超级电容器模组对电压比较敏感，很容易由于过压而发生失效。例如常规的超级电容器模组的最高电压(即安全工作电压)限制在2.5～2.7v，而自身单体电压(即单个的超级电容两端的电压)较低，需要串并联使用，同时由于材料、制造水平等因素的制约，超级电容器单体间的等效容值、等效串联电阻值等参数存在明显的不一致性，直接应用在备用电源系统会导致超级电容器组性能因木桶效应受特性最差的单体制约，还会随时间和循环次数不断增大，影响超级电容器的输出特性和使用寿命，甚至引发故障。因此需要对超级电容的过电压进行保护。

2、在现有技术中，超级电容的过电压保护通常是在每一个超级电容上分别并联对应的一个或多个电阻，例如，公告号为cn216794653u的中国专利，其即是为串联后的各个超级电容两端分别并联上一个电阻。当超级电容的单体电压超过阈值时，通过与超级电容相应并联的电阻去泄放电流以保护相对应的超级电容，此种方案仅依靠电阻放电，存在泄放电流小的问题，当过压范围过大时不能有效的保护超级电容组。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种超级电容组的过电压保护电路及方法，其能够解决背景技术所提到的问题。

2、实现本发明的目的的技术方案为：一种超级电容组的过电压保护电路，包括至少两组防短路超级电容单元、第一充电电路、第二充电电路、放电单元和能量转移单元，防短路超级电容单元包括超级电容，各个超级电容串联连接，各组防短路超级电容单元依次串联连接，第一充电电路的两端分别连接在串联后的两组防短路超级电容单元的两个非串联端，

3、放电单元和能量转移单元并联连接，

4、第二充电电路的两端分别连接在并联后的放电单元和能量转移单元的两端，

5、第二充电电路的两端还分别经过防短路超级电容单元的内部电路后与防短路超级电容单元的超级电容的两端连接，以使得第二充电电路和任一防短路超级电容单元构成回路，并且第二充电电路、串联后的两组防短路超级电容单元、并联后的放电单元和能量转移单元也构成回路。

6、进一步地，所述防短路超级电容单元包括电容、两个双mos管组件，双mos管组件包括两个mos管，两个mos管的s极相连接，两个mos管的g极相连接并共同连接用于驱动mos管工作的驱动电源，其中一组双mos管组件的一个mos管的d极与超级电容的正极相连接，另一组mos管组件的一个mos管的d极与超级电容的负极相连接，两组双mos管组件的另外两个mos管的d极分别与第二充电电路的两端连接。

7、进一步地，相邻两组防短路超级电容单元的串联连接具体为：所述相邻两组防短路超级电容单元分别记为第一防短路超级电容单元和第二防短路超级电容单元，

8、第一防短路超级电容单元包括超级电容c1、两个双mos管组件，两个双mos管组件分别记为第一双mos管组件和第二双mos管组件，第一双mos管组件包括mos管q1和mos管q2，第二双mos管组件包括mos管q3和mos管q4，mos管q1的s极和mos管q2的s极相连接，mos管q1的g极和mos管q2的g极相连接后连接用于驱动mos管工作的驱动电源vgs1，mos管q1的d极分别与第一充电电路的一端、外部备用电源vcap、超级电容c1的正极连接，mos管q2的d极分别与第二充电电路的一端、能量转移单元和放电单元并联后的一端连接，

9、超级电容c1的负极与mos管q3的d极连接后与第二防短路超级电容单元相连接，mos管q3的s极和mos管q4的s极相连接，mos管q3的g极和mos管q4的g极连接后共同与用于驱动mos管工作的驱动电源vgs1相连接，mos管q4的d极分别与第二充电电路的另一端、能量转移单元和放电单元并联后的另一端相连接。

10、第二防短路超级电容单元包括超级电容c6、两个双mos管组件，两个双mos管组件分别记为第三双mos管组件和第四双mos管组件，第三双mos管组件包括mos管q21和mos管q22，第四双mos管组件包括mos管q23和mos管q24，mos管q21的d极分别与超级电容c6的正极、mos管q3的d极连接，mos管q21和mos管q22的s极相连接，mos管q21和mos管q22的g极相连接后共同连接用于驱动mos管工作的驱动电源vgs11，mos管q22的d极与第二充电电路连接mos管q2的d极的一端连接，mos管q22的d极还与能量转移单元和放电单元并联后的一端连接，超级电容c6的负极分别与mos管q23的d极和电阻rs的一端连接，电阻rs的另一端与第一充电电路的另一端连接后共同接地，mos管q23的s极和mos管q24的s极相连接，mos管q23的g极和mos管q24的g极连接后共同连接用于驱动mos管工作的驱动电源vgs12，mos管q24的d极与第二充电电路连接mos管q4的一端连接，mos管q24的d极还与能量转移单元和放电单元并联后的另一端连接。

11、进一步地，放单单元包括继电器和放电电阻或mos管和放电电阻，继电器/mos管与放电电阻串联，能量转移单元包括串联连接的电感和电容，电感为双线绕线电感，电感用于抑制充放电过程中电流突变以及减小作用在能量转移单元上的电源纹波，所述所述能量转移单元的电容为超级电容，并且与防短路超级电容单元的超级电容为同型号规格。

12、进一步地，第一充电电路的输出电流＞第二充电电路的输出电流，以使得流经整体的两组防短路超级电容单元的电流大于流经单个防短路超级电容单元。

13、进一步地，串联后的两组防短路超级电容单元的两个非串联端还分别连接外部备用电源vcap和接地。

14、进一步地，还包括若干电压检测单元，电压检测单元用于检测防短路超级电容单元中的超级电容两端的电压。

15、一种超级电容组的过电压保护方法，基于所述过电压保护电路，包括如下步骤：

16、步骤1：同步检测各组防短路超级电容单元中的超级电容的电压，并根据获取到的超级电容的电压，计算所有超级电容的电压的离散度di和所有超级电容的电压的平均值vi；

17、步骤2：若对过电压保护电路的超级电容进行充电状态下的保护方式选择，则根据di、vi分别与预设阈值d0、v0的比较结果，选择第二充电电路或放电单元或能量转移单元来对相应的超级电容进行放电；

18、步骤3：若对过电压保护电路的超级电容进行放电状态下的保护方式选择，则根据对处于放电状态下的所有超级电容测得的电压的平均电压vr与v1的比较结果，选择第二充电电路或放电单元或能量转移单元来对相应的超级电容进行放电。

19、进一步地，在步骤2中，

20、若满足条件一，则选择电压最高的超级电容对放电单元进行放电，

21、若满足条件二，则选择第二充电电路对电压最低的超级电容进行充电，

22、若满足条件三，则选择电压最高的超级电容对能量转移单元进行充电，并且当选中的超级电容的电压与平均电压vi相等时，关闭当前选中超级电容所在的防短路超级电容单元的两个双mos管组件，以停止对当前选中的超级电容进行充电，待当前选中的超级电容停止充电后，选择电压最低的超级电容，并采用能量转移单元对当前选中的超级电容进行充电，

23、条件一：di＞d0且vi＞v0；

24、条件二：di＞d0且vi＜v0；

25、条件三：di＜d0；

26、d0为根据过电压保护电路内的所有超级电容所测量出的离散度和根据经验确定的离散度的差值来设定的预设阈值，v0为根据过电压保护电路内的所有超级电容所测量出的平均电压和根据经验确定的平均电压的差值来设定的预设阈值。

27、进一步地，在步骤3中，

28、若vr＜v1，v1为预设阈值，则选择电压最高的超级电容对能量转移单元进行充电，并且选中的超级电容的电压与平均电压vi相等时，关闭当前选中超级电容所在的防短路超级电容单元的两个双mos管组件，以停止对当前选中的超级电容进行充电，待当前选中的超级电容停止充电后，选择电压最低的超级电容，并采用能量转移单元对当前选中的超级电容进行充电。

29、本发明的有益效果为：相比于传统的简单采用放电电阻来实现超级电容的过压保护，本发明能够根据不同情况来智能切换过电压保护方式，以达到提高整体超级电容组的整体供电时间，提高使用寿命和供电性能。并且通过智能选择切换相应的控制方式能够减少不必要的能量消耗，提高充电效率，达到节能减排效果。