一种超级电容拓扑结构及其充放电控制方法和装置

摘要

本发明公开了一种超级电容拓扑结构及其充放电控制方法和装置，其中的超级电容拓扑结构包括包括m个依次串接的串联支路，每个串联支路包括n个相互并接的并联支路和并接于并联支路上的并联开关，每个并联支路由1个超级电容模块和1个串联开关串接构成。在使用该拓扑结构所构成的储能系统为外部装置充放电之前，根据外部装置的额定电压和额定电流计算所需的并联支路数量和串联支路数量，再通过串联开关和并联开关实现拓扑结构重构，为外部装置输入/输出最匹配的功率从而提高能量利用效率。

权利要求

1.一种用于超级电容拓扑结构的充放电控制方法，其特征在于，所述超级电容拓扑结构包括m个依次串接的串联支路，每个串联支路包括n个相互并接的并联支路和并接于并联支路上的并联开关，每个并联支路由1个超级电容模块和1个串联开关串接构成；对所述超级电容拓扑结构进行重构后为外部装置充放电，其中重构方法包括：在超级电容拓扑结构中，确定所需使用的串联支路数量为k＝Vd/Vc，且0＜k≤m，Vd表示外部系统的期望电压，Vc表示每个超级电容模块的额定电压；

在每个所需使用串联支路中，再确定所需使用的并联支路数量为 且0＜na≤n，Ibr表示每个串联支路的额定电流，Icr表示每个超级电容模块的额定电流，符号 表示向上取整；

在超级电容拓扑结构中选择k个串联支路，控制选中的k个串联支路中的并联开关均断开；

在被选中的每个串联支路中均选择na个并联支路，控制选中的na个并联支路中的串联开关均闭合，控制其余的n‑na个并联支路中的串联开关均断开；

在未被选中的每个串联支路中，控制所有串联开关均断开，且并联开关闭合。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在充放电过程中，采用协同控制方法对所有闭合的串联开关进行实时控制，具体为：对所有选中并联支路中的超级电容模块，以预设频率采集其电压模拟信号；

对电压模拟信号进行低通滤波；

对于每个超级电容模块，均将本地超级电容的电压分别与参考节点和邻居超级电容的电压作差，并对电压差值求和形成电压误差，再根据电压误差生成控制本地超级电容串联开关的PWM信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超级电容模块为超级电容单体或由超级电容单体按任意拓扑结构构成的超级电容模组。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在每个串联支路中，当并联开关导通时，所有n个串联开关均断开。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述串联开关和并联开关均采用功率MOSFET。

说明书

一种超级电容拓扑结构及其充放电控制方法和装置

技术领域

[0001] 本发明属于电力电子领域，涉及一种超级电容拓扑结构及其充放电控制方法和装置。

背景技术

[0002] 超级电容，又称为双电层电容器，是一种绿色无污染的新型储能元件，和锂电池相比，它具有充放电效率高、循环寿命长、功率密度大、宽温度工作范围等优点。从能量密度角
度来看，它们常作为锂电池和燃料电池等主要储能元件的补充，以满足负载变化需求。就其
使用寿命而言，它们也很有吸引力，可以替代传统的锂离子二次电池。由于超级电容单体电
压较低，充满电的状态下电压不超过3.0V，因此需要将多个超级电容串联起来以满足更高
的电压要求。同时，为了提高功率密度，常常将多个超级电容并联起来作为一个超级电容模
组。

[0003] 由于制造过程中的限制(例如电容，内阻，自放电速率和环境条件)导致每个超级电容单体特性不同，因此，超级电容在串联时会常常出现单体间电压不均衡现象。电压高的
超级电容比电压低的超级电容老化速度更快，如果电压不均衡不加以控制的话，超级电容
必然会出现过充与过放现象，因此，研究如何减小超级电容单体间电压不平衡，以延长它的
循环寿命和最大限度地提高能量利用率显得尤为重要。

[0004] 超级电容电压均衡电路主要分为能量消耗型(被动式)和能量转移型(主动式)两大类。能量消耗型电压均衡电路一般在超级电容单体上并联电阻等耗能型元件来消耗掉多
余的能量，这类电路通过热量散失的方式实现电压均衡目的，这种方法优点是电路结构简
单、成本低，缺点是能量利用率低；能量转移型电压均衡电路则是将电压较高的超级电容单
体中的能量通过电容或者电感等储能型元件转移到电压较低的超级电容单体中，相比能量
消耗型均衡电路，这类电路发热小、能量利用率高，更符合现在绿色、低碳、环保理念，其缺
点是电路结构复杂、设计成本较高。

[0005] 然而，主动式均衡电路与被动式均衡电路都是采用固定的拓扑，当最弱的单体达到其EoL(end‑of‑life)时，整个超级电容模组都会失效，这大大降低了超级电容储能系统
的寿命，因此需要一种灵活的拓扑来克服这种缺陷。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的技术问题在于，提供一种超级电容拓扑结构及其充放电控制方法和装置，可根据外部环境的需要来设计串联支路数量和并联支路数量，从而实现提高能
量利用效率的目的。

[0007] 为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

[0008] 一种超级电容拓扑结构，包括m个依次串接的串联支路，每个串联支路包括n个相互并接的并联支路和并接于并联支路上的并联开关，每个并联支路由1个超级电容模块和1
个串联开关串接构成。

[0009] 在更优的技术方案中，所述超级电容模块为超级电容单体或由超级电容单体按任意拓扑结构构成的超级电容模组。

[0010] 在更优的技术方案中，在每个串联支路中，当并联开关导通时，所有n个串联开关均断开。

[0011] 在更优的技术方案中，所述串联开关和并联开关均采用功率MOSFET。

[0012] 本发明还提供一种用于上述技术方案中所述超级电容拓扑结构的充放电控制装置，包括：AC‑DC转换器、采样电路、控制电路和驱动电路；

[0013] 所述AC‑DC转换器用于从外界接入220V交流电源并转换为低压直流电源，并使用低压直流电源为采样电路、控制电路以及驱动电路供电；

[0014] 所述采样电路用于采集超级电容拓扑结构中每个超级电容模块的电压模拟信号并进行滤波处理，再将经滤波处理后的电压模拟信号发送给控制电路；

[0015] 所述控制电路用于根据接收到的电压模拟信号生成相应的PWM信号，并将PWM信号发送给驱动电路；

[0016] 所述驱动电路用于根据接收到的PWM信号驱动超级电容主拓扑结构中的串联开关及并联开关的导通或关断。

[0017] 在更优的技术方案中，所述采样电路包括电压传感器和由运算放大器搭建的低通滤波器。

[0018] 本发明还提供一种上述技术方案中所述超级电容拓扑结构的充放电控制方法，对所述超级电容拓扑结构进行重构后为外部装置充放电，其中重构方法包括：

[0019] 在超级电容拓扑结构中，确定所需使用的串联支路数量为k＝Vd/Vc，且0＜k≤m，Vd表示外部系统的期望电压，Vc表示每个超级电容模块的额定电压；

[0020] 在每个所需使用串联支路中，再确定所需使用的并联支路数量为且0＜na≤n，Ibr表示每个串联支路的额定电流，Icr表示每个超级电容模块的额定电流，符号
表示向上取整；

[0021] 在超级电容拓扑结构中选择k个串联支路，控制选中的k个串联支路中的并联开关均断开；

[0022] 在被选中的每个串联支路中均选择na个并联支路，控制选中的na个并联支路中的串联开关均闭合，控制其余的n‑na个并联支路中的串联开关均断开；

[0023] 在未被选中的每个串联支路中，控制所有串联开关均断开，且并联开关闭合。

[0024] 在更优的技术方案中，在充放电过程中采用协同控制方法对所有闭合的串联开关进行实时控制，具体为：

[0025] 对所有选中并联支路中的超级电容模块，以预设频率采集其电压模拟信号；

[0026] 对电压模拟信号进行低通滤波；

[0027] 对于每个超级电容模块，均将本地超级电容的电压分别与参考节点和邻居超级电容的电压作差，并对电压差值求和形成电压误差，再根据电压误差生成控制本地超级电容
串联开关的PWM信号。

[0028] 有益效果

[0029] 本发明具有以下技术效果：

[0030] (1)将n个超级电容单体并联组成一个串联支路，可以为负载提供更大的电流；将m个串联支路串接，可以为负载提供更高的电压。具体可根据外部系统的功率需求，通过控制
串联支路中并联开关的通断以灵活调节超级电容拓扑结构的输入/输出电压，通过控制被
选中的串联支路中的串联开关的通断来灵活调节超级电容拓扑结构的输入/输出电流，从
而使超级电容拓扑结构的输入/输出功率与外部系统的功率相匹配，从而提高能量利用效
率。

[0031] (2)这种基于串并联结构型的可重构的拓扑结构，可以通过控制与超级电容模块串联的开关，将老化严重或异常的超级电容单体从拓扑结构中切除出去，或者通过与其并
联的开关，将包括有老化严重或异常的超级电容单体的串联支路从拓扑结构中切除出去，
从而延长本实施例超级电容拓扑结构所构成的储能系统的使用寿命。

[0032] (3)采用协同控制方法对所有闭合的串联开关进行实时控制，使拓扑结构中所有超级电容模块实现电压均衡。

附图说明

[0033] 图1是本发明实施例所述的超级电容串并联结构拓扑图；

[0034] 图2是本发明实施例所述的系统结构框图；

[0035] 图3是本发明实施例所述的电源转换模块原理图；

[0036] 图4是本发明实施例所述的超级电容电压模拟量信号采集的采样电路；

[0037] 图5是本发明实施例所述的开关管驱动电路原理图；

[0038] 图6是本发明实施例所述的用于产生PWM信号的控制电路。

具体实施方式

[0039] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，对本发明的技术方案作进一步解释说明。

[0040] 本实施例提供一种超级电容拓扑结构，如图1所示，包括m个依次串接的串联支路，每个串联支路包括n个相互并接的并联支路和并接于并联支路上的并联开关，每个并联支
路由1个超级电容模块和1个串联开关串接构成。其中的超级电容模块可以为超级电容单体
或由超级电容单体按任意拓扑结构构成的超级电容模组，本实施例以超级电容单体为例进
行解释说明。为防止超级电路发生短路现象，在每个串联支路中，当并联开关导通时，所有n
个串联开关均断开。

[0041] 在本实施例中，如图1所示，超级电容单体使用符号Cij表示，i＝1,2…m,j＝1,2…n，与超级电容单体Cij串联的串联开关使用Sij表示，与超级电容单体Cij并联的并联开关使
用Si表示。

[0042] 本实施例的超级电容拓扑结构，将n个超级电容单体并联组成一个串联支路，可以为负载提供更大的电流；将m个串联支路串接，可以为负载提供更高的电压。具体可根据外
部系数的功率需求，通过控制串联支路中并联开关的通断以灵活调节超级电容拓扑结构的
输入/输出电压，通过控制被选中的串联支路中的串联开关的通断来灵活调节超级电容拓
扑结构的输入/输出电流，从而使超级电容拓扑结构的输入/输出功率与外部系统的功率相
匹配，从而提高能量利用效率。

[0043] 另外，这种可重构的拓扑结构，可以通过控制与超级电容串联的开关，将老化严重或异常的超级电容单体从拓扑结构中切除出去，或者通过与其并联的开关，将包括有老化
严重或异常的超级电容单体的串联支路从拓扑结构中切除出去，从而延长本实施例超级电
容拓扑结构所构成的储能系统的使用寿命。

[0044] 基于功率MOSFET具有导通电阻低特点，因此，在更优的实施例中，所有的开关都采用功率MOSFET。

[0045] 本发明还提供一种用于上述超级电容拓扑结构实施例的充放电控制装置，如图2所示，包括：AC‑DC转换器、采样电路、控制电路和驱动电路。

[0046] 所述AC‑DC转换器用于，从外界接入220V交流电源并转换为低压直流电源，并使用低压直流电源为采样电路、控制电路以及驱动电路供电，具体地：

[0047] AC‑DC转换器除了包括将220V交流电源转换为24V直流电源的电源转换模块之外，还包括VRB2415YMD‑6WR3‑DUAL和DCR022405P‑U两个DC‑DC电源转换模块。如图3所示，
VRB2415YMD‑6WR3‑DUAL是24D(DC)转±15V(DC)的电源转换模块，将得到的±15V电压给运
算放大器TL074ID供电；DCR022405P‑U是24V(DC)转5V(DC)模块，将得到的5V(DC)给控制电
路供电。

[0048] 所述采样电路用于采集超级电容拓扑结构中每个超级电容模块的电压模拟信号并进行滤波处理，再将经滤波处理后的电压模拟信号发送给控制电路，具体地：

[0049] 采样电路包括电压传感器以及由运算放大器搭建的低通滤波器。如图4所示，首先，超级电容电压“MOS_S”经过电压传感器LV25‑P采集后得到感应电压“V_S”；然后，感应电
压“V_S”经过由运算放大器TL074ID搭建的低通滤波器进行低通滤波后得到“voltage_S”信
号，最后，“voltage_S”再经过TMS320F2808的AD口后，控制电路将根据这些电压信号发出
PWM指令。

[0050] 所述控制电路根据接收到的电压模拟信号生成PWM信号，并将PWM信号发送给驱动电路。如图6所示，该控制电路主要包括通信子模块、电压采集子模块和控制子模块。其中，
控制子模块主要是型号为TMS320F2808的控制芯片；通信子模块主要是TMS320F2808的通信
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接口，用于超级电容单体间的信息交流，具体可采用RS485通信、SPI通信、SCI通信、I C通
信；采集子模块主要是TMS320F2808的AD口，用于接收采样模块发送的电压模拟量信号。

[0051] 所述驱动电路根据接收到的PWM信号驱动超级电容主拓扑结构中的串联开关及并联开关的通断。如图5所示，该驱动电路由DCP022415DU和TLP700A两部分组成，其中，
DCP022415DU是24V(DC)转±15V的电源模块，+15V用于驱动MOSFET，‑15V用于关断MOSFET；
TLP700A是光耦，起到将控制地与驱动地隔离的作用，控制电路分析各个超级电容单体状况
后发出PWM信号，PWM信号传递到驱动信号MosDriver处再驱动或关断MOSFET。

[0052] 本发明还提供一种用于上述超级电容拓扑结构实施例的充放电控制方法，基于上述超级电容均衡实现，具体通过对上述实施例所述的超级电容拓扑结构进行重构后为外部
装置充放电，其中重构方法包括：

[0053] 在超级电容拓扑结构中，确定所需使用的串联支路数量为k＝Vd/Vc，且0＜k≤m，Vd表示外部系统的期望电压，Vc表示每个超级电容模块的额定电压；

[0054] 在每个所需使用串联支路中，再确定所需使用的并联支路数量为 且0＜na≤n，Ibr表示每个串联支路的额定电流，Icr表示每个超级电容模块的额定电流，符号
表示向上取整；

[0055] 在超级电容拓扑结构中选择k个串联支路，控制选中的k个串联支路中的并联开关均断开；

[0056] 在被选中的每个串联支路中均选择na个并联支路，控制选中的na个并联支路中的串联开关均闭合，控制其余的n‑na个并联支路中的串联开关均断开；

[0057] 在未被选中的每个串联支路中，控制所有串联开关均断开，且并联开关闭合。

[0058] 本实施例提供的超级电容均衡方法，通过设计串联支路数量k和其中的并联支路数量na，可以使超级电容拓扑结构在重构后输入/输出的功率与外部装置的额定功率相匹
配，从而可以提高能量利用效率。

[0059] 在更优的实施例中，可采用协同控制方法对所有闭合的串联开关进行实时控制，具体控制方法为：

[0060] 步骤1，对所有选中串联支路中的超级电容模块，以预设频率采集其电压模拟信号；

[0061] 步骤2，对电压模拟信号进行低通滤波；

[0062] 步骤3，对于每个超级电容模块，均根据本地超级电容电压分别与参考节点和邻居超级电容的电压作差再求和形成电压误差，控制电路根据电压误差生成控制本地超级电容
串联开关的PWM信号。

[0063] 本更优的实施例采用协同控制方法对所有闭合的串联开关进行实时控制，使拓扑结构中所有超级电容模块实现电压均衡控制。

[0064] 以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申
请要求保护的范围之内。