CN104410132B - 超级电容器电压均衡装置及该装置的控制方法 - Google Patents

Abstract

超级电容器电压均衡装置及该装置的控制方法，涉及超级电容器的储能技术。它为了解决超级电容器各个并联节电压不一致，导致超级电容器使用寿命缩短的问题。本发明为每个储能单元配置平衡控制器，平衡控制器由通过主控制器控制，均衡超级电容各并联节的电压，使各并联结电压保持一致，从而延长超级电容的寿命，提升超级电容器的储能品质。本发明具有对超级电容并联节电压检测精确，超级电容充放电效率高，电压均衡速度快，电压一致性好，超级电容容量和内阻辨识准确，模组功率密度高等优点。

Description

超级电容器电压均衡装置及该装置的控制方法

技术领域

本发明涉及超级电容器的储能技术。

背景技术

超级电容器是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽，是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种。但超级电容器也存在一些问题，例如各个并联节电压不一致，缩短了超级电容器的使用寿命等。

发明内容

本发明的目的是为了解决超级电容器各个并联节电压不一致，导致超级电容器使用寿命缩短的问题，提供一种超级电容器电压均衡装置及该装置的控制方法。

本发明所述的超级电容器电压均衡装置包括主控制器、总电流/电压检测单元、多个平衡控制器和DC-DC电源模块；

DC-DC电源模块为主控制器、总电流/电压检测单元以及多个平衡控制器提供工作电源；

主控制器连接所述的多个平衡控制器和总电流/电压检测单元；

每个平衡控制器用于测量超级电容器的n个并联节的端电压并为所述n个并联节充电；

总电流/电压检测单元用于检测超级电容器输出端口的总电压和总电流。

平衡控制器包括n个并联节平衡单元、m个模拟切换电路、AD处理电路、均衡控制处理器、温度信号处理电路、光耦隔离通讯电路和隔离电源,m小于n；

每个并联节平衡单元用于为一个并联节充电，并联节平衡单元的控制信号输入端连接均衡控制处理器的充电控制信号输出端；

每个模拟切换电路用于测量多个并联节的端电压，m个模拟切换电路共测量n个并联节的端电压，并将测量结果通过AD处理电路发送至均衡控制处理器；

温度信号处理电路的输出端连接均衡控制处理器的温度信号输入端，温度信号处理电路的输入端用于连接温度传感器；

温度传感器用于测量储能单元的温度，并将测量结果通过温度信号处理电路发送至均衡控制处理器，所述储能单元包括平衡控制器和与该平衡控制器相连接的并联节；

均衡控制处理器制冷控制信号输出端用于连接风机的控制信号输入端；

均衡控制处理器通过CAN信号传输线与主控制器进行数据传输。

所述的均衡控制处理器内嵌入由软件实现的均衡控制中断子模块，该模块包括以下单元：

并联节电压读取单元：不断读取并存储m个模拟切换电路发来的n个并联节电压值；并在该单元运行结束之后启动并联节电压排序单元；

并联节电压排序单元：对所述的n个并联节电压值按照由高到底的顺序进行排序；并在该单元运行结束之后启动整体充电指令判断单元；

整体充电指令判断单元：判断是否接收到主控制器发来的整体充电指令，并在判断结果为是时启动整体充电指令发送单元，在判断结果为否时启动第一最大电压差判断单元；

整体充电指令发送单元：向n个并联节平衡单元发送充电指令；并在该单元运行结束之后启动整体充电结束指令判断单元；

整体充电结束指令判断单元：判断是否收到主控制器发来的整体充电结束指令，并在判断结果为是时启动停止整体充电指令发送单元；在判断结果为否时重新启动整体充电结束指令判断单元；

停止整体充电指令发送单元：向n个并联节平衡单元发送停止充电指令；并在该单元运行结束之后启动第一最大电压差判断单元；

第一最大电压差判断单元：判断n个并联节电压值中的最大值与最小值之差是否大于ΔU,并在判断结果为是时启动选择性充电指令发送单元，在判断结果为否时启动辨识单元；

选择性充电指令发送单元：向电压值最低的三个并联节所对应的并联节平衡单元发送充电指令；并在该单元运行结束之后启动第二最大电压差判断单元；

第二最大电压差判断单元：判断n个并联节电压值中的最大值与最小值之差是否大于ΔU,并在判断结果为是时重新启动第二最大电压差判断单元，在判断结果为否时启动停止选择性充电指令发送步骤；

停止选择性充电指令发送步骤：向三个并联节所对应的并联节平衡单元发送停止充电指令；并在该单元运行结束之后启动辨识单元；

辨识单元：计算超级电容的容量和内阻；并在该单元运行结束之后启动辨识结果发送单元；

辨识结果发送单元：将辨识单元计算得到的并联节容量和内阻发送至主控制器；并在该单元运行结束之后启动温控单元；

温控单元：控制储能单元的温度在其正常工作的温度范围内；并在该单元运行结束之后启动整体充电指令判断单元。

上述超级电容器电压均衡装置的控制方法包括以下步骤：

并联节电压读取步骤：不断读取并存储m个模拟切换电路发来的n个并联节电压值；并在该步骤结束之后执行并联节电压排序步骤；

并联节电压排序步骤：对所述的n个并联节电压值按照由高到底的顺序进行排序；并在该步骤结束之后执行整体充电指令判断步骤；

整体充电指令判断步骤：判断是否接收到主控制器发来的整体充电指令，并在判断结果为是时执行整体充电指令发送步骤，在判断结果为否时执行第一最大电压差判断步骤；

整体充电指令发送步骤：向n个并联节平衡单元发送充电指令；并在该步骤结束之后执行整体充电结束指令判断步骤；

整体充电结束指令判断步骤：判断是否收到主控制器发来的整体充电结束指令，并在判断结果为是时执行停止整体充电指令发送步骤；在判断结果为否时重新执行整体充电结束指令判断步骤；

停止整体充电指令发送步骤：向n个并联节平衡单元发送停止充电指令；并在该步骤结束之后执行第一最大电压差判断步骤；

第一最大电压差判断步骤：判断n个并联节电压值中的最大值与最小值之差是否大于ΔU,并在判断结果为是时执行选择性充电指令发送步骤，在判断结果为否时执行辨识步骤；

选择性充电指令发送步骤：向电压值最低的三个并联节所对应的并联节平衡单元发送充电指令；并在该步骤结束之后执行第二最大电压差判断步骤；

第二最大电压差判断步骤：判断n个并联节电压值中的最大值与最小值之差是否大于ΔU,并在判断结果为是时重新执行第二最大电压差判断步骤，在判断结果为否时执行停止选择性充电指令发送步骤；

停止选择性充电指令发送步骤：向三个并联节所对应的并联节平衡单元发送停止充电指令；并在该步骤结束之后执行辨识步骤；

辨识步骤：计算超级电容的容量和内阻；并在该步骤结束之后执行辨识结果发送步骤；

辨识结果发送步骤：将辨识步骤计算得到的并联节容量和内阻发送至主控制器；并在该步骤结束之后执行温控步骤；

温控步骤：控制储能单元的温度在其正常工作的温度范围内；并在该步骤行结束之后返回执行整体充电指令判断步骤。

本发明所述的超级电容器电压均衡装置及该装置的控制方法，为每个储能单元配置平衡控制器，平衡控制器由通过主控制器控制，均衡超级电容各并联节的电压，使各并联结电压保持一致，从而延长超级电容的寿命，提升超级电容器的储能品质。DC-DC电源模块将电容器电压转化为24V恒压电源为储能单元补充压差。该装置具有对超级电容并联节电压检测精确，超级电容充放电效率高，电压均衡速度快，电压一致性好，超级电容容量和内阻辨识准确，模组功率密度高等优点。

附图说明

图1为实施方式所述的超级电容器电压均衡装置的原理框图；

图2为实施方式一中的主控制器芯片的功能框图；

图3为实施方式二中储能单元的原理框图；

图4为实施方式二中均衡控制处理器的功能框图；

图5为实施方式三中的AD处理电路的原理框图；

图6为实施方式三中的模拟切换电路与AD处理电路的电路结构图；

图7为实施方式四中温度信号处理电路的电路结构图；

图8为实施方式十中的控制方法流程图；

图9为实施方式十一中温控步骤的流程图；

图10为实施方式十二中并联节电容容量和内阻的等效电路图；

图11为实施方式十二中的计算电压的原理图；

图12为实施方式十二中的辨识方法流程图；

图13为实施方式八中DC-DC电源模块的电路结构图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的超级电容器电压均衡装置包括主控制器1、总电流/电压检测单元2、多个平衡控制器3和DC-DC电源模块4；

DC-DC电源模块4为主控制器1、总电流/电压检测单元2以及多个平衡控制器3提供工作电源；

主控制器1连接所述的多个平衡控制器3和总电流/电压检测单元2；

每个平衡控制器3用于测量超级电容器的n个并联节的端电压并为所述n个并联节充电；

总电流/电压检测单元2用于检测超级电容器输出端口的总电压和总电流。

本实施方式中，与平衡控制器3相连接的电容器为超级电容器的并联结。主控制器1的芯片选择型号为STM32F407的ARM芯片，该芯片的架构为Cortex-M4，32位MCU带有FPU单元，有210DMIPS，多达1MB FLASH/192+4KB RAM，USB OTG HS/FS，Ethernet，17定时器，3个ADC，15个通讯接口和一个摄像口，时钟频率为168MHz。主控制器1负责储能单元总电流和总电压的采样，电流传感器选用LEM电流传感器，输出电压为5V，经过采样处理电路后送入16位AD采样芯片。电压传感器选用LEM电压采样模块，输出电压为5V，经过采样处理电路后送入型号为AD32680的16位AD采样芯片。所述的储能单元包括平衡控制器3以及与该平衡控制器3相连接的并联节。

主控制器1的功能包括：读取主令触点输入、储能单元电压是否均衡判断、温度检测、总电压和总电流检测、状态和保护触点输出、读取总线数据、下传均衡指令、储能单元放电控制以及整体机柜的风扇控制、实时显示监测电压监测数据以及进行远程通讯等。

具体实施方式二：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的超级电容器电压均衡装置的进一步限定，本实施方式中，所述的平衡控制器3包括n个并联节平衡单元3-1、m个模拟切换电路3-2、AD处理电路3-3、均衡控制处理器3-4、温度信号处理电路3-5、光耦隔离通讯电路3-6和隔离电源,m小于n；

每个并联节平衡单元3-1用于为一个并联节充电，并联节平衡单元3-1的控制信号输入端连接均衡控制处理器3-4的充电控制信号输出端；

每个模拟切换电路3-2用于测量多个并联节的端电压，m个模拟切换电路3-2共测量n个并联节的端电压，并将测量结果通过AD处理电路3-3发送至均衡控制处理器3-4；

温度信号处理电路3-5的输出端连接均衡控制处理器3-4的温度信号输入端，温度信号处理电路3-5的输入端用于连接温度传感器3-7

温度传感器3-7用于测量储能单元的温度，并将测量结果通过温度信号处理电路3-5发送至均衡控制处理器3-4，所述储能单元包括平衡控制器3和与该平衡控制器3相连接的并联节；

均衡控制处理器3-4制冷控制信号输出端用于连接风机3-8的控制信号输入端；

均衡控制处理器3-4通过CAN信号传输线与主控制器1进行数据传输。

如图3所示，使用时，将均衡控制处理器3-4与风机3-8连接，将温度信号处理电路3-5与温度传感器3-7连接，温度传感器3-7用于测量储能单元的温度。可设置多个温度信号处理电路3-5和多个温度传感器3-7，用于测量储能单元不同位置的温度。每个模拟切换电路3-2对一个并联节的电压进行差分取样，将并联节两端的电压差转变为对地的绝对电压，经过比例环节、滤波环节和限幅保护环节后送入AD采样芯片中，AD采样芯片将模拟量转变为数字量，用于电压动态均衡控制和相关的异常及故障检测。如图4所示，均衡控制处理器3-4采用DSPIC30F5011型芯片实现，其主要功能是对相关的并联节做出充电判断，发出相关并联节充电命令。并联节平衡单元3-1接收到命令后启动，给对应的并联节进行充电。当并联节电压上升到预定值后，均衡控制处理器3-4发出停止充电命令，并联节平衡单元3-1停止工作。均衡控制处理器3-4还具有对储能单元的温度进行监控的功能，所述储能单元包括平衡控制器3和与该平衡控制器3相连接的并联节。温度传感器3-7输出代表温度的电压信号，经过温度信号处理电路3-5的比例调整、滤波和限幅保护环节后送入均衡控制处理器3-4，均衡控制处理器3-4将温度模拟信号转变为数字信号，当温度超过预定值时，均衡控制处理器3-4发出启动风机的命令。DC-DC电源模块4为隔离电源和并联节平衡单元3-1提供工作电源，隔离电源输出两个电压等级，包括为m个模拟切换电路3-2和AD处理电路3-3提供的24V电压，以及为均衡控制处理器3-4、温度信号处理电路3-5和光耦隔离通讯电路3-6提供的5V电压。

均衡控制处理器3-4的功能包括：并联节电压检测、储能单元内部温度检测、并联节电容容量和内阻辨识、并联节电容的状态监控、储能单元温度控制、储能单元内部均衡单元控制以及与主控制器1间的信息交换等。其功能框图如图4所示，均衡控制处理器3-4的控制芯片选择高性能16位数字信号单片机，型号为DSPIC30F5011。该芯片具有16路12位ADC，其它功能包括：DSPIC30F5011芯片采用高性能改进型RISC CPU，8个中断优先级，包括I2C等数据转换器接口，两个与CAN2.0B标准兼容的CAN总线模块。

n个并联节电压信号通过m个多路模拟切换电路3-2选择后，经AD处理电路3-3转为数字量后通过光耦隔离通讯电路3-6的SPI串行信号送入均衡控制处理器3-4的单片机中。本实施方式中设置2个个温度传感器3-7和2个温度信号处理电路3-5，2路储能单元的温度信号直接送到单片机中，利用片内AD进行模拟量到数字量的转化。多路模拟切换电路3-2的选通由单片机的四路IO口控制，16路并联节平衡单元启停有单片机的16路IO口控制，风机3-8的通断也由一路IO口控制。外部存储空间是通过并行数据口进行扩展。

具体实施方式三：结合图5和图6说明本实施方式，本实施方式是对实施方式二所述的超级电容器电压均衡装置的进一步限定，本实施方式中，所述的AD处理电路3-3包括模拟处理电路3-3-1、模拟/数字转换模块3-3-2和数字隔离模块3-3-3；

模拟处理电路3-3-1的m个信号输入端分别连接m个模拟切换电路3-2的信号输出端，模拟处理电路3-3-1的信号输出端连接模拟/数字转换模块3-3-2的模拟信号输入端，模拟/数字转换模块3-3-2的数字信号输出端通过数字隔离模块3-3-3连接均衡控制处理器3-4的并联节电压信号输入端，数字隔离模块3-3-3的通道选择控制信号输出端连接m个模拟切换电路3-2的通道选择控制信号输入端。

如图6所示，将一个储能单元中的一串并联节的中间位置选为地，则60V的储能单元变为±30V，然后通过每个并联节通过分压电阻将电压进一步降低，变为±15V，这个电压范围在运放的工作电压之内，分压电阻为图6中四个模拟切换电路3-2与电容模组之间的32个电阻。16个并联节电压信号通过分压电阻的变压后，经过4个多路模拟切换电路3-2(即图6中的模拟开关芯片)的通道选择，进入模拟处理电路3-3-1。每路的并联节电压都可通过差动运放进行单独取样。模拟处理电路3-3-1采用三个运算放大器实现，运算放大器型号为LT1014，双电源15V供电。R1和C1组成一阶低通滤波器对电压信号进行滤波，D1起到限幅保护作用。当电压超过5V时，Vi电压将被钳位到5.7V，这样可防止电压信号的过压对模拟处理电路3-3-1的损坏。如图6所示，模拟处理电路3-3-1中左边的两个运放构成的跟随电路可用于阻抗隔离，以消除模拟开关的导通阻抗对采样电压的影响。

这种设计方案的显著优势在于：1、采样精度高，直接对超级电容电压进行采样，每个并联节电压采样的分辨率固定不变；2、误差无耦合，电压采样的误差只与本路采样通道相关，相邻电压采样间无耦合关系。

具体实施方式四：结合图7说明本实施方式，本实施方式是对实施方式二所述的超级电容器电压均衡装置的进一步限定。由于温度对超级电容的使用寿命具有显著影响，在使用过程中要保证储能单元内的温度不超过超级电容工作温度的范围，因此需要对储能单元内部的温度进行监控。本方案中在储能单元的不同位置放置两个温度传感器，由隔离的5V电源供电。温度传感器3-7采用PT100，输出电压信号经过图7所示的温度信号处理电路3-5后输入到均衡控制处理器3-4。温度信号处理电路3-5中的运算放大电路实现对温度传感器输出信号的比例放大，R2和C2组成一阶低通滤波环节，滤除信号中的高频干扰。VD可防止温度信号过压造成均衡控制处理器3-4的损坏。

具体实施方式五：结合图8说明本实施方式，本实施方式是对实施方式二所述的超级电容器电压均衡装置的进一步限定，本实施方式中，所述的均衡控制处理器3-4内嵌入由软件实现的均衡控制中断子模块，该模块包括以下单元：

并联节电压读取单元：不断读取并存储m个模拟切换电路3-2发来的n个并联节电压值；并在该单元运行结束之后启动并联节电压排序单元；

并联节电压排序单元：对所述的n个并联节电压值按照由高到底的顺序进行排序；并在该单元运行结束之后启动整体充电指令判断单元；

整体充电指令判断单元：判断是否接收到主控制器1发来的整体充电指令，并在判断结果为是时启动整体充电指令发送单元，在判断结果为否时启动第一最大电压差判断单元；

整体充电指令发送单元：向n个并联节平衡单元3-1发送充电指令；并在该单元运行结束之后启动整体充电结束指令判断单元；

整体充电结束指令判断单元：判断是否收到主控制器1发来的整体充电结束指令，并在判断结果为是时启动停止整体充电指令发送单元；在判断结果为否时重新启动整体充电结束指令判断单元；

停止整体充电指令发送单元：向n个并联节平衡单元3-1发送停止充电指令；并在该单元运行结束之后启动第一最大电压差判断单元；

第一最大电压差判断单元：判断n个并联节电压值中的最大值与最小值之差是否大于ΔU,并在判断结果为是时启动选择性充电指令发送单元，在判断结果为否时启动辨识单元；

选择性充电指令发送单元：向电压值最低的三个并联节所对应的并联节平衡单元3-1发送充电指令；并在该单元运行结束之后启动第二最大电压差判断单元；

第二最大电压差判断单元：判断n个并联节电压值中的最大值与最小值之差是否大于ΔU,并在判断结果为是时重新启动第二最大电压差判断单元，在判断结果为否时启动停止选择性充电指令发送步骤；

停止选择性充电指令发送步骤：向三个并联节所对应的并联节平衡单元3-1发送停止充电指令；并在该单元运行结束之后启动辨识单元；

辨识单元：计算超级电容的容量和内阻；并在该单元运行结束之后启动辨识结果发送单元；

辨识结果发送单元：将辨识单元计算得到的并联节容量和内阻发送至主控制器1；并在该单元运行结束之后启动温控单元；

温控单元：控制储能单元的温度在其正常工作的温度范围内；并在该单元运行结束之后启动整体充电指令判断单元。

均衡控制处理器3-4的软件流程如图8所示，均衡控制中断子模块首先进行并联节电压的读取。对每次读取到的并联节电压值进行存储，并覆盖上一次读取到的并联节电压值，即只存储最近一次读取到的并联节电压值。读取到的电压信号通过数字滤波后进行并联节电压由高到低排序。然后判断主控制器1是否发来储能单元整体充电指令，如果有整体充电指令，则向本储能单元内所有并联节平衡单元3-1发送充电指令，直到整体充电指令撤销。如果没有整体充电指令，则进行储能单元内部的电压均衡，判断最高并联节电压和最低并联节电压的差值是否超过ΔU，如果超过ΔU，则给电压值偏低的3个并联节平衡单元发送充电指令，直到内部均衡结束，如果最高并联节电压和最低并联节电压的差值没有超过ΔU，则退出储能单元内部均衡。本实施方式中，ΔU取25mV。然后进行并联节超级电容容量和内阻的辨识，并将辨识结果发送至主控制器1。最后读取储能单元的温度并判断是否超温，如果超温则启动冷却***，即风机3-8。

具体实施方式六：结合图9说明本实施方式，本实施方式是对实施方式五所述的超级电容器电压均衡装置的进一步限定，本实施方式中，所述的温控单元包括以下单元：

温度信号读取单元：读取并存储温度信号处理电路3-5发来的温度值；并在该单元运行结束之后启动温度判断单元；

第一温度判断单元：判断所述的温度值是否高于T₀，并在判断结果为是时启动风机启动单元，在判断结果为否时停止均衡控制中断子模块的运行；

所述的ΔU与T₀均为预先设定好的值，T₀为储能单元能够正常工作的温度上限；

风机启动单元：向风机3-8发送启动指令；并在该单元运行结束之后启动第二温度判断单元；

第二温度判断单元：判断所述的温度值是否高于T₀，并在判断结果为是时重新启动第二温度判断单元，在判断结果为否时启动风机停止单元；

风机停止单元：向风机3-8发送停止运行指令，并在该单元运行结束之后结束均衡控制中断子模块的运行。

具体实施方式七：结合图10至图12说明本实施方式，本实施方式是对实施方式五所述的超级电容器电压均衡装置的进一步限定，本实施方式中，所述的辨识单元包括以下单元：

超级电容端电压及输入电流读取单元：不断读取并存储主控制器1发来的超级电容的端电压和输入电流；并在该单元运行结束之后启动端电压及输入电流平均值计算单元；

端电压及输入电流平均值计算单元：计算最新的电压平均值u₃及最新的输入电流平均值i₃，u₃为最近p次读取的超级电容的端电压的平均值，i₃为最近p次读取的超级电容的输入电流的平均值；p为大于或等于3的整数；并在该单元运行结束之后启动电容及内阻计算单元；

电容及内阻计算单元：按照下述公式计算超级电容的电容C及内阻r；并在该单元运行结束之后启动计算结果判断单元；

u₂为最近第二次至第p+1次读取的超级电容的端电压的平均值，i₂为最近第二次至第p+1次读取的超级电容的输入电流的平均值；

u₁为最近第三次至第p+2次读取的超级电容的端电压的平均值，i₁为最近第三次至第p+2次读取的超级电容的输入电流的平均值；

计算结果判断单元：判断计算得到的C和r的值是否在正确范围之内，并在判断结果为是时启动计算结果发送单元；在判断结果为否时启动电容及内阻更新单元；

计算结果发送单元：将计算得到的C和r的值发送至主控制器1；并在该单元运行结束之后启动电容及内阻更新单元；

电容及内阻更新单元：u₁＝u₂,i₁＝i₂,u₂＝u₃,i₂＝i₃；并在该单元运行结束之后结束辨识单元运行结束。

在线实时辨识超级电容的容量和内阻对于超级电容寿命估计及故障检测具有重要意义，本实施方式采取的方法是通过对连续3组平均电压和平均电流值的计算获得的，使用这种方法可以计算出超级电容并联节的等效电容与等效串联电阻，原理如图10和图11所示。图10中u为超级电容的端电压，i为超级电容的输入电流，r为超级电容的内阻，C为超级电容的电容值，下角标1和2代表前不同时刻,T₁为i₁对应的时刻，T₂为i₂对应的时刻。

由图10和图11可知不同时刻的电压和电流存在如下关系：

其中，可以用一个上边、下边分别为i₁、i₂，高度为△T＝T₂-T₁的梯形近似表示，取不同时刻的三组数据可得：

则由(2)式整理可得超级电容容量和内阻的辨识公式：

超级电容容量和内阻辨识的算法流程如图12所示，对并联节电压和电流的连续5次采样进行平均滤波，得出的结果作为最新的电压值u₃和电流值i₃，代入公式(3)中进行计算，对计算结果进行判断，如果计算正确，更新电容容量和内阻的值并向主控制器1上传计算结果；如果不正确则舍弃本次计算结果。更新方式为舍弃u₁和i₁，将u₂和i₂的值分别赋给u₁和i₁，将u₃和i₃的值分别赋给u₂和i₂，然后结束辨识单元的运行。计算结果判断步骤中，可根据此前多次计算结果的平均值来确定正确范围，例如，取多次计算结果的平均值的上下10％为正确范围。

具体实施方式八：结合图13说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的超级电容器电压均衡装置的进一步限定，本实施方式中，所述的DC-DC电源模块4用于为整个电压均衡装置提供能量。其指标要求是：能够满足并联节总数的四分之一个并联节平衡单元3-1同时充电的功率需求。

所有并联节平衡单元3-1的四分之一按120路计算，每路最大功率为50W，则DC-DC功率变换的额定功率为120×50W＝6kW。DC-DC电源模块4的原理如图13所示，为了提高变换效率，减少谐波干扰，采用LLC谐振半桥变换器结构，可以在全电压范围内、全负载条件下使得初级端MOSFET实现ZVS(零电压开关)，次级整流二极管实现ZCS(零电流开关)，减小了开关损耗，大大提高了效率。而且在输入电压和负载范围变化比较大的情况下，其开关频率变化较小，有利于主参数的设计。本实施方式中，DC-DC电源模块4的效率为94％，并联节平衡单元3-1的效率为90％，均压***总效率为85％。

具体实施方式九：本实施方式是对实施方式一所述的超级电容器电压均衡装置的进一步限定，本实施方式中，所述的超级电容器电压均衡装置还包括显示设备，该显示设备与主控制器1连接。

显示设备采用触摸屏实现，用于对进行功能选择和设置参数等。

具体实施方式十：结合图8说明本实施方式，本实施方式是实施方式二所述的超级电容器电压均衡装置的控制方法，该方法包括以下步骤：

并联节电压读取步骤：不断读取并存储m个模拟切换电路3-2发来的n个并联节电压值；并在该步骤结束之后执行并联节电压排序步骤；

并联节电压排序步骤：对所述的n个并联节电压值按照由高到底的顺序进行排序；并在该步骤结束之后执行整体充电指令判断步骤；

整体充电指令判断步骤：判断是否接收到主控制器1发来的整体充电指令，并在判断结果为是时执行整体充电指令发送步骤，在判断结果为否时执行第一最大电压差判断步骤；

整体充电指令发送步骤：向n个并联节平衡单元3-1发送充电指令；并在该步骤结束之后执行整体充电结束指令判断步骤；

整体充电结束指令判断步骤：判断是否收到主控制器1发来的整体充电结束指令，并在判断结果为是时执行停止整体充电指令发送步骤；在判断结果为否时重新执行整体充电结束指令判断步骤；

停止整体充电指令发送步骤：向n个并联节平衡单元3-1发送停止充电指令；并在该步骤结束之后执行第一最大电压差判断步骤；

第一最大电压差判断步骤：判断n个并联节电压值中的最大值与最小值之差是否大于ΔU,并在判断结果为是时执行选择性充电指令发送步骤，在判断结果为否时执行辨识步骤；

选择性充电指令发送步骤：向电压值最低的三个并联节所对应的并联节平衡单元3-1发送充电指令；并在该步骤结束之后执行第二最大电压差判断步骤；

第二最大电压差判断步骤：判断n个并联节电压值中的最大值与最小值之差是否大于ΔU,并在判断结果为是时重新执行第二最大电压差判断步骤，在判断结果为否时执行停止选择性充电指令发送步骤；

停止选择性充电指令发送步骤：向三个并联节所对应的并联节平衡单元3-1发送停止充电指令；并在该步骤结束之后执行辨识步骤；

辨识步骤：计算超级电容的容量和内阻；并在该步骤结束之后执行辨识结果发送步骤；

辨识结果发送步骤：将辨识步骤计算得到的并联节容量和内阻发送至主控制器1；并在该步骤结束之后执行温控步骤；

温控步骤：控制储能单元的温度在其正常工作的温度范围内；并在该步骤行结束之后返回执行整体充电指令判断步骤。

本实施方式中，当主控制器1发来整体充电指令时，均衡控制处理器3-4控制与其相连接的所有并联节进行整体充电。没有进行整体充电时，均衡控制处理器3-4会监测各并联节的电压，当各并联节电压差的最大值超过预先设定好的某一数值时，开始对电压较低的3个并联节充电，以平衡各并联节的电压，直至各并联节电压差的最大值小于预先设定好的数值。在充电过程中，还需要不断地检测温度，当温度过高时，均衡控制处理器3-4控制风机开始工作，进行降温，直到温度降到正常工作温度范围内。此外，均衡控制处理器3-4还需要计算超级电容的电容容量和内电阻，并将计算结果发送给主控制器1以进行实时显示。

具体实施方式十一：结合图9说明本实施方式，本实施方式是对实施方式十所述的超级电容器电压均衡装置的控制方法的进一步限定，本实施方式中，所述的温控步骤包括以下步骤：

温度信号读取步骤：读取并存储温度信号处理电路3-5发来的温度值；并在该步骤结束之后执行第一温度判断步骤；

第一温度判断步骤：判断所述的温度值是否高于T₀，并在判断结果为是时执行风机启动步骤，在判断结果为否时结束温控步骤；

所述的ΔU与T₀均为预先设定好的值，T₀为储能单元步骤能够正常工作的温度上限；

风机启动步骤：向风机3-8发送启动指令；并在该步骤运行结束之后执行第二温度判断步骤；

第二温度判断步骤：判断所述的温度值是否高于T₀，并在判断结果为是时执行风机停止步骤，在判断结果为否时返回执行第二温度判断步骤；

风机停止步骤：向风机3-8发送停止运行指令；并在该步骤运行结束之后结束温控步骤。

具体实施方式十二：结合图10至12说明本实施方式，本实施方式是对实施方式十所述的超级电容器电压均衡装置的控制方法的进一步限定，本实施方式中，所述的辨识步骤包括以下步骤：

超级电容端电压及输入电流读取步骤：不断读取并存储主控制器1发来的超级电容的端电压和输入电流；并在该步骤结束之后执行端电压及输入电流平均值计算步骤；

端电压及输入电流平均值计算步骤：计算最新的电压平均值u₃及最新的输入电流平均值i₃，u₃为最近p次读取的超级电容的端电压的平均值，i₃为最近p次读取的超级电容的输入电流的平均值；p为大于或等于3的整数；并在该步骤结束之后执行电容及内阻计算步骤；

电容及内阻计算步骤：按照下述公式计算超级电容的电容C及内阻r；并在该步骤结束之后执行计算结果判断步骤；

u₂为最近第二次至第p+1次读取的超级电容的端电压的平均值，i₂为最近第二次至第p+1次读取的超级电容的输入电流的平均值；

u₁为最近第三次至第p+2次读取的超级电容的端电压的平均值，i₁为最近第三次至第p+2次读取的超级电容的输入电流的平均值；

计算结果判断步骤：判断计算得到的C和r的值是否在正确范围之内，并在判断结果为是时执行计算结果发送步骤；在判断结果为否时执行电容及内阻更新步骤；

计算结果发送步骤：将计算得到的C和r的值发送至主控制器1；并在该步骤结束之后执行电容及内阻更新步骤；

电容及内阻更新步骤：u₁＝u₂,i₁＝i₂,u₂＝u₃,i₂＝i₃，至此，辨识步骤结束。

辨识步骤流程如图12所示。在线实时辨识并联节电容容量和内阻对于超级电容寿命估计及故障检测具有重要意义，本实施方式采取的方法是通过对连续3组平均电压和平均电流值的计算获得的，使用这种方法可以计算出超级电容并联节的等效电容与等效串联电阻，原理如图10和图11所示。图10中u为超级电容的端电压，i为超级电容的输入电流，r为超级电容的内阻，C为超级电容的电容值，下角标1和2代表前不同时刻,T₁为i₁对应的时刻，T₂为i₂对应的时刻。计算结果判断步骤中，可根据此前多次计算结果的平均值来确定正确范围，例如，取多次计算结果的平均值的上下10％为正确范围。

Claims (7)

1.超级电容器电压均衡装置，其特征在于：它包括主控制器(1)、总电流/电压检测单元(2)、多个平衡控制器(3)和DC-DC电源模块(4)；

DC-DC电源模块(4)为主控制器(1)、总电流/电压检测单元(2)以及多个平衡控制器(3)提供工作电源；

主控制器(1)连接所述的多个平衡控制器(3)和总电流/电压检测单元(2)；

每个平衡控制器(3)用于测量超级电容器的n个并联节的端电压并为所述n个并联节充电；

总电流/电压检测单元(2)用于检测超级电容器输出端口的总电压和总电流；

所述的平衡控制器(3)包括n个并联节平衡单元(3-1)、m个模拟切换电路(3-2)、AD处理电路(3-3)、均衡控制处理器(3-4)、温度信号处理电路(3-5)、光耦隔离通讯电路(3-6)和隔离电源,m小于n；

每个并联节平衡单元(3-1)用于为一个并联节充电，并联节平衡单元(3-1)的控制信号输入端连接均衡控制处理器(3-4)的充电控制信号输出端；

每个模拟切换电路(3-2)用于测量多个并联节的端电压，m个模拟切换电路(3-2)共测量n个并联节的端电压，并将测量结果通过AD处理电路(3-3)发送至均衡控制处理器(3-4)；

温度信号处理电路(3-5)的输出端连接均衡控制处理器(3-4)的温度信号输入端，温度信号处理电路(3-5)的输入端用于连接温度传感器(3-7)；

温度传感器(3-7)用于测量储能单元的温度，并将测量结果通过温度信号处理电路(3-5)发送至均衡控制处理器(3-4)，所述储能单元包括平衡控制器(3)和与该平衡控制器(3)相连接的并联节；

均衡控制处理器(3-4)制冷控制信号输出端用于连接风机(3-8)的控制信号输入端；

均衡控制处理器(3-4)通过CAN信号传输线与主控制器(1)进行数据传输；

所述的均衡控制处理器(3-4)内嵌入由软件实现的均衡控制中断子模块，该模块包括以下单元：

并联节电压读取单元：不断读取并存储m个模拟切换电路(3-2)发来的n个并联节电压值；并在该单元运行结束之后启动并联节电压排序单元；

并联节电压排序单元：对所述的n个并联节电压值按照由高到底的顺序进行排序；并在该单元运行结束之后启动整体充电指令判断单元；

整体充电指令判断单元：判断是否接收到主控制器(1)发来的整体充电指令，并在判断结果为是时启动整体充电指令发送单元，在判断结果为否时启动第一最大电压差判断单元；

整体充电指令发送单元：向n个并联节平衡单元(3-1)发送充电指令；并在该单元运行结束之后启动整体充电结束指令判断单元；

整体充电结束指令判断单元：判断是否收到主控制器(1)发来的整体充电结束指令，并在判断结果为是时启动停止整体充电指令发送单元；在判断结果为否时重新启动整体充电结束指令判断单元；

停止整体充电指令发送单元：向n个并联节平衡单元(3-1)发送停止充电指令；并在该单元运行结束之后启动第一最大电压差判断单元；

第一最大电压差判断单元：判断n个并联节电压值中的最大值与最小值之差是否大于ΔU,并在判断结果为是时启动选择性充电指令发送单元，在判断结果为否时启动辨识单元；

选择性充电指令发送单元：向电压值最低的三个并联节所对应的并联节平衡单元(3-1)发送充电指令；并在该单元运行结束之后启动第二最大电压差判断单元；

第二最大电压差判断单元：判断n个并联节电压值中的最大值与最小值之差是否大于ΔU,并在判断结果为是时重新启动第二最大电压差判断单元，在判断结果为否时启动停止选择性充电指令发送单元；所述的ΔU为预先设定好的值；

停止选择性充电指令发送单元：向三个并联节所对应的并联节平衡单元(3-1)发送停止充电指令；并在该单元运行结束之后启动辨识单元；

辨识单元：计算超级电容的容量和内阻；并在该单元运行结束之后启动辨识结果发送单元；

辨识结果发送单元：将辨识单元计算得到的并联节容量和内阻发送至主控制器(1)；并在该单元运行结束之后启动温控单元；

温控单元：控制储能单元的温度在其正常工作的温度范围内；并在该单元运行结束之后启动整体充电指令判断单元。

2.根据权利要求1所述的超级电容器电压均衡装置，其特征在于：所述的AD处理电路(3-3)包括模拟处理电路(3-3-1)、模拟/数字转换模块(3-3-2)和数字隔离模块(3-3-3)；

模拟处理电路(3-3-1)的m个信号输入端分别连接m个模拟切换电路(3-2)的信号输出端，模拟处理电路(3-3-1)的信号输出端连接模拟/数字转换模块(3-3-2)的模拟信号输入端，模拟/数字转换模块(3-3-2)的数字信号输出端通过数字隔离模块(3-3-3)连接均衡控制处理器(3-4)的并联节电压信号输入端，数字隔离模块(3-3-3)的通道选择控制信号输出端连接m个模拟切换电路(3-2)的通道选择控制信号输入端。

3.根据权利要求1所述的超级电容器电压均衡装置，其特征在于：所述的温控单元包括以下单元：

温度信号读取单元：读取并存储温度信号处理电路(3-5)发来的温度值；并在该单元运行结束之后启动第一温度判断单元；

第一温度判断单元：判断所述的温度值是否高于T₀，并在判断结果为是时启动风机启动单元，在判断结果为否时停止均衡控制中断子模块的运行；

所述的ΔU与T₀均为预先设定好的值，T₀为储能单元能够正常工作的温度上限；

风机启动单元：向风机(3-8)发送启动指令；并在该单元运行结束之后启动第二温度判断单元；

第二温度判断单元：判断所述的温度值是否高于T₀，并在判断结果为是时重新启动第二温度判断单元，在判断结果为否时启动风机停止单元；

风机停止单元：向风机(3-8)发送停止运行指令，并在该单元运行结束之后结束均衡控制中断子模块的运行。

4.根据权利要求1所述的超级电容器电压均衡装置，其特征在于：所述的辨识单元包括以下单元：

超级电容端电压及输入电流读取单元：不断读取并存储主控制器(1)发来的超级电容的端电压和输入电流；并在该单元运行结束之后启动端电压及输入电流平均值计算单元；

端电压及输入电流平均值计算单元：计算最新的电压平均值u₃及最新的输入电流平均值i₃，u₃为最近p次读取的超级电容的端电压的平均值，i₃为最近p次读取的超级电容的输入电流的平均值；p为大于或等于3的整数；并在该单元运行结束之后启动电容及内阻计算单元；

电容及内阻计算单元：按照下述公式计算超级电容的电容C及内阻r；并在该单元运行结束之后启动计算结果判断单元；

$\left\{\begin{array}{c}C=\frac{\mathrm{\Δ}\[(i_2+i_3)(i_2-i_1)-(i_2+i_2)(i_3-i_2)\]}{2\[(u_3-u_2)(i_2-i_1)-(u_2-u_1)(i_3-i_2)\]}\\ r=\frac{(u_2-u_1)\[(u_2+i_3)(i_2-i_1)-(i_1+i_2)(i_3-i_2)\]-(i_1+i_2)\[(u_3-u_2)(i_2-i_1)-(u_2-u_1)(i_3-i_2)\]}{(i_2-i_1)\[(i_2+i_3)(i_2-i_1)-(i_1+i_2)(i_3-i_2)\]}\end{array}\right.$

u₂为最近第二次至第p+1次读取的超级电容的端电压的平均值，i₂为最近第二次至第p+1次读取的超级电容的输入电流的平均值；

u₁为最近第三次至第p+2次读取的超级电容的端电压的平均值，i₁为最近第三次至第p+2次读取的超级电容的输入电流的平均值；

△T＝T₂-T₁，T₁为i₁对应的时刻，T₂为i₂对应的时刻；

计算结果判断单元：判断计算得到的C和r的值是否在正确范围之内，并在判断结果为是时启动计算结果发送单元；在判断结果为否时启动电容及内阻更新单元；

计算结果发送单元：将计算得到的C和r的值发送至主控制器(1)；并在该单元运行结束之后启动电容及内阻更新单元；

电容及内阻更新单元：u₁＝u₂,i₁＝i₂,u₂＝u₃,i₂＝i₃；并在该单元运行结束之后结束辨识单元运行结束。

5.权利要求1所述的超级电容器电压均衡装置的控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

并联节电压读取步骤：不断读取并存储m个模拟切换电路(3-2)发来的n个并联节电压值；并在该步骤结束之后执行并联节电压排序步骤；

并联节电压排序步骤：对所述的n个并联节电压值按照由高到底的顺序进行排序；并在该步骤结束之后执行整体充电指令判断步骤；

整体充电指令判断步骤：判断是否接收到主控制器(1)发来的整体充电指令，并在判断结果为是时执行整体充电指令发送步骤，在判断结果为否时执行第一最大电压差判断步骤；

整体充电指令发送步骤：向n个并联节平衡单元(3-1)发送充电指令；并在该步骤结束之后执行整体充电结束指令判断步骤；

整体充电结束指令判断步骤：判断是否收到主控制器(1)发来的整体充电结束指令，并在判断结果为是时执行停止整体充电指令发送步骤；在判断结果为否时重新执行整体充电结束指令判断步骤；

停止整体充电指令发送步骤：向n个并联节平衡单元(3-1)发送停止充电指令；并在该步骤结束之后执行第一最大电压差判断步骤；

第一最大电压差判断步骤：判断n个并联节电压值中的最大值与最小值之差是否大于ΔU,并在判断结果为是时执行选择性充电指令发送步骤，在判断结果为否时执行辨识步骤；

选择性充电指令发送步骤：向电压值最低的三个并联节所对应的并联节平衡单元(3-1)发送充电指令；并在该步骤结束之后执行第二最大电压差判断步骤；

第二最大电压差判断步骤：判断n个并联节电压值中的最大值与最小值之差是否大于ΔU,并在判断结果为是时重新执行第二最大电压差判断步骤，在判断结果为否时执行停止选择性充电指令发送步骤；

停止选择性充电指令发送步骤：向三个并联节所对应的并联节平衡单元(3-1)发送停止充电指令；并在该步骤结束之后执行辨识步骤；

辨识步骤：计算超级电容的容量和内阻；并在该步骤结束之后执行辨识结果发送步骤；

辨识结果发送步骤：将辨识步骤计算得到的并联节容量和内阻发送至主控制器(1)；并在该步骤结束之后执行温控步骤；

温控步骤：控制储能单元的温度在其正常工作的温度范围内；并在该步骤行结束之后返回执行整体充电指令判断步骤。

6.根据权利要求5所述的超级电容器电压均衡装置的控制方法，其特征在于：所述的温控步骤包括以下步骤：

温度信号读取步骤：读取并存储温度信号处理电路(3-5)发来的温度值；并在该步骤结束之后执行第一温度判断步骤；

第一温度判断步骤：判断所述的温度值是否高于T₀，并在判断结果为是时执行风机启动步骤，在判断结果为否时结束温控步骤；

所述的ΔU与T₀均为预先设定好的值，T₀为储能单元能够正常工作的温度上限；

风机启动步骤：向风机(3-8)发送启动指令；并在该步骤运行结束之后执行第二温度判断步骤；

第二温度判断步骤：判断所述的温度值是否高于T₀，并在判断结果为是时执行风机停止步骤，在判断结果为否时返回执行第二温度判断步骤；

风机停止步骤：向风机(3-8)发送停止运行指令；并在该步骤运行结束之后结束温控步骤。

7.根据权利要求5所述的超级电容器电压均衡装置的控制方法，其特征在于：所述的辨识步骤包括以下步骤：

超级电容端电压及输入电流读取步骤：不断读取并存储主控制器(1)发来的超级电容的端电压和输入电流；并在该步骤结束之后执行端电压及输入电流平均值计算步骤；

端电压及输入电流平均值计算步骤：计算最新的电压平均值u₃及最新的输入电流平均值i₃，u₃为最近p次读取的超级电容的端电压的平均值，i₃为最近p次读取的超级电容的输入电流的平均值；p为大于或等于3的整数；并在该步骤结束之后执行电容及内阻计算步骤；

电容及内阻计算步骤：按照下述公式计算超级电容的电容C及内阻r；并在该步骤结束之后执行计算结果判断步骤；

$\left\{\begin{array}{c}C=\frac{\mathrm{\Δ}T\[(i_2+i_3)(i_2-i_1)-(i_1+i_2)(i_3-i_2)\]}{2\[(u_3-u_2)(i_2-i_1)-(u_2-u_1)(i_3-i_2)\]}\\ r=\frac{(u_2-u_1)\[(i_2+i_3)(i_2-i_1)-(i_1+i_2)(i_3-i_2)\]-(i_1+i_2)\[(u_3-u_2)(i_2-i_1)-(u_2-u_1)(i_3-i_2)\]}{(i_2-i_1)\[(i_2+i_3)(i_2-i_1)-(i_1+i_2)(i_3-i_2)\]}\end{array}\right.$

u₂为最近第二次至第p+1次读取的超级电容的端电压的平均值，i₂为最近第二次至第p+1次读取的超级电容的输入电流的平均值；

u₁为最近第三次至第p+2次读取的超级电容的端电压的平均值，i₁为最近第三次至第p+2次读取的超级电容的输入电流的平均值；

△T＝T₂-T₁，T₁为i₁对应的时刻，T2为i2对应的时刻；

计算结果判断步骤：判断计算得到的C和r的值是否在正确范围之内，并在判断结果为是时执行计算结果发送步骤；在判断结果为否时执行电容及内阻更新步骤；

计算结果发送步骤：将计算得到的C和r的值发送至主控制器(1)；并在该步骤结束之后执行电容及内阻更新步骤；

电容及内阻更新步骤：u₁＝u₂,i₁＝i₂,u₂＝u₃,i₂＝i₃，至此，辨识步骤结束。