CN109888868B - 一种基于相位控制的超级电容恒流充电方法及其充电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相位控制的超级电容恒流充电方法及其充电***，其中充电***通过在直流输入电源与超级电容组模块之间并联设置若干个充电模块，每个充电模块对应设置充电控制模块，每个所述充电模块均包括开关管；充电方法为：利用各充电控制模块，通过获取当前数据，并根据本地充电模块和与本地并联的各毗邻充电模块的输出电流值对对应的本地充电模块进行协同电流控制，且根据前后两个充电模块分别与本地充电模块的相位差对对应的本地充电模块进行相位控制，从而使所有充电模块的输出电流值相同，且相位值呈等差分布，以减少总输出电流的电流纹波，提高了应用该充电方法的充电***的可靠性和超级电容的寿命。

Description

一种基于相位控制的超级电容恒流充电方法及其充电装置

技术领域

本发明属于超级电容充电领域，具体涉及一种基于相位控制的超级电容恒流充电方法及其充电装置。

背景技术

作为一种绿色智能城市轨道技术，超级电容储能式轻轨受到越来越广泛的关注。由于在实际应用中要求在短时间内实现对超级电容储能装置完成充电，因此研制大功率充电***对于促进储能式轻轨技术的发展具有重要的意义。

设计单个充电模块来提供如此大的功率是非常昂贵和困难的，因此在实际中，采用多个充电模块通过并联来给超级电容提供能量，这样可以减少开关器件的功率等级要求，并且提高了***的可靠性。

当前的多模块充电***的控制策略集中在分散式控制、主从控制和协同控制。分散式控制将所有充电模块都分立起来，互相不联系，由于缺乏信息沟通，这种方法在***层面上，性能不足。主从控制通过通信，实现从模块跟随主模块的电流输出来实现各模块电流相同，但是由于容易出现单点故障的问题，可靠性很低。协同控制实现上面两种控制方式的优点，然而这些方法都只围绕实现所有充电模块提供相同的电流，没有关注输出电流纹波对充电和超级电容的影响。如果电流纹波较大，会降低整个充电***的可靠性，并且会缩短超级电容的寿命，因此在实现各个充电模块输出相同的电流的同时，减少总电流的纹波是至关重要的。

发明内容

基于现有技术存在的技术问题，本发明提供一种基于相位控制的超级电容恒流充电方法及其充电装置，实现多个充电模块输出相同的电流并且减少总输出电流的输出纹波。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于相位控制的超级电容恒流充电方法，包括以下步骤：

步骤1，在直流输入电源与超级电容组模块之间并联设置若干个充电模块，每个充电模块对应设置充电控制模块，所述充电模块包括开关管；

步骤2，依次将每个充电模块作为本地充电模块，其余充电模块作为毗邻充电模块，获取每个充电模块的当前数据；

B1，获取本地充电模块的输出电流值，从各毗邻充电控制模块获取各毗邻充电模块的输出电流值；

B2，获取本地充电模块、前一个充电模块以及后一个充电模块的PWM信号相位值；

步骤3，各充电控制模块更新PWM信号；

C1，根据本地充电模块的输出电流、各毗邻充电模块的输出电流以及参考电流，计算本地充电模块的电流误差信号δ_k，并根据PID控制算法将电流误差信号转化为更新的PWM信号的占空比；

C2，根据本地充电模块、前一个充电模块以及后一个充电模块的PWM信号相位值，计算本地充电模块的相位差差值，从而根据PI控制算法将相位误差信号转化为更新的PWM信号的相位值；

C3，根据本地充电模块的更新的PWM信号的占空比和相位值，生成更新的PWM信号；

步骤4，各充电控制模块更新的PWM信号作用于对应的充电模块的开关管的状态，所有更新的PWM信号的占空比使所有充电模块的输出电流幅值相同，所有更新的PWM信号的相位使所有充电模块的输出电流的相位呈等差分布。

本发明通过在直流输入电源与超级电容组模块之间并联设置若干个充电模块，每个充电模块对应设置充电控制模块，每个所述充电模块均包括开关管和与开关管串联的电感；各充电控制模块，通过获取当前数据，并根据本地充电模块和与本地并联的各毗邻充电模块的输出电流值对对应的本地充电模块进行协同电流控制，且根据前后两个充电模块分别与本地充电模块的相位差对对应的本地充电模块进行相位控制，从而使所有充电模块的输出电流值相同，且相位值呈等差分布，以减少总输出电流的电流纹波，提高了充电***的可靠性和超级电容的寿命。

进一步地，电流误差信号δ_k由电流***按以下公式计算得到：

更新的PWM信号占空比d_k由占空比补偿器按以下公式计算得到：

其中，g_k为本地电流***的跟随增益，a_km是各毗邻充电流***的跟踪增益，K_p1为本地占空比补偿器的增益，T_i1和T_d1分别为本地占空比补偿器的积分参数和微分参数，δ_k'为电流误差信号δ_k经Laplace变换后的信号，L^-1()表示Laplace反变换。

占空比补偿器考虑了误差的积分和微分特性，有更快的跟随性能，并且能消除稳态误差，保证各充电模块电流均衡的效果，提高了***的性能。

进一步地，相位差差值的计算方法为：

利用鉴相器模块根据本地充电模块k的PWM信号相位

前一个充电模块k-1的PWM信号相位

下一个充电模块k+1的PWM信号相位

计算本地充电模块k与前一个充电模块k-1的PWM信号相位差

和下一个充电模块与本地充电模块k的PWM信号相位差

从而获得本地充电模块k的PWM信号相位差差值△θ_k；其中，

采用相位控制，通过计算前后两个充电模块分别与本地充电模块的相位差，从而对对应本地充电模块进行相位控制，使所有充电模块的相位值呈等差分布，以减少总输出电流的电流纹波，提高了充电***的可靠性和超级电容的寿命。

进一步地，更新的PWM信号相位值由相位补偿器采用PI控制器，并基于PI控制算法计算本地充电模块k的更新的PWM信号相位值

其中，K_p2为本地相位补偿器的增益，T_i2为本地相位补偿器的积分参数，△θ_k'为相位差差值△θ_k经Laplace变换后的信号。

相位补偿器采用PI控制器，考虑了误差信号的积分特性，可以消除相位值的稳态误差，提高相位的精确性。

进一步地，所述鉴相器模块包括低通滤波器和减法器，所述鉴相器模块以脉冲信号的方式输出本地充电模块k与前一个充电模块k-1的PWM信号相位差

和下一个充电模块 k+1与本地充电模块k的PWM信号相位差

低通滤波器接收并将两个PWM信号相位差

分别转换为电压信号，减法器接收并计算两个电压信号的差值得到本地充电模块k 的PWM信号相位差差值△θ_k。

进一步地，在步骤1中设置各充电模块k的输出电流的初始相位

为：

其中，n为充电模块的数量。

进一步地，包括若干个并联设置于直流输入电源与超级电容组模块之间的充电模块，每个所述充电模块均包括开关管和与开关管串联的电感，且每个充电模块对应设置有充电控制模块；

所述充电控制模块包括电源供电模块、模拟量采集模块、鉴相器模块、协同控制模块和信号驱动模块；其中，模拟量采集模块、鉴相器模块、信号驱动模块均与协同控制模块连接，模拟量采集模块、鉴相器模块、信号驱动模块均与充电模块连接；

所有充电控制模块之间均通过所述模拟量采集模块相互连接。

本发明的超级电容充电***，包括若干个并联设置于直流输入电源与超级电容组模块之间的充电模块，每个所述充电模块均包括开关管和与开关管串联的电感，且每个充电模块对应设置有充电控制模块；各个充电控制模块，根据本地充电模块和与本地并联的各毗邻充电模块的输出电流值对对应的本地充电模块进行协同电流控制，根据前后两个充电模块分别与本地充电模块的相位差对对应的本地充电模块进行相位控制，从而使所有充电模块的输出电流值相同，且相位值呈等差分布，以减少总输出电流的电流纹波，提高了充电***的可靠性和超级电容的寿命。

进一步地，所述模拟量采集模块包括：低通滤波电路、电流传感器、通信芯片和双端口存储单元，所有模块量采集模块之间通过所述通信芯片相互连接；所述充电模块的输出端经低通滤波电路与电流传感器连接；所述通信芯片与电流传感器连接，且通过双端口存储单元与协同控制模块连接。

有益效果

本发明的充电***，通过在直流输入电源与超级电容组模块之间并联设置若干个充电模块，每个充电模块对应设置充电控制模块，每个所述充电模块均包括开关管和与开关管串联的电感；充电方法为：利用各充电控制模块，通过获取当前数据，并根据本地充电模块和与本地并联的各毗邻充电模块的输出电流值对对应的本地充电模块进行协同电流控制，且根据前后两个充电模块分别与本地充电模块的相位差对对应的本地充电模块进行相位控制，从而使所有充电模块的输出电流值相同，且相位值呈等差分布，以减少总输出电流的电流纹波，提高了应用该充电方法的充电***的可靠性和超级电容的寿命。

附图说明

图1为多模块充电***的控制方法流程示意图；

图2为多模块充电***的协同恒流控制算法示意图；

图3为多模块充电***的相位控制算法示意图；

图4为本发明的充电***简图；

图5为本发明的充电***详细框图。

具体实施方式

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。

如图1所示，本发明提供一种基于相位控制的超级电容恒流充电方法，主要以下步骤：

步骤1，在直流输入电源与超级电容组模块之间并联设置若干个充电模块，每个充电模块对应设置充电控制模块，所述充电模块均包括开关管和与开关管串联的电感；且设置各充电模块k的输出电流的初始相位

为：

其中，n为充电模块的数量。

在本实施例中，本地是指位于同一充电模块上或与该充电模块对应的充电控制模块上的不同模块之间的关系，其余不同模块之间的关系则为毗邻关系。

步骤2，依次将每个充电模块作为本地充电模块，其余充电模块作为毗邻充电模块，获取每个充电模块的当前数据；

B1，采集本地充电模块的输出电流值，从各毗邻充电控制模块获取各毗邻充电模块的输出电流值；

B2，获取本地充电模块、前一个充电模块以及后一个充电模块的PWM信号相位值；

步骤3，各充电控制模块更新PWM信号；

C1，计算本地充电模块的更新的PWM信号的占空比；

各充电控制模块比较本地充电模块k的输出电流i_k、参考电流i₀以及各毗邻充电模块的输出电流i_m；如果都相等，则保持本地充电模块k的当前PWM信号占空比；否则，

如图2所示，本发明在各充电控制模块设置协同电流***，基于协同控制算法计算本地充电模块k的电流误差信号δ_k；且采用PID控制器作为占空比补偿器，基于经典PID算法计算本地充电模块k的更新的PWM信号占空比d_k：

其中，g_k为本地电流***的跟随增益，a_km是各毗邻充电流***的跟踪增益，K_p1为本地占空比补偿器的增益，T_i1和T_d1分别为本地占空比补偿器的积分参数和微分参数，δ_k'为电流误差信号δ_k经Laplace变换后的信号，L^-1()表示Laplace反变换。在本实施例中，占空比补偿器采用经典PID算法进行计算，占空比补偿器的增益设置为K_p1＝0.015，积分参数设置为T_i1＝0.01，微分参数设置为T_d1＝0.005。

占空比补偿器考虑了误差的积分和微分特性，有更快的跟随性能，并且能消除稳态误差，保证各充电模块电流均衡的效果，提高了***的性能。

C2，计算本地充电模块k的更新的PWM信号相位值；

鉴相器模块根据本地充电模块k的PWM信号相位

前一个充电模块k-1的PWM信号相位

下一个充电模块k+1的PWM信号相位

计算本地充电模块k与前一个充电模块k-1的PWM信号相位差

和下一个充电模块与本地充电模块k的PWM信号相位差

从而获得本地充电模块k的PWM信号相位差差值△θ_k：

其中，

在本实施例中，鉴相器模块包括低通滤波器和减法器，所述鉴相器模块以脉冲信号的方式输出本地充电模块k与前一个充电模块k-1的PWM信号相位差

和下一个充电模块与本地充电模块k的PWM信号相位差

低通滤波器接收并将两个PWM信号相位差

分别转换为电压信号，减法器接收并计算两个电压信号的差值得到本地充电模块k的PWM信号相位差差值△θ_k。

然后在协同控制模块设置相位补偿器，相位补偿器采用PI控制器并基于PI控制算法，如图3所示，根据本地充电模块k的PWM信号相位差差值△θ_k，采用相位控制方法计算本地充电模块k的更新的PWM信号相位值

其中，K_p2为本地相位补偿器的增益，T_i2为本地相位补偿器的积分参数，△θ_k'为相位差差值△θ_k经Laplace变换后的信号。在本实施例中，相位补偿器采用经典PI控制算法进行计算，具体的相位补偿器的增益为K_p2＝0.05，T_i2＝0.005。

相位补偿器采用PI控制器，考虑了误差信号的积分特性，可以消除相位值的稳态误差，提高相位的精确性。

C3，根据本地充电模块的更新的PWM信号的占空比和相位值，生成更新的PWM信号。

步骤4，各充电控制模块更新的PWM信号作用于对应的充电模块的开关管的状态，所有更新的PWM信号的占空比使所有充电模块的输出电流幅值相同，所有更新的PWM信号的相位使所有充电模块的输出电流的相位呈等差分布；

协同控制模块生成更新的PWM信号，该更新的PWM信号符合更新的PWM信号占空比d_k和PWM信号相位值

由于该更新的PWM信号由协同控制模块的PWM输出端输出，其电压范围为0-3.3V，故信号驱动模块再将电压范围为0-3.3V的PWM信号转换为电压范围为-15—+15V的PWM信号，从而控制本地充电模块k中的开关管的开关状态，以调整本地充电模块的输出电流的幅值和相位。

所有充电控制模块均如上述控制方法工作，改变与其对应的充电模块的输出电流的幅值和相位，使所有充电模块的输出电流值相同且相位值呈等差分布。由于充电模块所采用的 Buck电路中电感上的电流不能突变，当开关管闭合时，直流输入电源相当于给电感注入能量，因此电流呈上升趋势；相反，当开关管断开时，相当于电感给负载输出能量，因此电流呈下降趋势，所以Buck电路的输出电流实质上呈锯齿波的形状。各个充电模块输出电流的相位相同的时候，输出电流中锯齿波的峰值叠加在一起，导致总输出电流的峰峰值很大，即电流纹波很大。若采用各充电模块的相位呈等差错开的方式，使各充电模块的输出电流的峰值错开，从而减少总输出电流的电流纹波，提高了充电***的可靠性和超级电容的寿命。

如图4、5所示，本实施例提供一种基于上述充电方法的超级电容充电***，包括若干个并联设置于直流输入电源与超级电容组模块之间的充电模块，每个所述充电模块均包括开关管和与开关管串联的电感，每个充电模块对应连接有充电控制模块，所述充电控制模块包括电源供电模块、模拟量采集模块、鉴相器模块、协同控制模块和信号驱动模块。其中，模拟量采集模块、鉴相器模块、信号驱动模块均与协同控制模块连接，模拟量采集模块、鉴相器模块、信号驱动模块均与充电模块连接；所述电源供电模块为本地充电模块和本地充电控制模块提供电源。

模拟量采集模块，用于采集本地充电模块k的输出电流i_k和获取各毗邻充电模块m的输出电流i_m以及参考电流i₀，并发送给本地协同控制模块。

鉴相器模块，用于获取本地充电模块k的PWM信号相位θ_k、前一个充电模块k-1的PWM 信号相位θ_k-1、下一个充电模块k+1的PWM信号相位θ_k+1，并计算本地充电模块k与前一个充电模块k-1的PWM信号相位差

和下一个充电模块k+1与本地充电模块k的PWM信号相位差

从而获得本地充电模块k的PWM信号相位差差值△θ_k，并发送给本地协同控制模块。

在协同控制模块设置协同电流***和占空比补偿器，其中：

协同电流***，用于根据本地充电模块k的输出电流i_k、各毗邻充电模块m的输出电流i_m以及参考电流i₀，基于协同控制算法计算本地充电模块k的电流误差信号δ_k；

占空比补偿器采用PID控制器，用于根据本地充电模块k的电流误差信号δ_k，基于PID 算法计算本地充电模块k的更新的PWM信号占空比d_k。

在协同控制模块设置相位补偿器，其中相位补偿器采用PI控制器，用于根据本地充电模块k的PWM信号相位差差值△θ_k，基于PI控制算法计算本地充电模块k的更新的PWM信号相位

信号驱动模块，与协同控制模块的PWM输出端口连接，用于将协同控制模块输出的更新的PWM信号，进行电平转换，将其转化为可控制充电模块k中的开关管的驱动信号，即将协同控制模块输出的电压范围由0-3.3V放大到-15—+15V，从而作用于本地充电模块k中的开关管的控制端，以控制该开关管的并关状态，从而调节本地充电模块k的输出电流的幅值和相位。

所有充电控制模块均如上述工作模式工作，从而改变与其对应的充电模块的输出电流的幅值和相位，使所有充电模块的输出电流值相同且相位值呈等差分布，以减少总输出电流的电流纹波，提高了充电***的可靠性和超级电容的寿命。

其中，模拟量采集模块包括：低通滤波电路、模拟量传感器、通信芯片和双端口存储单元；所述充电模块经低通滤波电路与电流传感器连接；通信芯片与电流传感器连接，还通过双端口存储单元与协同控制模块连接。

输出电流首先经低通滤波电路得到噪声较少的输出电流，模拟量传感器采集并进行电平转换后发送给通信芯片；控制模块通过外部地址数据总线和一双端口存储单元来与通信芯片连接，可以通过通信总线为控制模块提供输出电流数据，双端口存储单元则可用来缓冲数据。

电源供电模块，接入直流24V电压，经电源转换模块为整个充电控制模块提供电源：将转换为±15V的正负电压为模拟量采集模块的电流传感器供电以及为充电模块中的开关管提供驱动电压，转换为5V的电源用来进一步转换为协同控制模块供电。

本发明的研发由国家自然科学基金项目61672539，61672537，61803394，61873353提供部分支持。

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。

Claims (8)

1.一种基于相位控制的超级电容恒流充电方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在直流输入电源与超级电容组模块之间并联设置若干个充电模块，每个充电模块对应设置充电控制模块，所述充电模块包括开关管；

步骤2，依次将每个充电模块作为本地充电模块，其余充电模块作为毗邻充电模块，获取每个充电模块的当前数据；

B1，获取本地充电模块的输出电流值，从各毗邻充电控制模块获取各毗邻充电模块的输出电流值；

B2，获取本地充电模块、前一个充电模块以及后一个充电模块的PWM信号相位值；

步骤3，各充电控制模块更新PWM信号；

C1，根据本地充电模块的输出电流、各毗邻充电模块的输出电流以及参考电流，计算本地充电模块的电流误差信号δ_k，并根据PID控制算法将电流误差信号转化为更新的PWM信号的占空比；

C2，根据本地充电模块、前一个充电模块以及后一个充电模块的PWM信号相位值，计算本地充电模块的相位差差值，从而根据PI控制算法将相位误差信号转化为更新的PWM信号的相位值；

C3，根据本地充电模块的更新的PWM信号的占空比和相位值，生成更新的PWM信号；

步骤4，各充电控制模块更新的PWM信号作用于对应的充电模块的开关管的状态，所有更新的PWM信号的占空比使所有充电模块的输出电流幅值相同，所有更新的PWM信号的相位使所有充电模块的输出电流的相位呈等差分布。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，电流误差信号δ_k由电流***按以下公式计算得到：

更新的PWM信号占空比d_k由占空比补偿器按以下公式计算得到：

其中，g_k为本地电流***的跟随增益，a_km是各毗邻充电流***的跟踪增益，K_p1为本地占空比补偿器的增益，T_i1和T_d1分别为本地占空比补偿器的积分参数和微分参数，δ′_k为电流误差信号δ_k经Laplace变换后的信号，L^-1()表示Laplace反变换；i_k表示本地充电模块k的输出电流，i₀表示参考电流，i_m表示各毗邻充电模块的输出电流。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，相位差差值的计算方法为：

利用鉴相器模块根据本地充电模块k的PWM信号相位

前一个充电模块k-1的PWM信号相位

下一个充电模块k+1的PWM信号相位

计算本地充电模块k与前一个充电模块k-1的PWM信号相位差

和下一个充电模块与本地充电模块k的PWM信号相位差

从而获得本地充电模块k的PWM信号相位差差值Δθ_k；其中，

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，更新的PWM信号相位值由相位补偿器采用PI控制器，并基于PI控制算法计算本地充电模块k的更新的PWM信号相位值

其中，K_p2为本地相位补偿器的增益，T_i2为本地相位补偿器的积分参数，Δθ′_k为相位差差值Δθ_k经Laplace变换后的信号。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述鉴相器模块包括低通滤波器和减法器，所述鉴相器模块以脉冲信号的方式输出本地充电模块k与前一个充电模块k-1的PWM信号相位差

和下一个充电模块k+1与本地充电模块k的PWM信号相位差

低通滤波器接收并将两个PWM信号相位差

分别转换为电压信号，减法器接收并计算两个电压信号的差值得到本地充电模块k的PWM信号相位差差值Δθ_k。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤1中设置各充电模块k的输出电流的初始相位

为：

其中，n为充电模块的数量。

7.一种应用权利要求1-6任一所述方法的充电***，其特征在于，包括若干个并联设置于直流输入电源与超级电容组模块之间的充电模块，每个所述充电模块均包括开关管和与开关管串联的电感，且每个充电模块对应设置有充电控制模块；

所述充电控制模块包括电源供电模块、模拟量采集模块、鉴相器模块、协同控制模块和信号驱动模块；其中，模拟量采集模块、鉴相器模块、信号驱动模块均与协同控制模块连接，模拟量采集模块、鉴相器模块、信号驱动模块均与充电模块连接；

所有充电控制模块之间均通过所述模拟量采集模块相互连接。

8.根据权利要求7所述的***，其特征在于，所述模拟量采集模块包括：低通滤波电路、电流传感器、通信芯片和双端口存储单元，所有模块量采集模块之间通过所述通信芯片相互连接；所述充电模块的输出端经低通滤波电路与电流传感器连接；所述通信芯片与电流传感器连接，且通过双端口存储单元与协同控制模块连接。

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