CN111262323A - 一种基于协同控制的可重构超级电容充电方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于协同控制的可重构超级电容充电方法及装置，使用恒流源为超级电容主拓扑电路中的超级电容充电，其中，超级电容主拓扑电路包括若干相互串联的超级电容单元，每个超级电容单元包括1个超级电容和2个开关管，超级电容与其中1个开关管串联后再与另1个开关管并联，且该2个开关管的实时控制方法为：获取本地超级电容的电压和邻居超级电容的电压，采用协同均衡控制方法计算本地超级电容电压与参考电压、邻居超级电容电压的误差电压，并根据误差电压生成PWM信号，根据PWM信号驱动超级电容单元中的2个开关管。本发明提高整个储能***的能量利用率，延长超级电容储能***的使用寿命。

Description

一种基于协同控制的可重构超级电容充电方法及装置
技术领域
本发明属于电力电子领域，涉及一种基于协同控制的可重构超级电容充电方法及装置。
背景技术
超级电容与传统锂电池相比，具有容量大、功率密度高、瞬时电流大、充放电速度快、循环寿命长等优点。它们已经被广泛应用于各类大功率应用场景中，比如各种复杂的公共交通环境，以及便携式电子产品等低功率领域中。由于超级电容单体电压只能达到2.7V，在实际应用中，为了提高整个超级电容储能***的电压以及储存容量，常常需将多个超级电容串联起来。然而，由于超级电容在制造过程中会受到某些限制条件，每个超级电容的电容、内阻、自放电速率都会有所差异，因此，超级电容在串联时常常会出现电压不平衡的问题。这种不均衡不加以控制必然会导致超级电容在充放电过程中出现过充或过放的问题，因此研究超级电容在串联时如何消除不均衡现象变得尤为重要。
均衡电路主要包括主动式均衡和被动式均衡两种电路，被动式均衡电路将高电压超级电容中多余的能量耗散在功率电阻上面，尽管被动式均衡电路能量效率较低，但在***规模和成本预算有限的低功耗应用中深受青睐。主动式均衡电路借助有源元件，如电容、电感，将高电压超级电容的多余能量传递给低电压超级电容，主动式均衡电路具有很高的能量效率，但是电路复杂，设计成本高，因此通常用于大功率应用中。然而，主动式均衡与被动式均衡电路都是固定的拓扑，当最弱的单体达到其EoL(end-of-life)时，整个超级电容组都会失效，这大大降低了超级电容储能***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
针对现有技术中超级电容在充电过程中过冲会加速超级电容老化速度，使得其寿命缩短的问题，本发明提供一种基于协同控制的可重构超级电容充电方法及装置，提高整个储能***的能量利用率，延长超级电容储能***的使用寿命。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于协同控制的可重构超级电容充电方法，使用恒流源为超级电容主拓扑电路中的超级电容充电，其中，超级电容主拓扑电路包括若干相互串联的超级电容单元，每个超级电容单元包括1个超级电容和2个开关管，超级电容与其中1个开关管串联后再与另1个开关管并联，且该2个开关管的实时控制方法为：
获取本地超级电容的电压和邻居超级电容的电压，采用协同均衡控制方法分别计算本地超级电容电压与参考电压之差、本地超级电容电压与邻居超级电容电压之差，然后将两种误差求和产生误差电压，并根据误差电压生成PWM信号，根据PWM信号驱动超级电容单元中的2个开关管。
在更优的技术方案中，协同均衡控制方法的计算公式为：
Figure BDA0002385619030000021
式中，i为本地超级电容，ei为超级电容i的误差电压，x0为参考电压，xi为超级电容i的电压，xj为邻居超级电容j的电压，Ni为所有邻居超级电容构成的集合；如果超级电容i能接受到超级电容j的信息，则称超级电容j为超级电容i的邻居，且有aij＝1，反之aij＝0；若超级电容i的电压能充到参考电压x0，则gi＝1，反之gi＝0。
在更优的技术方案中，根据误差电压是否大于0，以生成高电平或低电平，得到PWM信号。
在更优的技术方案中，当ei≤0时，PWM信号输出高平电，通过驱动电路使并联开关管闭合、串联开关管断开；否则PWM信号输出低电平，通过驱动电路使串联开关管闭合、并联开关管断开。
本发明还提供一种基于协同控制的可重构超级电容充电装置，使用恒流源为超级电容主拓扑电路中超级电容充电，其中，超级电容主拓扑电路包括若干相互串联的超级电容单元，每个超级电容单元包括1个超级电容和2个开关管，超级电容与其中1个开关管串联后再与另1个开关管并联；所述基于协同控制的可重构超级电容充电装置包括：为每个超级电容单元设置的控制电路、采样电路和驱动电路；
所述采样电路，用于采集本地超级电容的电压值并发送给本地控制电路；
所述控制电路，用于将接收到的本地超级电容的电压值发送给邻居控制电路，并根据接收到的本地超级电容的电压值和邻居超级电容的电压值，按照协同均衡控制算法分别计算本地超级电容电压与参考电压之差、本地超级电容电压与邻居超级电容电压之差，然后将两种误差求和产生误差电压，并根据误差电压生成PWM信号，再将PWM信号发送给本地驱动电路；
所述驱动电路，用于根据接收到的PWM信号驱动本地超级电容的并联开关管和串联开关管，从而控制对本地超级电容充电。
在更优的技术方案中，所述协同均衡控制算法分别计算本地超级电容电压与与参考电压之差、本地超级电容电压与邻居超级电容电压之差，然后将两种误差求和产生误差电压，误差电压的计算公式为：
Figure BDA0002385619030000031
式中，i为本地超级电容，ei为超级电容i的误差电压，x0为参考电压，xi为超级电容i的电压，xj为邻居超级电容j的电压，Ni为所有邻居超级电容构成的集合；如果超级电容i能接受到超级电容j的信息，则称超级电容j为超级电容i的邻居，且有aij＝1，反之aij＝0；若超级电容i的电压能充到参考电压x0，则gi＝1，反之gi＝0。
在更优的技术方案中，根据误差电压是否大于0，以生成高电平或低电平，得到PWM信号。
在更优的技术方案中，当ei≤0时，PWM信号输出高平电，通过驱动电路使并联开关管闭合、串联开关管断开；否则PWM信号输出低电平，通过驱动电路使串联开关管闭合、并联开关管断开。
在更优的技术方案中，所述装置还包括低通滤波电路，设置于采样电路与控制电路之间，用于对采集到的电压数据进行低通滤波再发送给控制电路。
有益效果
本发明将各超级电容分别使用两个开关管构建超级电容主拓扑电路，对于每个超级电容：通过实时采集本地和邻居超级电容的电压，采取协同控制方法控制其两个开关管的通断，进而控制当前是否使用恒流源给该超级电容充电：只给当前电压最小的1个或若干个超级电容充电；循环使用该控制方法，直到所有超级电容均充电至参考电压，切断所有串联开关管，停止所有超级电容的充电。
发明能够根据超级电容当前的实时电压，动态调整其开关管以调整电压和电流，从而可以实现较高的能量转换效率，还可以防止超级电容过充从而延长超级电容使用寿命；可以很容易地将老化严重的超级电容从超级电容组中分离出来以此延长整个储能***的使用寿命；另外相对于现有技术中引入功率电阻进行被动均压而言，本发明提高了储能***的能量利用率。
附图说明
图1是本发明实施例所述的超级电容主拓扑电路图；
图2是本发明实施例所述充电方法的原理图；
图3是本发明实施例所述充电装置的CPS模型示意图；
图4是本发明实施所述方法及装置采用协同控制算法来提高超级电容寿命原理图。
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。
参见图1，本发明提供一种基于协同控制的可重构超级电容充电方法及装置，使用恒流源为超级电容主拓扑电路中超级电容充电，其中，参考图1所示，超级电容主拓扑电路包括若干相互串联的超级电容单元，每个超级电容单元包括1个超级电容Ci和2个开关管Sia、Sib，超级电容与其中1个开关管Sib串联后再与另1个开关管Sia并联。参照图2、3所示，本发明实施例基于协同控制的可重构超级电容充电装置包括：为每个超级电容单元设置的控制电路、采样电路、低通滤波电路和驱动电路；
所述采样电路，用于采集本地超级电容的电压值，并经过低通滤波电路进行低通滤波再发送给本地控制电路；
所述控制电路，用于将接收到的本地超级电容的电压值发送给邻居控制电路，并根据接收到的本地超级电容的电压值和邻居超级电容的电压值，按照协同均衡控制算法分别计算本地超级电容电压与参考电压之差、本地超级电容电压与邻居超级电容电压之差，然后将两种误差求和产生误差电压，并根据误差电压生成PWM信号，再将PWM信号发送给本地驱动电路；
所述驱动电路，用于根据接收到的PWM信号驱动本地超级电容的并联开关管和串联开关管，从而控制对本地超级电容充电。
在本实施例中，滤波电路采用2阶低通滤波电路来实现；控制电路采用TMS320F2808来搭建控制板；驱动电路采用“图腾柱”驱动电路来驱动开关管，可以严格保证开关管完全导通与完全判断；开关管选用功率MOSFET。另外，电源模块选用VRA2415YMD-6WR3-DUAL和DCR022405P-U两款电源模块，前者是24V转±15V电源模块，用于主拓扑电路供电，后者24V转5V给控制电路供电。控制电路之间的通信，采用TMSF2808的串口模块、RS485通信模块。
基于上述充电装置，本发明实施例基于协同控制的可重构超级电容充电方法，其中对每个超级电容的2个开关管的实时控制方法均为：
首先，获取本地超级电容的电压和邻居超级电容的电压，采用协同均衡控制方法分别计算本地超级电容电压与参考电压之差、本地超级电容电压与邻居超级电容电压之差，然后将两种误差求和产生误差电压，误差电压计算公式为：
Figure BDA0002385619030000041
式中，i为本地超级电容，ei为超级电容i的误差电压，x0为参考电压，xi为超级电容i的电压，xj为邻居超级电容j的电压，Ni为所有邻居超级电容构成的集合；如果超级电容i能接受到超级电容j的信息，则称超级电容j为超级电容i的邻居，且有aij＝1，反之aij＝0；若超级电容i的电压能充到参考电压x0，则gi＝1，反之gi＝0。
然后，根据误差电压是否大于0，以生成PWM信号的高低电平，根据PWM信号驱动超级电容单元中的2个开关管的开关。
在本实施例中，当ei≤0时，PWM信号输出高平电，通过驱动电路使并联开关管Sia闭合、串联开关管Sib断开；否则PWM信号输出低电平，通过驱动电路使串联开关管Sib闭合、并联开关管Sia断开。
本发明将各超级电容分别使用两个开关管构建超级电容主拓扑电路，对于每个超级电容：通过实时采集本地和邻居超级电容的电压，采取协同控制方法控制其两个开关管的通断，进而控制当前是否使用恒流源给该超级电容充电：只给当前电压最小的1个或若干个超级电容充电；循环使用该控制方法，直到所有超级电容均充电至参考电压，切断所有串联开关管，停止所有超级电容的充电。
本发明能够根据超级电容当前的实时电压，动态调整其开关管以调整电压和电流，从而可以实现较高的能量转换效率，还可以防止超级电容过充从而延长超级电容使用寿命；可以很容易地将老化严重的超级电容从超级电容组中分离出来以此延长整个储能***的使用寿命；另外相对于现有技术中引入功率电阻进行被动均压而言，本发明提高了充电***的能量利用率。
为验证本发明实施例所述的方法及装置可以提高超级电容的寿命，以下设计了三种方案来对超级电容充电，并将三种方案分析对比。
在设计PCB电路时，选取RA2415YMD-6WR3-DUAL和DCR022405P-U两款电源模块，前者是24V转±15V电源模块，用于驱动电路和电压采集电路供电，后者是24V转5V电源模块，用于给控制板供电。其中控制板包括通信模块、AD/DA转换模块、PWM控制模块。下面分别对三种方案进行分析说明。
第一种方案中，超级电容只是简单地采用CC-CV充电，不加控制算法，使串联的超级电容总电压充到6V，平均每个单体电压为2V，但是由于没有任何算法，所以每个单体电压各不相同，但都会在2V上下浮动(比如1.8V、2.0V、2.2V)。在方案设计时需要需要用到AC-DC电源转换器，AC部分接220V交流电压，转换出来的DC电压给可重构底板供电。其中超级电容电压先经过电压传感器采集，采集的电压经过低通滤波模块，低通滤波模块可以由TL074ID芯片来搭建，电压经过滤波之后用DSP芯片中的AD采样口采集，DSP可以选型为TMS320F2808芯片。
接下来，先设计控制电路模块：采用TMS320F2808搭建控制板来产生PWM控制信号，用来判断是否对超级电容进行充电。然后设计驱动电路，该方案总共设计了6路驱动电路来驱动3对MOS管，每对MOS管分为上管和下管，上下MOS管是互补导通的(防止超级电容被短路)，其中上管导通时超级电容不充电，下管导通时超级电容才处于导通充电模式。最后，超级电容电压外接PXI采集板来采集每个超级电容的电压，采集的电压传输到Labview中，同时用温度传感器采集超级电容在充电期间的温度，用于分析对比。
第二种方案中，采用分散控制算法每一路超级电容电压在上升到参考电压v0后，对应的下路开关断开，上路开关闭合，可以预测，采用分散控制的超级电容电压比普通的CC-CV充电方式的电压要低。
第三种方案中，采用本发明所述的协同算法，以初始电压较低的超级电容作为leader，充电前期，较高电压的两路超级电容电压保持不变，只有在leader的超级电容电压与其邻居电压相等时，邻居电压才会开始上升，可以预测，采用协同控制算法的三路超级电容电压会比分散控制的电压低。
为了更好地分析对比，三种方案都进行了温度采集实验，如图4所示，本发明采取协同控制算法后，超级电容在充电过程的电压相比于传统充电方法更低，而电压低意味着流过超级电容的充电电流更低，由欧姆定律可知超级电容发热也会减小，进而超级电容温度也下降，即本发明充电方法的超级电容温度可以得到相应抑制，再以下公式证明可得，本发明的超级电容寿命可以得到有效提升。
Figure BDA0002385619030000061
其中，τ0为超级电容初始寿命，vi(t)为超级电容i的电压，μi(t)为超级电容i的温度，T为充电周期，τ0、v0、μ0为恒定常数，其数值分别为：τ0＝1.4*103s,
Figure BDA0002385619030000062
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 (9)

1.一种基于协同控制的可重构超级电容充电方法，其特征在于，使用恒流源为超级电容主拓扑电路中的超级电容充电，其中，超级电容主拓扑电路包括若干相互串联的超级电容单元，每个超级电容单元包括1个超级电容和2个开关管，超级电容与其中1个开关管串联后再与另1个开关管并联，且该2个开关管的实时控制方法为：
获取本地超级电容的电压和邻居超级电容的电压，采用协同均衡控制方法分别计算本地超级电容电压与参考电压之差、本地超级电容电压与邻居超级电容电压之差，然后将两种误差求和产生误差电压，并根据误差电压生成PWM信号，根据PWM信号驱动超级电容单元中的2个开关管。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，协同均衡控制方法的计算公式为：
Figure FDA0002385619020000011
式中，i为本地超级电容，ei为超级电容i的误差电压，x0为参考电压，xi为超级电容i的电压，xj为邻居超级电容j的电压，Ni为所有邻居超级电容构成的集合；如果超级电容i能接受到超级电容j的信息，则称超级电容j为超级电容i的邻居，且有aij＝1，反之aij＝0；若超级电容i的电压能充到参考电压x0，则gi＝1，反之gi＝0。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据误差电压是否大于0，以生成高电平或低电平，得到PWM信号。
4.根据权利要求3所述的充电方法，其特征在于，当ei≤0时，PWM信号输出高平电，通过驱动电路使并联开关管闭合、串联开关管断开；否则PWM信号输出低电平，通过驱动电路使串联开关管闭合、并联开关管断开。
5.一种基于协同控制的可重构超级电容充电装置，其特征在于，使用恒流源为超级电容主拓扑电路中超级电容充电，其中，超级电容主拓扑电路包括若干相互串联的超级电容单元，每个超级电容单元包括1个超级电容和2个开关管，超级电容与其中1个开关管串联后再与另1个开关管并联；所述基于协同控制的可重构超级电容充电装置包括：为每个超级电容单元设置的控制电路、采样电路和驱动电路；
所述采样电路，用于采集本地超级电容的电压值并发送给本地控制电路；
所述控制电路，用于将接收到的本地超级电容的电压值发送给邻居控制电路，并根据接收到的本地超级电容的电压值和邻居超级电容的电压值，按照协同均衡控制算法分别计算本地超级电容电压与参考电压之差、本地超级电容电压与邻居超级电容电压之差，然后将两种误差求和产生误差电压，并根据误差电压生成PWM信号，再将PWM信号发送给本地驱动电路；
所述驱动电路，用于根据接收到的PWM信号驱动本地超级电容的并联开关管和串联开关管，从而控制对本地超级电容充电。
6.根据权利要求5所述的充电装置，其特征在于，所述协同均衡控制算法分别计算本地超级电容电压与与参考电压之差、本地超级电容电压与邻居超级电容电压之差，然后将两种误差求和产生误差电压，误差电压的计算公式为：
Figure FDA0002385619020000021
式中，i为本地超级电容，ei为超级电容i的误差电压，x0为参考电压，xi为超级电容i的电压，xj为邻居超级电容j的电压，Ni为所有邻居超级电容构成的集合；如果超级电容i能接受到超级电容j的信息，则称超级电容j为超级电容i的邻居，且有aij＝1，反之aij＝0；若超级电容i的电压能充到参考电压x0，则gi＝1，反之gi＝0。
7.根据权利要求5所述的充电装置，其特征在于，根据误差电压是否大于0，以生成高电平或低电平，得到PWM信号。
8.根据权利要求7所述的充电装置，其特征在于，当ei≤0时，PWM信号输出高平电，通过驱动电路使并联开关管闭合、串联开关管断开；否则PWM信号输出低电平，通过驱动电路使串联开关管闭合、并联开关管断开。
9.根据权利要求5所述的充电装置，其特征在于，还包括低通滤波电路，设置于采样电路与控制电路之间，用于对采集到的电压数据进行低通滤波再发送给控制电路。
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