CN112152286A - 一种串联锂离子电容器***的主动均衡装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种串联锂离子电容器***的主动均衡装置及方法，该装置包括二级模块均衡电路以及与二级模块均衡电路连接用以调节均衡电流的模糊控制器，每个二级模块均衡电路内包括多个相互独立的一级电容单体均衡电路，与现有技术相比，本发明具有独立二级均衡、提高均衡精度等优点。

Description

一种串联锂离子电容器***的主动均衡装置及方法
技术领域
本发明涉及电力电子控制领域，尤其是涉及一种串联锂离子电容器***的主动均衡装置及方法。
背景技术
锂离子电容器是一种典型的非对称电容器，与传统电容器相比，锂离子电容器在能量密度、功率密度等各方面已经得到很大提升，具有非常广阔的发展前景，可以应用于汽车、备用电源、轨道、可再生能源发电与储存、自动导引运输车(AGV)、不间断电源等多领域。在实际应用中，单个锂离子电容器的电压和容量并不能满足***的工作需要，因此需要以一定的串并联形式使用。由于实际工艺条件的限制，锂离子电容器的不一致性难以避免。在电容器单体的制作过程中，由于制作工艺等方面的原因，造成了即使是同一批次的电容器单体都会出现明显的容量、内阻等方面的差异。同时在电容器的使用过程中，电容单体自放电率的不同、使用环境的差异等，也都会导致电容单体的容量等出现不平衡。为了充分利用电容器能量，延长电容器使用寿命，在使用过程中必须对电容器组进行均衡管理，使各单体电容器基本上同时放空、同时充满，达到各单体电容的剩余能量趋于一致。
现有的均衡技术主要分为能量耗散型(被动均衡)和非能量耗散型(主动均衡)。能量耗散型是通过并联电阻来实现的，此方法结构简单对控制***要求低，但是能量浪费严重，且耗能电阻发热会对电容器组造成不利影响，均衡电流大小也会受到限制。非能量耗散型方法中主要包括开关电容型，变压器型，变换器型。电容型开关阵列复杂，均衡速度慢，变压器型的成本高、体积大、效率低、***变更困难。传统的变换器型以Buck、Boost、Buck-Boost或者Cuk变换器等成熟的变换器电路为基础构建均衡电路，能量只能在相邻电池单体间传递，若待均衡单***置不相邻，则会加长均衡时间，降低均衡效率。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种串联锂离子电容器***的主动均衡装置及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种串联锂离子电容器***的主动均衡装置，该装置包括二级模块均衡电路以及与二级模块均衡电路连接用以调节均衡电流的模糊控制器，每个二级模块均衡电路内包括多个相互独立的一级电容单体均衡电路。
在每个一级电容单体均衡电路中包括多个串联的电容单体，每两个相邻的电容单体间通过一级Buck-Boost均衡电路结构实现电容单体间的均衡，即单体均衡。
对于每两个相邻的电容单体，所述的一级Buck-Boost均衡电路由第一MOS管、第二MOS管、第一单体二极管、第二单体二极管、电感和电阻构成，所述的第一MOS管、电感、电阻、第一单体二极管与第一电容单体构成第一回路，第二MOS管、电感、电阻、第二单体二极管和第二电容单体构成第二回路，第一回路和第二回路共用电感。
将每个一级电容单体均衡电路视作一个电容单体，二级模块均衡电路通过二级Buck-Boost均衡电路结构实现一级电容单体均衡电路间的均衡，即模块间的均衡。
所述的模糊控制器包括依次连接的输入输出变量确定模块、精准量的模糊化模块、模糊规则集建立模块和输出量反模糊化模块。
一种串联锂离子电容器***的主动均衡方法，包括以下步骤：
1)连接整个电容器串联***并上电；
2)通过电流、电压传感器获得每个电容单体的电压以及电流参数，并通过安时积分法估计出电容单体的起始剩余电量SOC，具体计算公式为：
Figure BDA0002675106210000021
其中，SOC(t)为所估计的电容单体起始剩余电量，SOC(0)为初始时刻的SOC，CN为电容的总容量，η为充放电效率，i(t)为充放电电流，以充电电流方向为正，放电电流方向为负；
3)分别获取一级电容单体均衡电路内相邻两个电容单体的SOC差值ΔSOC和相邻两个电容单体的SOC平均值
Figure BDA0002675106210000022
并获取相邻两个一级电容单体均衡电路之间SOC平均值的差值ΔSOC′；
4)分别设定单体均衡和模块间的均衡对应的一级均衡阈值和二级均衡阈值，所述的一级均衡阈值和二级均衡阈值分别包括启动阈值和停止阈值；
5)将ΔSOC和ΔSOC′分别与设定的均衡阈值相比较，当ΔSOC大于设定的一级均衡启动阈值时，开启单体均衡，通过一级Buck-Boost均衡电路实现，当ΔSOC小于等于设定的一级均衡启动阈值时，则停止单体均衡；当ΔSOC′大于设定的二级均衡启动阈值时，开启模块间的均衡，通过二级Buck-Boost均衡电路实现，当ΔSOC′小于等于设定的二级均衡启动阈值时，停止模块间的均衡。
所述的模糊控制器以ΔSOC和
Figure BDA0002675106210000031
作为输入，以均衡电流Iequ作为输出，其模糊控制规则表如下：
Figure BDA0002675106210000032
其中，ΔSOC分为五个等级，分别为VL、L、M、S、VS，SOC均值
Figure BDA0002675106210000033
分为三个等级，分别为L、M、S，均衡电流Iequ分为五个等级，分别为VL、L、M、S、VS。
所述的步骤5)中，一级Buck-Boost均衡电路与二级Buck-Boost均衡电路相互独立工作，互不干扰。
所述的步骤4)中，一级均衡阈值和二级均衡阈值通过人为设定，或根据锂离子电容器的状态和电容器***的一致性需求设定。
所述的步骤5)中，所述的模糊控制器输出的均衡电流分别作为一级控制Buck-Boost均衡电路结构和二级控制Buck-Boost均衡电路结构的控制信号，实现单体均衡和模块间的均衡。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明在已有的Buck-Boost拓扑结构均衡电路的基础上，提出了一种基于Buck-Boost变换器的二级均衡装置，该均衡装置将串联电容器组模块化，避免电量的远距离传递，从而可以提高均衡速度，提升均衡效率。
二、本发明在均衡控制上采用模糊逻辑器，以锂离子电容器的SOC作为均衡变量，通过控制MOS管的闭合时间控制均衡器均衡电流的大小，从而提高均衡精度。
附图说明
图1为均衡***信号连接示意图。
图2为本发明二级Buck-Boost均衡拓扑电路。
图3为单个基于Buck-Boost变换器的均衡拓扑电路。
图4为模糊控制器的结构图。
图5为均衡方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式包括但不限于以下实施例表示的范围。
实施例
如图2所示，图2为本发明基于Buck-Boost变换器的二级均衡装置，该均衡装置将串联锂离子电容器组分为多个模块，如图中模块1、模块2、模块N所示，在每个模块内部，相邻单体电容之间形成一组均衡结构，模块内均衡电路成为第一级均衡电路，相邻两模块之间也形成一组均衡结构，该均衡电路称之为第二级均衡电路。如图所示，Cell11和Cell12之间的均衡电路为一级均衡电路，模块1和模块2之间的外均衡电路称之为二级均衡电路。
该二级均衡装置采用了Buck-Boost电路，可实现各组结构相互独立工作，即任意一组结构的均衡工作与其他组互不影响，且一级均衡电路与二级均衡电路的均衡工作也互不影响。
如图3所示，图3为该均衡装置的基础均衡电路，用于构成一级均衡电路和二级均衡电路。以该图为例说明均衡电路的工作过程如下：
假设Cell1的SOC高于Cell2的SOC。
(1)Cell1放电：首先由控制***发出控制信号，控制MOSFET单元Q1导通，此时Cell1、L1、R1和Q1构成充电回路，流经电感L1的电流逐渐增大，电能转化为磁能储存在电感L1中。
(2)Cell2充电：此时Q1处于断开阶段，电感L1释放储存的能量，二极管D2导通，L1、D2、Cell2形成充电回路，在L1放电过程中，电流不断减少。
(3)消磁：在Cell2充电结束后，D2截止，此时电感L1中仍有一部分能量，因此需要对电感进行消磁处理，使电感磁复位，避免电感生产积累达到磁饱和的状态。
该均衡装置通过检测电容器的SOC状态，由控制***发出控制信号，实现电量从高SOC单体向低SOC单体转移。当***检测到相邻的两组电容器SOC差值小于均衡阈值时，即断开两个相应的MOS管，停止均衡。同理，该均衡电路也适用于模块间的电量均衡，当***检测到两模块电容器SOC均值差异小于均衡阈值时即停止均衡。
如图4所示，图4是模糊控制器框图，本均衡装置以电容器的SOC作为均衡变量，通过控制***产生PWM信号来控制MOS管的通断，从而实现对均衡电流大小的控制。
模糊控制器的输入变量设置为相邻单体之间的SOC差值ΔSOC和SOC均值
Figure BDA0002675106210000051
输出变量设置为均衡电流Iequ，SOCi和SOCi-1分别表示第i节单体和第i-1节单体的SOC值，则有：
ΔSOC＝SOCi-SOCi-1
Figure BDA0002675106210000052
ΔSOC、
Figure BDA0002675106210000053
和均衡电流Iequ的实际变化范围分别称为SOC差值、SOC均值以及输出均衡电流值的基本论域，其模糊论域分别为[0，0.15]，[0，1]，[2，4]。模糊控制器的输入量和输出量被分成模糊子集并用模糊语言变量表示，其中，SOC差值ΔSOC分为五个等级，分别为VL、L、M、S、VS；SOC均值
Figure BDA0002675106210000054
分为三个等级L、M、S；输出均衡电流Iequ分为五个等级VL、L、M、S、VS。
模糊控制规则的建立由模糊集合的子集个数决定，表1所示的15条控制规则表示不同输入变量得到不同的均衡电流。
表1模糊控制规则表
Figure BDA0002675106210000055
如图5所示，均衡装置的控制过程包括以下步骤：
步骤一：连接整个电容器串联***并上电；
步骤二：通过电流、电压传感器获得电容单体电压以及电流参数，并通过安时积分法估计出单体电容的起始剩余电量SOC，具体计算公式为：
Figure BDA0002675106210000061
其中SOC(t)为所估计的电容器起始剩余电量，SOC(0)为初始时刻的SOC，CN为电容的总容量，η为充放电效率，i(t)为充放电电流(以充电电流方向为正，放电电流方向为负)；
步骤三：计算模块内相邻两个电容单体的SOC差值ΔSOC和模块内电容器组SOC的平均值，并计算相邻两个模块之间SOC平均值的差值ΔSOC’；
步骤四：设定合理的均衡阈值，均衡阈值分为启动阈值和停止阈值，对于均衡***的单体均衡以及模块均衡，其启动阈值和停止阈值需分别设定。该均衡阈值人为设定，可根据锂离子电容器的状态、电容器***的一致性需求设定。
步骤五：将ΔSOC和ΔSOC’和设定的均衡阈值相比较，当ΔSOC大于设定的单体均衡启动阈值时，开启模块内部的单体均衡，该均衡过程通过一级均衡电路实现，当ΔSOC小于等于设定的单体均衡停止阈值时，停止单体均衡；同理，当ΔSOC’大于设定的模块均衡启动阈值时，开启模块间的均衡，该均衡过程通过二级均衡电路实现，当ΔSOC’小于等于设定的模块均衡停止阈值时，停止模块均衡。一级均衡电路与二级均衡电路相互独立工作，互不干扰。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内的局部修改或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (10)

1.一种串联锂离子电容器***的主动均衡装置，其特征在于，该装置包括二级模块均衡电路以及与二级模块均衡电路连接用以调节均衡电流的模糊控制器，每个二级模块均衡电路内包括多个相互独立的一级电容单体均衡电路。
2.根据权利要求1所述的一种串联锂离子电容器***的主动均衡装置及方法，其特征在于，在每个一级电容单体均衡电路中包括多个串联的电容单体，每两个相邻的电容单体间通过一级Buck-Boost均衡电路结构实现电容单体间的均衡，即单体均衡。
3.根据权利要求2所述的一种串联锂离子电容器***的主动均衡装置及方法，其特征在于，对于每两个相邻的电容单体，所述的一级Buck-Boost均衡电路由第一MOS管(Q1)、第二MOS管(Q2)、第一单体二极管(D1)、第二单体二极管(D2)、电感(L1)和电阻(R1)构成，所述的第一MOS管(Q1)、电感(L1)、电阻(R1)、第一单体二极管(D1)与第一电容单体(Cell1)构成第一回路，第二MOS管(Q2)、电感(L1)、电阻(R1)、第二单体二极管(D2)和第二电容单体(Cell2)构成第二回路，第一回路和第二回路共用电感(L1)。
4.根据权利要求3所述的一种串联锂离子电容器***的主动均衡装置及方法，其特征在于，将每个一级电容单体均衡电路视作一个电容单体，二级模块均衡电路通过二级Buck-Boost均衡电路结构实现一级电容单体均衡电路间的均衡，即模块间的均衡。
5.根据权利要求1所述的一种串联锂离子电容器***的主动均衡装置及方法，其特征在于，所述的模糊控制器包括依次连接的输入输出变量确定模块、精准量的模糊化模块、模糊规则集建立模块和输出量反模糊化模块。
6.一种应用如权利要求1至5任一项所述串联锂离子电容器***的主动均衡装置的均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)连接整个电容器串联***并上电；
2)通过电流、电压传感器获得每个电容单体的电压以及电流参数，并通过安时积分法估计出电容单体的起始剩余电量SOC，具体计算公式为：
Figure FDA0002675106200000011
其中，SOC(t)为所估计的电容单体起始剩余电量，SOC(0)为初始时刻的SOC，CN为电容的总容量，η为充放电效率，i(t)为充放电电流，以充电电流方向为正，放电电流方向为负；
3)分别获取一级电容单体均衡电路内相邻两个电容单体的SOC差值ΔSOC和相邻两个电容单体的SOC平均值
Figure FDA0002675106200000021
并获取相邻两个一级电容单体均衡电路之间SOC平均值的差值ΔSOC′；
4)分别设定单体均衡和模块间的均衡对应的一级均衡阈值和二级均衡阈值，所述的一级均衡阈值和二级均衡阈值分别包括启动阈值和停止阈值；
5)将ΔSOC和ΔSOC′分别与设定的均衡阈值相比较，当ΔSOC大于设定的一级均衡启动阈值时，开启单体均衡，通过一级Buck-Boost均衡电路实现，当ΔSOC小于等于设定的一级均衡启动阈值时，则停止单体均衡；当ΔSOC′大于设定的二级均衡启动阈值时，开启模块间的均衡，通过二级Buck-Boost均衡电路实现，当ΔSOC′小于等于设定的二级均衡启动阈值时，停止模块间的均衡。
7.根据权利要求6所述的一种串联锂离子电容器***的主动均衡方法，其特征在于，所述的模糊控制器以ΔSOC和
Figure FDA0002675106200000022
作为输入，以均衡电流Iequ作为输出，其模糊控制规则表如下：
Figure FDA0002675106200000023
其中，ΔSOC分为五个等级，分别为VL、L、M、S、VS，SOC均值
Figure FDA0002675106200000024
分为三个等级，分别为L、M、S，均衡电流Iequ分为五个等级，分别为VL、L、M、S、VS。
8.根据权利要求6所述的一种串联锂离子电容器***的主动均衡方法，其特征在于，所述的步骤5)中，一级Buck-Boost均衡电路与二级Buck-Boost均衡电路相互独立工作，互不干扰。
9.根据权利要求6所述的一种串联锂离子电容器***的主动均衡方法，其特征在于，所述的步骤4)中，一级均衡阈值和二级均衡阈值通过人为设定，或根据锂离子电容器的状态和电容器***的一致性需求设定。
10.根据权利要求7所述的一种串联锂离子电容器***的主动均衡方法，其特征在于，所述的步骤5)中，所述的模糊控制器输出的均衡电流分别作为一级控制Buck-Boost均衡电路结构和二级控制Buck-Boost均衡电路结构的控制信号，实现单体均衡和模块间的均衡。
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